DE3827509A1

DE3827509A1 - Antrieb insbesondere fuer den schweissdrahtvorschub an schweisseinrichtungen

Info

Publication number: DE3827509A1
Application number: DE3827509A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dr Ing Fluegel
Original assignee: KUKA Schweissanlagen und Roboter GmbH
Current assignee: KUKA Systems GmbH
Priority date: 1988-08-12
Filing date: 1988-08-12
Publication date: 1990-02-15
Anticipated expiration: 2008-08-13
Also published as: DE3827509C2

Description

Die Erfindung betrifft einen Antrieb, insbesondere für den Schweißdrahtvorschub an Schweißeinrichtungen mit den Merkmalen im Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Ein solcher Antrieb ist aus der DE-OS 29 38 345 und der US-PS 33 44 305 für Schweißeinrichtungen bekannt. Diese Antriebe sind jedoch nicht in der Lage, für die geforderte Konstanz des Drahtvorschubes zu sorgen. Hierbei ist zu berücksichtigen, daß beispielsweise für automatisches Roboterschweißen Vorschubabweichungen von weniger als 1% erforderlich sind. Die vorbekannten Einzelantriebe arbeiten mit größeren Abweichungen. Erschwerend kommt für den gesamten Drahtvorschubantrieb hinzu, daß durch ständige Bewegungen des Schweißwerkzeuges die Reibungsverhältnisse in der mitbewegten Schweißdrahtführung sich ständig ändern. Bei schnellen Werkzeugbewegungen kann es sogar zu Schwingungen im Drahtvorschub kommen, die die Schweißqualität erheblich beeinträchtigen. Die vorbekannten Antriebe sind in der Gesamtanordnung nicht in der Lage, diesen Problemen ausreichend Rechnung zu tragen.

Besondere Schwierigkeiten entstehen beim Anfahren und Bremsen des Drahtvorschubes. Hier ist ein reproduzierbares Anlauf- und Bremsverhalten erforderlich, damit die Schweißparameter stets gleichbleiben und Zündprobleme durch unterschiedliche Drahtabstände vom Werkstück vermieden werden. Läuft der Draht beim Abschalten zu schnell, kann er unter Umständen im Schweißbad festbrennen. Läuft er hingegen zu langsam, brennt er zu weit zurück, wodurch sich ebenfalls der Zündabstand verändert. Beim Anfahren entstehen die gleichen Schwierigkeiten.

Die vorbekannten Antriebe sehen für die Anlauf- und Bremsphase keinerlei Maßnahmen vor und sind daher für hochpräzise Schweißeinrichtungen nicht geeignet.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Antrieb aufzuzeigen, der in den Einzelkomponenten eine höhere Regelgenauigkeit besitzt und insgesamt eine bessere Konstanz des Drahtvorschubes und die Kompensation variierender Umgebungsbedingungen sicherstellt. Außerdem soll der Antrieb ein reproduzierbares Anlauf- und Bremsverhalten zeigen.

Die Erfindung löst dieses Problem mit den Merkmalen im Kennzeichen des Hauptanspruchs und des nebengeordneten Anspruchs.

Mit dem erfindungsgemäßen Regelungskonzept der Überlagerung der Ankerstromregelung durch eine Drehzahlregelung läßt sich eine optimale Regelgenauigkeit erzielen. Der erfindungsgemäße Antrieb kann für unterschiedliche Zwecke eingesetzt werden, eignet sich aber besonders für den Schweißdrahtvorschub an Schweißeinrichtungen, speziell Schweißrobotern.

Der erfindungsgemäße Antrieb kann sowohl als drehzahlgeregelter Antrieb als auch als momentengesteuerter Antrieb ausgelegt werden. Für die Momentensteuerung kommt ein Strombegrenzer hinzu, der seinerseits den Drehzahlregler überlagert und ihn nur in Sonderfällen, beispielsweise zum Einfädeln des Schweißdrahts, freigibt. Nachdem die eingestellte Soll-Drehzahl von der im Normalbetrieb erreichbaren Drehzahl abweicht, regelt der Drehzahlregler den Ankerstrom stets an die Einsatzschwelle des Strombegrenzers heran. Diese Konzeption sorgt für einen absolut konstanten Ankerstrom und damit für ein konstantes Antriebsmoment, ohne daß unerwünschte Regelschwingungen auftreten.

Zur Erzielung eines konstanten Anlauf- und Bremsverhaltens ist gemäß dem nebengeordneten Anspruch vorgesehen, dem momentengeregelten Antrieb einen höheren oder niedrigeren Ankerstrom zuzuführen, der proportional zum Massenträgheitsmoment beim Beschleunigen und Bremsen ist. Diese Maßnahme läßt sich mit Erfolg auch bei Antrieben nach dem Stand der Technik verwirklichen.

Der erfindungsgemäße Antrieb eignet sich hierfür besonders, da die unterschiedlichen Ankerströme auf einfache Weise durch Beeinflussung des Strombegrenzers eingestellt werden können. Dies kann einerseits durch Eingriffe von außen mittels selbständig einstellbarer Stellorgane geschehen. Besonders günstig ist jedoch die Koppelung des momentengeregelten Antriebs mit einem drehzahlgeregelten Antrieb. Bei einem Schweißdrahtvorschub ist hierbei vorzugsweise der drehzahlgeregelte Antrieb der Pull- oder Hauptantrieb, der nahe am Schweißbrenner sitzt, während der momentengesteuerte Antrieb als einfacher oder mehrfacher Push- oder Hilfsantrieb fungiert.

Die Ableitung des Steuersignals für den Strombegrenzer kann auf mehrere Arten erfolgen, von denen zwei in den bevorzugten Ausführungsbeispielen dargestellt sind. Zum einen kann einer konstanten und dem gewünschten Moment im Normalbetrieb entsprechenden Signalkomponente eine dynamische Signalkomponente zuaddiert werden, die dem Massenträgheitsmoment der zu beschleunigenden oder zu bremsenden Teile entspricht. Beim Bremsen hat die dynamische Komponente ein negatives Vorzeichen. Diese eine Möglichkeit empfiehlt sich besonders dann, wenn für Haupt- und Hilfsantriebe unterschiedliche Motoren und Kraftübertragungselemente verwendet werden. Die Drahtförderkraft des momentengesteuerten Hilfsantriebes läßt sich in diesem Fall so einstellen, daß dessen Motorleistung optimal genutzt wird.

Die zweite Moglichkeit besteht darin, den Strom-Sollwert für den Hilfsantrieb aus dem vom Drehzahlregler des Hauptantriebes erzeugten Strom-Sollwert für den Hauptantrieb abzuleiten. In diesem Fall werden die Ankerströme und damit die Drahtförderkräfte von Haupt- und Hilfsantrieb zueinander proportional geführt. Das bedeutet, daß die Drahtförderkräfte beider Antriebe in einem festen Verhältnis zueinander stehen und durch den Drehzahlregler des Hauptantriebes ständig auf den, durch die Reibungswiderstände im Drahtfördersystem bedingten Kraftbedarf angepaßt werden. Diese Möglichkeit bietet sich besonders vorteilhaft an, wenn für Haupt- und Hilfsantrieb die gleichen Motoren und Kraftübertragungselemente eingesetzt werden, so daß z.B. die Förderkraftaufteilung im Verhältnis 1 : 1 erfolgen kann und beide Antriebe ohne besondere Maßnahmen die gleiche Dynamik beim Beschleunigen und Bremsen aufweisen.

Durch die Koppelung der Haupt- und Hilfsantriebe kann auch die Soll-Drehzahl des momentengesteuerten Hilfsantriebes von der Soll-Drehzahl des drehzahlgeregelten Hilfsantriebes abgeleitet werden. Hierdurch stehen beide Drehzahlen in einem festen Verhältnis zueinander. Bei Änderungen der Drehzahleinstellung am Hauptantrieb, insbesondere beim Anlaufen und Bremsen, folgt die Soll-Drehzahl des Hilfsantriebes automatisch nach.

Der erfindungsgemäße Antrieb kann in seinen verschiedenen Regelungsausgestaltungen mit beliebigen Elektromotoren und Fördermitteln eingesetzt werden. Für saubere Regelcharakteristiken empfehlen sich besonders permanenterregte Gleichstrommotoren, wobei auch die verschiedenen Regler als Proportional-integral-Regler ausgebildet sein sollten. Der drehzahlgeregelte Antrieb besitzt einen besonders genauen Drehzahlmesser, beispielsweise einen Gleichstromtachogenerator oder einen Inkrementaldrehgeber mit Frequenz-/Spannungswandler. Für den momentengesteuerten Antrieb hat die überlagerte Drehzahlregelung eine geringere Bedeutung, so daß hier ohne weiteres einfache Geräte zum Einsatz kommen können. Alternativ kann der Drehzahl-Istwert auch aus der induzierten Ankerspannung des Motors gewonnen werden.

Die Erfindung ist in den Zeichnungen beispielhaft und schematisch dargestellt. Im einzelnen zeigen:

Fig. 1 in Seitenansicht einen Schweißroboter mit einer Vorrichtung für den Schweißdrahtvorschub,

Fig. 2 und 3 Signalflußpläne in Variation des Steuerungs- und Regelungskonzeptes der Antriebe und

Fig. 4 Diagramme zum Signalverlauf.

Fig. 1 zeigt einen mehrachsigen Industrieroboter (1), der an seiner Hand (13) eine Schweißeinrichtung (2), hier ein Lichtbogen-Schutzgas-Schweißwerkzeug trägt. Der Schweißdraht (4) wird von einem Vorratsbehälter (5) an der Roboterschwinge (14) mittels einer Transportvorrichtung (3), bestehend aus zwei Antrieben (7, 9), durch die Schweißdrahtführung (6) zur Schweißdüse (12) befördert. Der die Vorschubgeschwindigkeit bestimmende Hauptantrieb (7) befindet sich nahe an der Schweißdüse (12). Der Hilfsantrieb (9) ist nahe dem Vorratsbehälter (5) am hinteren Ende der Schweißdrahtführung (6) angeordnet. Die Transportvorrichtung (3) stellt mit dem ziehenden Hauptantrieb (7) und dem schiebenden Hilfsantrieb (9) einen sogenannten Push-pull-Antrieb dar.

Der Motor (15) des Hauptantriebes (7) wird auf eine, dem Sollwert der Vorschubgeschwindigkeit entsprechende Drehzahl geregelt. Unter der Voraussetzung einer weitgehend schlupflosen Kraftübertragung auf den Schweißdraht (4) erzeugt er die gewünschte Vorschubgeschwindigkeit. Der Hilfsantrieb (9) ist hingegen momentengeregelt. Der Ankerstrom des Motors (11) wird mit Hilfe eines Stromregelkreises auf einen, der gewünschten Drahtförderkraft entsprechenden Sollwert geregelt. Die Kraftübertragung des Hilfsantriebes (9) auf den Schweißdraht (4) erfolgt ebenfalls weitestmöglich schlupffrei.

Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist für den Hauptantrieb (7) ein Zwei-Rollen-Drahtantrieb (8) vorgesehen. Der Hilfsantrieb (9) hingegen besitzt einen Wirbelkopf (10) mit schräg angestellten und um den Draht (4) rotierenden Rollen. In Variation zum gezeigten Ausführungsbeispiel können die Drahtfördervorrichtungen auch gleich ausgebildet sein, und wahlweise auch andere als die beiden gezeigten Drahtfördervorrichtungen aufweisen. Sie wirken jedoch stets möglichst ohne Schlupf auf den Schweißdraht ein.

Beim Bahnschweißen muß die Schweißdüse (12) oft komplizierten Bahnen im Raum mit veränderlicher Orientierung folgen, wobei die Schweißdrahtführung (6) mitbewegt und manchmal stark verwunden wird. Dies erschwert die Schweißdrahtförderung durch sich ändernde Reibungsverhältnisse in der Schweißdrahtführung (6). Problematisch sind auch schnelle Bewegungen der Schweißdüse (12), die Schwingungen im Drahtvorschub provozieren. Trotzdem darf es nicht zu Änderungen der Drahtvorschubgeschwindigkeit in der Schweißdüse (12) konmen. Der Hauptantrieb (7) und der ein- oder mehrfach vorgesehene Hilfsantrieb (9), sind so aufeinander abgestimmt, daß die Umgebungsbedingungen kompensiert werden.

Hierbei wird angestrebt, daß am ziehenden Hauptantrieb (7) der Schweißdraht (4) stets mit gleichgerichteter Kraft ansteht, also nicht von Schub- auf Zugkraft wechselt. Vorzugsweise wird der Schweißdraht vom momentengesteuerten Hilfsantrieb (9) mit einer konstanten Kraft gefördert, die größer als die zu erwartenden maximalen Reibwiderstände in der Schweißdrahtführung (6) ist. Am Hauptantrieb (7) steht der Schweißdraht (4) damit stets mit einer Schubkraft an, die in der Größe in gewissen Grenzen schwanken, aber nie auf oder unter Null gehen kann. Im Hilfsantrieb (9) wird die auf den Schweißdraht (4) einwirkende Förderkraft unabhängig von der Drahtgeschwindigkeit und von der Oberflächenbeschaffenheit des Schweißdrahtes gesteuert, bzw. konstant gehalten.

Fig. 2 zeigt schematisch und beispielsweise das Steuerungs- und Regelungsverfahren gemäß einer ersten Ausführungsform anhand eines Signalflußplanes.

Auf der rechten Seite ist die Transportvorrichtung mit dem Vorratsbehälter (5), dem Schweißdraht (4), dem Hilfsantrieb (9) und dem Hauptantrieb (7) schematisch dargestellt. Der Hilfsantrieb (9) besitzt hier den besagten Wirbelkopf (10) und transportiert den Schweißdraht (4) mit einer vorgebbaren Förderkraft F ₂ zum Hauptantrieb (7). Der Hauptantrieb (7) fördert über einen Zweirollen-Antrieb (8) den Draht schlupffrei mit einer vorgebbaren Geschwindigkeit V zur Schweißdüse.

Haupt- und Hilfsantrieb (7, 9) sind mit permanenterregten Gleichstrommotoren (11, 15) ausgestattet, welche mit dem Zwei-Rollen-Antrieb (8), bzw. dem Wirbelkopf (10) gegebenenfalls über Getriebe (nicht dargestellt) gekoppelt sind. Genausogut können auch bürstenlose Motoren oder andere Elektromotoren eingesetzt werden. Jeder Motor (11, 15) wird von einem Leistungsverstärker (18, 19) gespeist. Jedem Antrieb ist eine Regelungseinrichtung zugeordnet, bestehend aus einem Ankerstromregler (20, 21) und einem überlagerten Drehzahlregler (22, 23). Die Regler sind vorzugsweise als Proportional-Integral-Regler ausgebildet. Für die Drehzahl-Istwerterfassung sind die Motoren mit den Drehzahlmessern (16, 17) ausgerüstet. Bis hierher sind der drehzahlgeregelte Hauptantrieb (7) und der momentengesteuerte Hilfsantrieb (9) gleich ausgebildet.

Da der Hauptantrieb (7) über seine Drehzahl N ₁ die Drahtvorschubgeschwindigkeit bestimmt, empfiehlt es sich, für dessen Drehzahl- Istwerterfassung ein sehr exaktes Instrument, beispielsweise einen genauen Gleichstromtachogenerator, einen Inkrementalgeber mit Frequenz-/Spannungswandler oder ein anderes hochwertiges Drehzahlmeßsystem einzusetzen. An die Erfassung der Drehzahl N ₂ des Hilfsantriebes (9) werden keine hohen Genauigkeitsanforderungen gestellt. Auf einen Tachogenerator wie im gezeigten Ausführungsbeispiel kann sogar verzichtet werden, da der Drehzahl-Istwert mit ausreichender Genauigkeit auch aus der induzierten Ankerspannung des Motors (11) durch Messung seiner Ankerspannung an den Klemmen und elektronische Kompensation seines Ankerspannungsabfalles entsprechend dem gemessenen Ankerstrom-Istwert gebildet werden kann.

Um die Charakteristik einer Momentensteuerung des Hilfsantriebs (9) zu realisieren, besitzt sein Drehzahlregelkreis eine Einrichtung (24) zur Begrenzung des vom Drehzahlregler (23) erzeugten Ankerstrom-Sollwertes i _{2 soll} auf einen extern steuerbaren Wert. Es handelt sich um eine an sich bekannte Strombegrenzungsschaltung, die so wirkt, daß das Ausgangssignal u _R des Drehzahlreglers (23) als Ankerstrom-Sollwert i _{2 soll} zum unterlagerten Stromregler (21) durchgeschaltet ist, sofern das Ausgangssignal unterhalb des extern vorgegebenen Begrenzungswertes bei i _{2 begr} liegt. Übersteigt das Ausgangssignal des Drehzahlreglers (23) den extern vorgegebenen Begrenzungswert, so wird es durch diesen abgelöst, d.h. der Ankerstrom-Sollwert ist nun gleich dem externen Begrenzungswert. Dies gilt so lange, bis das Ausgangssignal des Drehzahlreglers (23) diesen Wert wieder unterschreitet.

Im gezeigten Ausführungsbeispiel wirkt der Strombegrenzer (24) von oben. Dem Drehzahlregler (23) bzw. der vorgeschalteten Soll-Ist-Vergleichsstelle wird ein Sollwert für die Drehzahl n _{2 soll} zugeführt, der im Normalbetrieb stets größer als der vom Drehzahlmesser (17) abgegriffene Istwert n _{2 ist} ist. Aufgrund der Schlupffreiheit bestimmt der Hauptantrieb (7) im Normalbetrieb die Ist-Drehzahl des Hilfsantriebes (9). Nachdem der eingestellte Soll-Wert n _{2 soll} größer ist, als der Ist-Wert n _{2 ist}, wird der Drehzahlregler (23) im Normalbetrieb ständig übersteuert, wodurch der Ankerstrom-Sollwert i _{2 soll} durch den Strombegrenzer (24) konstant gehalten wird.

Der Drehzahl-Sollwert n _{2 soll} kann extern vorgegeben sein. Im gezeigten Ausführungsbeispiel wird er vom Regelkreis des Hauptantriebes im Führungssystem (31) abgeleitet. Dieses enthält einen Führungsintegrator (25), bestehend aus einem Komparator (26) und einem Integrator (27). Der Führungsintegrator (25) formt den eingestellten Sollwert für die Drahtgeschwindigkeit v _soll in den Drehzahl-Sollwert n _{1 soll} für den Hauptantrieb (7) um. Anstieg und Abfall des Drehzahl-Sollwertes n _{1 soll} erfolgen mit einer durch die Integrationszeitkonstante T _I begrenzten Steilheit. Der Drehzahl-Sollwert für den Hilfsantrieb (9) wird ebenfalls aus dem Führungsintegrator (25) abgeleitet, jedoch mit einem Proportionalglied (29) so angepaßt, daß er etwa 10 bis 20% größer ist, als es der Drahtgeschwindigkeit entspricht. Hierbei sind gegebenenfalls unterschiedliche Übersetzungsverhältnisse von Haupt- und Hilfsantrieben (7, 9) zu berücksichtigen.

Der momentengesteuerte Motor (11) des Hilfsantriebes (9) entwickelt im Normalbetrieb ein Drehmoment, das nur zur Drahtförderung ausreicht, nicht aber zum Beschleunigen der mit dem Hilfsantrieb (9) verbundenen Schwungmassen. Beim Anlaufen würde der Hilfsantrieb (9) am Hauptantrieb (7) hängen und müßte von diesem hochgezogen werden. Umgekehrt ist beim Bremsen das konstant gehaltene Moment des Hilfsantriebes (9) zu groß. Die Schwungmassen können dann nicht kontrolliert abgebremst werden.

Um hier reproduzierbare Anlauf- und Bremsbedingungen zu schaffen, wird der Begrenzungswert i _{2 begr} für den Ankerstrom des Hilfantriebes (9) durch Addition zweier Komponenten f _{2 soll} und m _{2 Bsoll} erzeugt. Die erste Komponente f _{2 soll} stellt den Soll-Wert für den Ankerstromanteil dar, welcher die gewünschte Förderkraft F ₂ des Hilfsantriebes (9) erzeugt. Diese Komponente kann beispielsweise mit Hilfe eines Soll-Wertstellers (30) fest eingestellt werden.

Die zweite Komponente m _{2 Bsoll} stellt den Soll-Wert für den Ankerstromanteil dar, welcher das Drehmoment zur Beschleunigung bzw. Bremsung der rotierenden trägen Massen erzeugt. Diese dynamische Komponente kann auf einfache Weise ebenfalls aus dem Führungsintegrator (25) abgeleitet werden. Das Ausgangssignal des Komparators (26) nimmt immer dann einen konstanten positiven, bzw. negativen Wert an, wenn das Ausgangssignal des Integrators (27) kleiner, bzw. größer als der Geschwindigkeits-Sollwert v _soll ist. Dieser konstante positive, bzw. negative Wert wird im Integrator (27) integriert, so daß dessen Ausgangssignal linear ansteigt, bzw. abfällt, bis es genau gleich dem Geschwindigkeits-Sollwert v _soll ist. Dann nämlich wird das Ausgangssignal des Komparators (26) zu Null, so daß der Integrator (27) stehen bleibt. Das Ausgangssignal des Komparators (26) weist also während der linearen Erhöhung des Drehzahl-Sollwertes n _{1 soll} einen positiven und während der linearen Absenkung des Drehzahl-Sollwertes n _{1 soll} einen negativen konstanten Wert auf. Bei gleichbleibendem Drehzahl-Sollwert n _{1 soll} ist es gleich Null. Gemäß dem allgemein bekannten dynamischen Grundgesetz nach Newton entspricht das Komparatorsignal in seinem Verlauf dem Drehmoment, welches zur Beschleunigung bzw. Bremsung der rotierenden trägen Massen des Hilfsantriebes erforderlich ist, und braucht betragsmäßig nur noch dem Massenträgheitsmoment J und der Integrationszeitkonstante T _I angepaßt werden. Diese Anpassung ist durch das Proportionalglied (28) berücksichtigt. Das Proportionalglied (28) ist, wie auch die anderen derartigen Glieder, als Proportional-Verstärker ausgebildet.

Fig. 4 verdeutlicht die Wirkungsweise des Steuerungs- und Regelungskonzeptes anhand des prinzipiellen zeitlichen Verlaufes der Signale.

Diagramm a) zeigt den rechteckförmigen Verlauf des Geschwindigkeits-Sollwertes v _soll, wie er z.B. für das Schweißen einer kurzen Naht von einem Schweißroboter (1) vorgegeben werden könnte.

In Diagramm b) ist das Ausgangssignal des Führungsintegrators (25, 27) dargestellt, welches gleich dem Drehzahl-Sollwert n _{1 soll} für den Hauptantrieb ist. Der Drehzahl-Sollwert n _{2 soll} für den Hilfsantrieb, welcher über ein Proportionalglied (29) aus dem Ausgangssignal des Führungsintegrators gebildet wird, ist um den Faktor 1,1 ...1,2 größer als der Drehzahl-Sollwert n _{1 soll}, wobei vereinfachend vorausgesetzt wird, daß die Übersetzungsverhältnisse beider Antriebe gleich groß sind. Beide Drehzahl-Sollwerte weisen einen trapezförmigen Führungsintegrators.

Die Bildung des Strombegrenzungs-Sollwertes i _{2 begr} für den Hilfsantrieb zeigt Diagramm c). Er setzt sich zusammen aus einem konstanten Anteil f _{2 soll}, welcher der gewünschten Drahtförderkraft des Hilfsantriebes entspricht und z. B. mittels Sollwertsteller (30) eingestellt werden kann und einem dynamischen Anteil m _{2 Bsoll}, welcher dem Beschleunigungsmoment zur Überwindung der Massenträgheitsmomente während der rampenförmigen Beschleunigungs- und Bremsphasen entspricht.

Diagramm d) zeigt schließlich, wie der Ankerstrom-Sollwert i _{2 soll} mit Hilfe der Begrenzungseinrichtung (24) durch Ablösung des Drehzahlreglerausgangssignales u _R vom Strombegrenzungs-Sollwert i _{2 begr} geführt wird. Zunächst, solange der Drehzahl-Sollwert n _{2 soll} noch gleich Null ist, ist auch das Drehzahlreglerausgangssignal u _R gleich Null und gelangt somit, von dem darüberliegenden Begrenzungswert i _{2 begr} unbeeinflußt, als Ankerstrom-Sollwert i _{2 soll} zum unterlagerten Stromregler (21). Sobald aber der Drehzahl-Sollwert ansteigt, baut sich am Eingang des Drehzahlreglers (23) des Hilfsantriebes eine immer größer werdende Differenz zwischen Drehzahl-Sollwert n _{2 soll} und -Istwert n _{2 ist} auf. Entsprechend der Charakteristik des Drehzahlreglers (23) als Proportional-Integral-Regler (PI-Regler) steigt dessen Ausgangsspannung u _R nahezu sprungförmig auf einen Maximalwert an, der etwa der positiven Versorgungsspannung des Regelverstärkers entspricht und übersteigt somit den Begrenzungswert i _{2 begr}. Dadurch wird die Reglerausgangsspannung u _R in der Begrenzungseinrichtung (24) vom Begrenzungswert i _{2 begr} abgelöst, so daß der Ankerstrom des Hilfsantriebes nun auf diesen Wert geregelt wird. Vorausgesetzt wird dabei, daß die Drahtgeschwindigkeit durch die Drehzahlregelung des Hauptantriebes eingeprägt ist, was durch die schlupffreie Kraftübertragung, die richtige Dimensionierung der Antriebe und die richtige Abstimmung der Sollwert-Vorgaben gewährleistet werden kann.

Die Diagramme in Fig. 4 zeigen, daß während der Drahtförderung bei eingefädeltem Schweißdraht beim Hilfsantrieb nur die Ankerstromregelung wirksam ist, wodurch der Hilfsantrieb eine konstante Förderkraft auf den Schweißdraht ausübt. Der Drehzahlregler ist dabei ständig übersteuert.

Der Drehzahlregler des Hilfsantriebes wird nur dann wirksam, wenn Haupt- und Hilfsantrieb nicht über den Schweißdraht fest gekoppelt sind. Dies ist z.B. beim Drahteinfädeln der Fall, solange der Schweißdraht noch nicht durch die ganze Drahtführung bis zum Hauptantrieb gelangt ist. In diesem Fall wird der Hilfsantrieb nicht, wie im anderen Fall, durch den Hauptantrieb gebremst, welcher auf eine geringere Drehzahl geregelt ist. Dadurch findet der Hilfsantrieb ein wesentlich geringeres Widerstandsmoment vor und ist in der Lage, mit einem kleineren als dem, durch den Begrenzungswert i _{2 begr} festgelegten Ankerstrom die ihm vorgegebene Drehzahl zu halten. Der Drehzahlregler (23) kommt dadurch aus seiner Begrenzung frei und führt die Drehzahl des Hilfsantriebes gemäß seinem Soll-Wert n _{2 soll}. Die Drahtvorschubgeschwindigkeit liegt somit während des Einfädelns entsprechend diesem Soll-Wert um 10 ... 20% höher als der Soll-Wert v _soll es vorgibt, so lange bis der Schweißdraht auch mit dem Hauptantrieb in Eingriff ist und dieser die Führung der Geschwindigkeit übernimmt.

Fig. 3 zeigt eine zweite Möglichkeit der Führung des Ankerstromes für den Hilfsantrieb durch Ableitung des Strombegrenzungswertes i _{2 sbegr} aus dem Strom-Sollwert i _{1 soll} für den Hauptantrieb.

Gegenüber der ersten Möglichkeit gemäß Fig. 2 entfällt die Bildung des Begrenzungswertes aus einer schubkraftproportionalen und einer beschleunigungsmomentproportionalen Komponente. Der Strombegrenzungswert i _{2 begr} wird über ein Proportionalglied (34) vom Ausgangssignal des Drehzahlreglers (22) abgeleitet, welches zugleich den Strom-Sollwert für den Hauptantrieb darstellt. Die Begrenzungseinrichtung (24) ist so ausgeführt, daß das Ausgangssignal u _R des Drehzahlreglers für den Hilfsantrieb vom Begrenzungswert immer dann abgelöst wird, wenn es letzteren unterschreitet. Um diese Ablösung im normalen Betrieb bei eingefädeltem Schweißdraht zu erreichen, muß der Drehzahl-Sollwert n _{2 soll} für den Hilfsantrieb kleiner sein, als es der Drahtfördergeschwindigkeit entspricht. Dies wird durch geeignete Anpassung des Übertragungsfaktors des Proportionalgliedes (29) berücksichtigt. Im gezeigten Beispiel ist der Drehzahl-Sollwert des Hilfsantriebes um den Faktor 0,8 ... 0,9 kleiner, als derjenige des Hauptantriebes. Das Verhältnis der Ankerströme beider Antriebe zueinander und damit das Verhältnis der Drahtförderkräfte zueinander kann mit Hilfe des Proportionalgliedes (34) entsprechend der gewünschten Kraftaufteilung eingestellt werden.

Diese Variante ist besonders vorteilhaft einsetzbar, wenn für Hilfs- und Hauptantrieb gleiche Motoren, gleiche Getriebe und gleiche Kraftübertragungselemente, z.B. jeweils die gleichen Zweirollenantriebe (8), eingesetzt werden. Dann nämlich kann die Kraftaufteilung im Verhältnis Eins/Eins erfolgen. Das Proportionalglied (34) wird auf den Verstärkungsfaktor Eins eingestellt. Durch die Gleichheit der Massenträgheitsmomente von Haupt- und Hilfsantrieb ist in diesem Falle bei gleichen Ankerströmen sowohl stationär als auch dynamisch beim Beschleunigen und Bremsen jederzeit sichergestellt, daß beide Antriebe genau die gleiche Förderkraft auf den Schweißdraht ausüben und daß die verfügbare Motorleistung optimal genutzt wird. Stößt außerdem der Schweißdraht im Brennerbereich auf ein Hindernis und zieht der Hauptantrieb aufgrund dessen mehr Strom, wird zugleich der Hilfsantrieb mitgezogen und steigert seine Schubkraft zur Unterstützung des Hauptantriebs.

Die Anwendung mehrerer Hilfsantriebe ist ebenfalls möglich, wobei der Strombegrenzungswert für alle Hilfsantriebe gemeinsam aus dem Strom-Sollwert für den Hauptantrieb abgeleitet wird, wie beschrieben.

Variationen der gezeigten Ausführungsbeispiele sind in verschiedener Hinsicht möglich. Zum einen kann in Abwandlung von Fig. 2 der Strombegrenzer (24) auch von unten wirken, wobei über das Proportionalglied (29) eine niedrigere Soll-Drehzahl n _{2 soll} als der abgegriffene Ist-Wert n _{2 ist} eingestellt wird. Dies entspricht der in Fig. 3 dargestellten Regelung, wobei allerdings die Schaltung zur Einstellung von i _{2 begr} gemäß Fig. 2 erhalten bleibt.

Umgekehrt kann auch die in Fig. 3 dargestellte Direktableitung von i _{2 begr} aus i _{1 soll} mit einer Strombegrenzung von oben und einem höher eingestellten Drehzahl-Sollwert analog Fig. 2 kombiniert werden. Hierbei empfiehlt es sich allerdings, beim Einfädeln des Schweißdrahtes Zusatzmaßnahmen zu treffen, da der Hauptantrieb (7) ohne Draht nur mit einem geringen Ankerstrom-Sollwert i _{1 soll} läuft und Gefahr besteht, daß der Hilfsantrieb (9) bei einem gewissen Drahtwiderstand stehen bleibt.

Als weitere Variation kann der Hauptantrieb (7) auch mit einer Drehzahlregelung ohne unterlagerter Stromregelung ausgestattet sein. Hierfür eignet sich eher das Ausführungsbeispiel der Fig. 2, in dem die dynamische Signalkomponente für den Strombegrenzer (24) aus dem Führungsintegrator (25) abgeleitet wird.

Die Antriebe (7, 9) können in einer Transportvorrichtung außer in Kombination auch einzeln eingesetzt werden. Desgleichen können auch die Regelcharakteristiken je nach Einsatzzweck anders verteilt sein, z.B. nur drehzahl- oder nur momentengesteuerte Antriebe oder Pull-Push-Antriebe. Durch andere Fördervorrichtungen lassen sich die Antriebe auch für den Transport anderer Güter als Schweißdraht oder sonstigen Draht verwenden.

Stückliste:

1 Industrieroboter
2 Schweißeinrichtung, Lichtbogen-Schutzgas-Schweißwerkzeug
3 Transportvorrichtung
4 Schweißdraht
5 Vorratsbehälter, Drahtrolle
6 Schweißdrahtführung
7 Hauptantrieb
8 Zweirollen-Drahtantrieb
9 Hilfsantrieb
10 Wirbelkopf
11 Motor, Hilfsantrieb
12 Schweißdüse
13 Roboterhand
14 Roboterschwinge
15 Motor, Hauptantrieb
16 Drehzahlmesser, Tachogenerator, Hauptantrieb
17 Drehzahlmesser, Tachogenerator, Hilfsantrieb
18 Leistungsverstärker, Hauptantrieb
19 Leistungsverstärker, Hilfsantrieb
20 Ankerstrom-Regler, PI-Regler, Hauptantrieb
21 Ankerstrom-Regler, PI-Regler, Hilfsantrieb
22 Drehzahlregler, PI-Regler, Hauptantrieb
23 Drehzahlregler, PI-Regler, Hilfsantrieb
24 Begrenzung, Strombegrenzer
25 Führungsintegrator, Sollwertintegrator
26 Komparator
27 Integrator
28 Proportionalglied, Proportionalverstärker
29 Proportionalglied, Proportionalverstärker
30 Sollwertsteller
31 Führungssystem
32 Regelungs- und Leistungsteil
33 Antriebe
34 Proportionalglied, Proportionalverstärker

Zeichenerklärung:

f₂ _soll Sollwert für die Drahtförderkraft des Hilfsantriebes
F₂ Drahtförderkraft des Hilfsantriebes
i₁ _soll Ankerstrom-Sollwert des Hauptantriebes
i₂ _soll Ankerstrom-Sollwert des Hilfsantriebes
i₂ _begr Begrenzungswert für den Ankerstrom des Hilfsantriebes
i₁ _ist Ankerstrom-Istwert des Hauptantriebes
i₂ _ist Ankerstrom-Istwert des Hilfsantriebes
J Trägheitsmoment der rotierenden Massen des Hilfsantriebes
m₂ _Bsoll Soll-Wert des Beschleunigungsmomentes für den Hilfsantrieb
n₁ _soll Drehzahl-Sollwert des Hauptantriebes
n₂ _soll Drehzahl-Sollwert des Hilfsantriebes
n₁ _ist Drehzahl-Istwert des Hauptantriebes
n₂ _ist Drehzahl-Istwert des Hilfsantriebes
N₁ Drehzahl des Hauptantriebes
N₂ Drehzahl des Hilfsantriebes
t Zeit
T _I Integrationszeitkonstante
u _R Ausgangssignal des Drehzahlreglers des Hilfsantriebes
V Drahtvorschubgeschwindigkeit
v _soll Soll-Wert für die Drahtvorschubgeschwindigkeit

Claims

1. Antrieb, insbesondere für den Schweißdrahtvorschub an Schweißeinrichtungen, mit einem geregelten Elektromotor, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor (11, 15) eine Ankerstromregelung für eine Momentensteuerung aufweist, wobei dem Ankerstromregler (20, 21) ein Drehzahlregler (22, 23) überlagert ist.

2. Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die Momentensteuerung der Drehzahlregler (23) mit einem Strombegrenzer (24) versehen ist, wobei die gewählte Soll-Drehzahl n _{2 soll} höher oder niedriger als die im Normalbetrieb erforderliche oder vorgegebene Soll-Drehzahl eingestellt ist und der Strombegrenzer (24) den Ankerstrom auf den Sollwert i _{2 soll} nach oben oder unten begrenzt.

3. Momentengesteuerter Antrieb, insbesondere nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem Motor (11) für die Beschleunigungs- und Bremsphasen ein dem Schwungmoment entsprechender zeitweise höherer bzw. niedrigerer Ankerstrom zugeführt wird.

4. Antrieb nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Strombegrenzer (24) einstellbar ist, wobei über Stellglieder der Ankerstrom zum Beschleunigen und Bremsen des Antriebs (9) erhöht bzw. verringert wird.

5. Antrieb nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein drehzahlgeregelter Hauptantrieb (7) und mindestens ein momentengeregelter Hilfsantrieb (9) vorgesehen sind, wobei die Soll-Drehzahl n _{2 soll} des Hilfsantriebs (9) von der Soll-Drehzahl n _{1 soll} des Hauptantriebs (7) über ein Proportionalglied (29) abgeleitet ist.

6. Antrieb nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein drehzahlgeregelter Hauptantrieb (7) und mindestens ein momentengeregelter Hilfsantrieb (9) vorgesehen sind, wobei das Steuersignal für den Strombegrenzer (24) im Hilfsantrieb (9) vom Regelkreis aus dem Hauptantrieb (7) abgeleitet ist.

7. Antrieb nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuersignal durch Addition einer konstanten, dem gewünschten Moment entsprechenden Signalkomponente und einer dynamischen, dem Massenträgheitsmoment entsprechenden Signalkomponente gewonnen wird, wobei ein Sollwertsteller (30) für die konstante Signalkomponente vorgesehen ist und die dynamische Signalkomponente aus einem Führungsintegrator (25) des Hauptantriebs (7) mit einem Proportionalglied (28) abgeleitet wird.

8. Antrieb nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuersignal für den Strombegrenzer (24) vom Ausgangssignal des Drehzahlreglers (22) im Hauptantrieb (7) für dessen Soll-Ankerstrom i _{1 soll} über ein Proportionalglied (34) abgeleitet wird.

9. Antrieb nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor (11, 15) als permanenterregter Gleichstrommotor ausgebildet ist.

10. Antrieb nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der Antrieb (7, 9) einen Drehzahlmesser (16, 17) aufweist.

11. Antrieb nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Regler (20, 21, 22, 23) als Proportional-Integral-Regler ausgebildet sind.