DE3827509C2 - Antrieb insbesondere für den Schweißdrahtvorschub an Schweißeinrichtungen - Google Patents
Antrieb insbesondere für den Schweißdrahtvorschub an SchweißeinrichtungenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen Antrieb, insbesondere für den
Schweißdrahtvorschub an Schweißeinrichtungen.
Aus der DE 29 16 615 A1 ist ein leistungsgesteuerter
Antrieb bekannt, der als drehzahlgeführter Antrieb mit
Momentenbegrenzung ausgebildet ist. Bei
Drehzahlschwankungen wird das Drehmoment nachgeführt, um
eine konstante Leistung zu erzielen. Ein Strombegrenzer
dient als Überlastschutz, um bei einem Abfall der Drehzahl
das Moment nicht gegen unendlich gehen zu lassen. Der
Strombegrenzer hat nur eine Schutzfunktion, aber keine
Regelfunktion für die Momentensteuerung.
Die DE 25 01 786 A1 zeigt einen drehzahlgeregelten Motor
mit einem schaltbaren Strombegrenzer. Der Strombegrenzer
dient ebenfalls als Überlastsicherung. Er ist schaltbar, um
dem Motor in der Anlaufphase einen zum Losbrechen des
Motors oder zum schnellen beschleunigen einer großen Masse
erforderlichen höheren Anfahrstrom zuzuführen. Für den
späteren Dauerbetrieb soll der Strom dann wieder reduziert
werden.
Aus der Literaturstelle H. Bauer, F. Plankl:
"Gleichlaufquerschneider mit digitaler Formatregelung" in
Siemens-Zeitschrift 46 (1972), Heft 5, Seiten 339 bis 344
ist ein Gleichlaufquerschneider mit digitaler
Formatregelung für Papier- oder Kartonbahnen bekannt
geworden. Anstelle eines bisher üblichen Formatgetriebes
wird ein elektrischer Einzelantrieb für den Querschneider
mit einer digitalen Formatregelung eingesetzt. Jeder
Einzelantrieb hat eine analoge Drehzahlregelung mit einem
Strombegrenzer, der wiederum die Aufgabe hat, die
Tyristorspeisequellen bzw. die Antriebsmotoren vor
unzulässigen Überlastungen zu schützen.
Auch die DE 23 37 722 B2 zeigt einen drehzahlgeregelten
Antrieb mit einem unterlagerten Stromregelkreis, wobei das
Drehmoment fortlaufend an der Abtriebswelle gemessen wird.
Weitere Antriebe sind aus der DE 29 38 345 A1 und der
US 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 voreingestellte feste Stromänderungen 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.
Die Erfindung löst dieses Problem mit den Merkmalen der
nebengeordneten Ansprüche 1 und 2.
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 ist als momentengesteuerter
Antrieb ausgelegt. 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 Solldrehzahl 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 es vorgesehen, dem momentengesteuerten 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 Möglichkeit 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 Solldrehzahl des momentengesteuerten Hilfsantriebes
von der Solldrehzahl 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
einem Antrieb (9) und einem diesem zugeordneten
Leitantrieb (7) (im weiteren mit Hilfsantrieb (9) und
Hauptantrieb (7) bezeichnet),
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 Elektromotor (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 momentengesteuert. Der
Ankerstrom des Elektromotors (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 F2 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 Elektromotor
(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 N1 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 N2 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 Elektromotors (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 einen Drehzahlbegrenzer (24) zur Begrenzung des
vom Drehzahlregler (23) erzeugten Ankerstrom-Sollwertes
i2 soll auf einen extern steuerbaren Wert. Es handelt sich
um eine an sich bekannte Strombegrenzungsschaltung, die so
wirkt, daß das Ausgangssignal uR des Drehzahlreglers (23)
als Ankerstrom-Sollwert i2 soll zum unterlagerten
Ankerstromregler (21) durchgeschaltet ist, sofern das
Ausgangssignal unterhalb des extern vorgegebenen
Stromgrenzwertes bei i2 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 eine Soll
drehzahl n2 soll zugeführt, die im Normalbetrieb
stets größer als die vom Drehzahlmesser (17) abgegriffene
Istdrehzahl n2 ist ist. Aufgrund der Schlupffreiheit bestimmt
der Hauptantrieb (7) im Normalbetrieb die Istdrehzahl des
Hilfsantriebes (9). Nachdem die eingestellte Solldrehzahl
n2 soll größer ist, als die Istdrehzahl n2 ist, wird der
Drehzahlregler (23) im Normalbetrieb ständig übersteuert,
wodurch der Ankerstrom-Sollwert i2 soll durch den
Strombegrenzer (24) konstant gehalten wird.
Die Solldrehzahl n2 soll kann extern vorgegeben sein.
Im gezeigten Ausführungsbeispiel wird er vom Regelkreis des
Hauptantriebes im Führungssystem (31) abgeleitet. Dieses
enthält einen Drehzahlsollwertintegrator (25), bestehend aus einem
Komparator (26) und einem Integrator (27). Der Drehzahlsollwert
integrator (25) formt den eingestellten Sollwert
für die Drahtgeschwindigkeit vsoll in die Solldrehzahl
n1 soll für den Hauptantrieb (7) um. Anstieg und Abfall der
Sollwertdrehzahl n1 soll erfolgen mit einer durch die
Integrationszeitkonstante TI begrenzten Steilheit. Der
Drehzahl-Sollwert für den Hilfsantrieb (9) wird ebenfalls
aus dem Drehzahlsollwertintegrator (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 Elektromotor (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 Stromgrenzwert i2 begr für den
Ankerstrom des Hilfantriebes (9) durch Addition zweier
Komponenten f2 soll und m2 Bsoll erzeugt. Die erste
Komponente f2 soll stellt den Soll-Wert für den
Ankerstromanteil dar, welcher die gewünschte Förderkraft F2
des Hilfsantriebes (9) erzeugt. Diese Komponente kann
beispielsweise mit Hilfe eines Sollwertstellers (30) fest
eingestellt werden.
Die zweite Komponente m2 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 Drehzahlsollwertintegrator (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 Sollwert für die Drahtvorschubgeschwindigkeit vsoll 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 vsoll 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
der Solldrehzahl n1 soll einen positiven und während
der linearen Absenkung der Solldrehzahl n1 soll einen
negativen konstanten Wert auf. Bei gleichbleibender
Solldrehzahl n1 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
TI 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
Sollwertes für die Drahtvorschubgeschwindigkeit vsoll, wie er z.B. für das
Schweißen einer kurzen Naht von einem Schweißroboter (1)
vorgegeben werden könnte.
In Diagramm b) ist das Ausgangssignal des
Drehzahlsollwertintegrators (25) dargestellt, welches gleich der
Solldrehzahl n1 soll für den Hauptantrieb ist. Die
Solldrehzahl n2 soll für den Hilfsantrieb, welcher über
ein Proportionalglied (29) aus dem Ausgangssignal des
Drehzahlsollwertintegrators gebildet wird, ist um den Faktor 1,1
. . . 1,2 größer als die Solldrehzahl n1 soll, wobei
vereinfachend vorausgesetzt wird, daß die
Übersetzungsverhältnisse beider Antriebe gleich groß sind.
Beide Drehzahl-Sollwerte weisen einen trapezförmigen
Drehzahlsollwertintegrators.
Die Bildung des Stromgrenzwertes i2 begr für den
Hilfsantrieb zeigt Diagramm c). Er setzt sich zusammen aus
einem konstanten Anteil f2 soll, welcher der gewünschten
Drahtförderkraft des Hilfsantriebes entspricht und z. B.
mittels Sollwertsteller (30) eingestellt werden kann und
einem dynamischen Anteil m2 Bsoll, welcher dem
Beschleunigungsmoment zur Überwindung der
Massenträgheitsmomente während der rampenförmigen
Beschleunigungs- und Bremsphasen entspricht.
Diagramm d) zeigt schließlich, wie der Ankerstrom-Sollwert
i2 soll mit Hilfe des Strombegrenzers (24) durch
Ablösung des Drehzahlreglerausgangssignales uR vom
Stromgrenzwert i2 begr geführt wird. Zunächst,
solange die Solldrehzahl n2 soll noch gleich Null ist,
ist auch das Drehzahlreglerausgangssignal uR gleich Null
und gelangt somit, von dem darüberliegenden Stromgrenzwert
i2 begr unbeeinflußt, als Ankerstrom-Sollwert i2 soll zum
unterlagerten Ankerstromregler (21). Sobald aber der
Drehzahl-Sollwert ansteigt, baut sich am Eingang des
Drehzahlreglers (23) des Hilfsantriebes eine immer größer
werdende Differenz zwischen Solldrehzahl n2 soll und
Istdrehzahl n2 ist auf. Entsprechend der Charakteristik des
Drehzahlreglers (23) als Proportional-Integral-Regler
(PI-Regler) steigt dessen Ausgangsspannung uR nahezu
sprungförmig auf einen Maximalwert an, der etwa der
positiven Versorgungsspannung des Regelverstärkers
entspricht und übersteigt somit den Stromgrenzwert i2 begr.
Dadurch wird die Reglerausgangsspannung uR in der
Strombegrenzer (24) vom Stromgrenzwert i2 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 Stromgrenzwert i2 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 seiner Solldrehzahl n2 soll. Die
Drahtvorschubgeschwindigkeit liegt somit während des
Einfädelns entsprechend diesem Soll-Wert um 10 . . . 20%
höher als der Sollwert für die Drahtvorschubgeschwindigkeit vsoll 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
Stromgrenzwertes i2 begr aus dem Ankerstrom-Sollwert
i1 soll für den Hauptantrieb.
Gegenüber der ersten Möglichkeit gemäß Fig. 2 entfällt die
Bildung des Begrenzungswertes aus einer
schubkraftproportionalen und einer
beschleunigungsmomentproportionalen Komponente. Der
Stromgrenzwert i2 begr wird über ein Proportionalglied
(34) vom Ausgangssignal des Drehzahlreglers (22)
abgeleitet, welches zugleich den Strom-Sollwert für den
Hauptantrieb darstellt. Der Strombegrenzer (24) ist
so ausgeführt, daß das Ausgangssignal uR 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 die Sollwertdrehzahl n2 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 Solldrehzahl n2 soll als die abgegriffene
Istdrehzahl n2 ist eingestellt wird. Dies entspricht der in
Fig. 3 dargestellten Regelung, wobei allerdings die
Schaltung zur Einstellung von i2 begr gemäß Fig. 2 erhalten
bleibt.
Umgekehrt kann auch die in Fig. 3 dargestellte
Direktableitung von i2 begr aus i1 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 i1 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
Drehzahlsollwertintegrator (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.
Claims (9)
1. Antrieb, insbesondere für den Schweißdrahtvorschub an
Schweißeinrichtungen, mit einem Elektromotor (11), der
eine Ankerstromregelung aufweist, wobei dem
Ankerstromregler (21) ein Drehzahlregler (23)
überlagert ist, dem für die Steuerung des Drehmoments
über den Ankerstrom ein Strombegrenzer (24) mit extern
steuerbarem Stromgrenzwert i2 begr. nachgeschaltet ist,
wobei die vorgegebene Solldrehzahl n2 soll für den
Drehzahlregler (23) des Elektromotors (11) höher als
die dem Elektromotor (11) von außen durch einen
Leitantrieb (7) aufgezwungene Istdrehzahl n2 ist ist,
so daß der Drehzahlregler (23) bewußt übersteuert wird
und der Strombegrenzer (24) den Ankerstrom-Sollwert
i2 soll auf den vorgegebenen Stromgrenzwert i2 begr.
nach oben begrenzt.
2. Antrieb, insbesondere für den Schweißdrahtvorschub an
Schweißeinrichtungen, mit einem Elektromotor (11), der
eine Ankerstromregelung aufweist, wobei dem
Ankerstromregleer (21) ein Drehzahlregler (23)
überlagert ist, dem für die Steuerung des Drehmoments
über den Ankerstrom ein Strombegrenzer (24) mit extern
steuerbarem Stromgrenzwert i2 begr. nachgeschaltet ist,
wobei die vorgegebene Solldrehzahl n2 soll für den
Drehzahlregler (23) des Elektromotors (11) niedriger
als die dem Elektromotor (11) von außen durch einen
Leitantrieb (7) aufgezwungene Istdrehzahl n2 ist ist,
so daß der Drehzahlregler (23) bewußt übersteuert wird
und der Strombegrenzer (4) den Ankerstrom-Sollwert
i2 soll auf den vorgegebenen Stromgrenzwert i2 begr.
nach unten begrenzt.
3. Antrieb nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der
Stromgrenzwert i2 begr. des Strombegrenzers (24) zum
Beschleunigen und Bremsen des Antriebs (9) erhöhbar
oder verringerbar ist.
4. Antrieb nach Anspruch 1 oder 2, wobei die
Solldrehzahl n2 soll des Antriebs (9) von der
Solldrehzahl n1 soll des Leitantriebs (7) über ein
Proportionalglied (29) abgeleitet ist.
5. Antrieb nach Anspruch 1 oder 2, wobei ein Steuersignal
für den extern steuerbaren Stromgrenzwert i2 begr. des
Strombegrenzers (24) des Antriebs (9) vom Sollwert
Vsoll für die Drahtgeschwindigkeit des Leitantriebs
(7) abgeleitet ist.
6. Antrieb nach Anspruch 5, bei dem das Steuersignal für
den extern steuerbaren Stromgrenzwert i2 begr. des
Strombegrenzers (24) durch Addition einer konstanten,
dem gewünschten Drehmoment entsprechenden
Signalkomponente und einer dynamischen, dem
Massenträgheitsmoment entsprechenden Signalkomponente
gewonnen wird, wobei ein Sollwertsteller (30) für die
konstante, dem Drehmoment entsprechende
Signalkomponente vorgesehen ist und die dynamische
Signalkomponente aus einem Drehzahlsollwertintegrator
(25) des Leitantriebs (7) über ein Proportionalglied
(28) abgeleitet wird.
7. Antrieb nach Anspruch 5, bei dem das Steuersignal für
den Strombegrenzer (24) vom Ausgangssignal des
Drehzahlreglers (22) im Hauptantrieb (7) für dessen
Ankerstromsollwert i1 soll über ein Proportionalglied (34)
abgeleitet wird.
8. Antrieb nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis
7, bei dem die Elektromotoren (11, 15) jeweils als
permanenterregter Gleichstrommotor ausgebildet ist.
9. Antrieb nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis
8, bei dem die Drehzahlregler (22, 23) und die
Ankerstromregler (20, 21) als
Proportional-Integral-Regler ausgebildet sind.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE3827509A DE3827509C2 (de) | 1988-08-12 | 1988-08-12 | Antrieb insbesondere für den Schweißdrahtvorschub an Schweißeinrichtungen |
Applications Claiming Priority (1)
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DE3827509A DE3827509C2 (de) | 1988-08-12 | 1988-08-12 | Antrieb insbesondere für den Schweißdrahtvorschub an Schweißeinrichtungen |
Publications (2)
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DE3827509A1 DE3827509A1 (de) | 1990-02-15 |
DE3827509C2 true DE3827509C2 (de) | 1994-03-24 |
Family
ID=6360784
Family Applications (1)
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DE3827509A Expired - Lifetime DE3827509C2 (de) | 1988-08-12 | 1988-08-12 | Antrieb insbesondere für den Schweißdrahtvorschub an Schweißeinrichtungen |
Country Status (1)
Country | Link |
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DE (1) | DE3827509C2 (de) |
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