DE4026493C2 - Elektronische Schweissenergiequelle - Google Patents

Description

Gegenstand vorliegender Erfindung ist eine elektronische Schweißenergiequelle mit durch Leitspannungen fernein­ stellbaren Hilfsparametern, zur Vermeidung von elektro­ magnetischen Störeinkopplungen bei langen Leitungen und zur meßbaren und damit reproduzierbaren Einstellung an einer oder mehreren gleichartigen Quellen.

Als Hilfsparameter sind zu nennen die Zeitkonstante eines Dynamik-Moduls, die U-I-Kennlinien-Neigung eines Statik- Moduls, die Gasnachströmzeit und die Freibrennzeit.

Die vorliegende Erfindung löst also das technische Problem der Schaffung einer meßbaren, reproduzierbaren und linearen Ferneinstellung aller relevanten Hilfsparameter an elektronischen Schweißenergiequellen.

Zum Stand der Technik ist die DE-PS 32 00 086 zu nennen. In dieser Literaturstelle wird die Verwendung eines an sich bekannten kontinuierlich verstellbaren RC-Glieds, das hier als Dynamik-Modul bezeichnet wird, beschrieben. Die Einstellung der Zeitkonstante und damit des dynamischen Verhaltens wird durch einen Potentiometer vorgenommen.

Dieses Zeitglied ist in einem schnellen Spannungsregelkreis eingefügt. Solange die Zuleitungen zum Potentiometer sehr kurz sind, entstehen keine Probleme. Bei langen Zuleitungen, von einem entfernten Einstellort, treten elektromagnetische und kapazitive Störeinkopplungen auf, besonders bei getakte­ ten Schweißenergiequellen. Weitere Probleme ergeben sich, wenn man einen optimal gefundenen Einstellwert an anderen gleichartigen Schweißgeneratoren reproduzierbar übertragen will; dann spielen alle Toleranzen wie Potentiometergesamt­ wert, Linearität, Drehwinkel etc. eine die Reproduzierbar­ keit behindernde Rolle. Oft sollen solche Hilfsparameterein­ stellungen durch die Leitspannungen (meist 0 V . . . +10 V) eines externen Prozeßrechners erfolgen (Robotereinsatz). Dies ist mit der Konfiguration des genannten Standes der Technik nicht möglich. Dieser Stand der Technik ist in Fig. 1 dargestellt.

In der DE-PS 32 00 086 wird ferner die Verwendung eines an sich bekannten Proportionalregelverstärkers, der hier als Statik-Modul bezeichnet wird, zur Einstellung der statischen U-I-Kennliniencharakteristik (Kennlinienneigung) beschrieben. Die Einstellung der statischen Kennlinien­ neigung wird dabei durch die Verstellung eines Potentio­ meters erreicht. Hierbei wird die Proportionalverstärkung im Verhältnis 1 : 20 verändert. Damit läßt sich zum Beispiel die U-I-Kennlinienneigung einer Schweißenergie­ quelle von -0,5 V/100 A bis -10 V/100 A kontinuierlich verändern. Wie schon oben beschrieben, ergeben sich die gleichen Probleme, wenn das Potentiometer P an einem entfernten Stellort angeordnet ist. Eine leitspannungs­ gesteuerte Ferneinstellung ist ebenfalls so nicht möglich. Dieser Stand der Technik ist in Fig. 2 dargestellt.

Zum Stand der Technik bezüglich der potentiometrischen Einstellung der Freibrennzeit oder Gasnachströmzeit ist zu sagen, daß es hier zahlreiche Varianten zur potentio­ metrischen Einstellung gibt. In Fig. 3 ist eine dieser Varianten des Standes der Technik dargestellt.

Im Hinblick auf die Fig. 3 ist folgendes festzuhalten:

Mit Takt "Schweißbeginn" schaltet Analogschalter S ein. Der Kondensator C wird schnell aufgeladen und Komparator DVP kippt in die positive Sättigung. Der Komparatoraus­ gang kann über geeignete Schaltstufen beispielsweise ein Gasmagnetventil einschalten. Mit Takt "Schweißende" schaltet Analogschalter S wieder aus. Der Kondensator C entlädt sich nun über R1 und Potentiometer P. Sobald die durch R2 und R3 bestimmte Schwellspannung unterschritten wird, schaltet der Komparator wieder in die negative Sättigung und das Gasventil sperrt. Diese erzielte Zeitverzögerung kann auch für die Freibrennzeit oder andere Zeiten mit entsprechender Dimensionierung verwendet werden. Eine potentiometrische Ferneinstellung über längere Strecken wäre auch hier möglich, weil der Kondensator C und R1 als Tiefpaß wirken.

Eine reproduzierbare und meßbare Ferneinstellung ist auch mit dieser Schaltkreisanordnung nicht möglich und ein potentiometrischer Servoregelkreis wäre zu teuer und platzraubend.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung also die Aufgabe zugrunde, eine meßbare, reproduzierbare und lineare Ferneinstellung aller relevanten Hilfsparameter an elektronischen Schweißenergiequellen, unter Vermeidung der genannten Nachteile des Standes der Technik, zu schaffen.

Im folgenden wird nun die erfindungsgemäße Ferneinstellung der Zeitkonstante bzw. des dynamischen Verhaltens eines Dynamik-Moduls durch eine Leitspannung beschrieben:
Die Erfindung löst die vorgenannten Probleme in einfacher Weise. Die Entfernung zum Einstellort spielt keine Rolle und die Störeinkopplung auf die Stelleitungen hat keinen Einfluß.

Die Ferneinstellung eines Potentiometers ist in Form einer aufwendigen und teuren Lösung (<DM 100,00) an sich bekannt.

Hierbei wird ein Servoregelkreis mit Tandempotentiometer verwendet. Das eine Potentiometer wird für die Rückführ­ größe verwendet und das andere für die zu verstellende Größe (hier die Zeitkonstante). Benötigt wird ein Miniatur­ getriebemotor, ein Regelverstärker und ein Tandempotentio­ meter mit sehr guten Gleichlaufeigenschaften.

Die Stellgeschwindigkeit ist gering, aber in den meisten Fällen ausreichend. Der bei einer solchen Anordnung erforderliche Platzbedarf ist erheblich größer als bei der erfindungsgemäßen Lösung, die nur wenige cm² beansprucht.

Fig. 4 zeigt das Blockdiagramm der erfindungsgemäßen Lösung.

Der Pulsweitenmodulator PWM arbeitet mit einer konstanten Frequenz, z. B. < 20 kHz.

Bei einem Tastverhältnis von 100% (t_v=1) ist der elek­ tronische Analogschalter S immer eingeschaltet. Der wirk­ same Gesamtwiderstand ist dann R_g=R1 (z. B. 2 K-Ohm). Bei einem Tastverhältnis von 0% (t_v=0) ist Schalter S immer ausgeschaltet. Der wirksame Gesamtwiderstand R_g ist dann R_g = Unendlich bzw. R_g=R2 (z. B. 100 K-Ohm), wenn dieser eingefügt ist.

Wie man leicht sieht - wird,
R_g=2 R1 bei t_v=0,5,
R_g=4 R1 bei t_v=0,25,
R_g=8 R1 bei t_v=0,125,
R_g=16 R1 bei t_v=0,0625,
usw.

allgemein gilt:

Das vom Pulsweitenmodulator erzeugte Tastverhältnis ist der PWM-Eingangsspannung direkt proportional.

Damit ist

und folgt damit einer Hyperbelfunktion. Setzt man nun in der Linearisierungsstufe L einen Dividierbaustein ein, dann wird

Wie man sieht, ist der wirksame Widerstand R_g der Leit­ spannung direkt proportional.

Es ergeben sich die folgenden klaren Vorteile:

• - die Leitspannung läßt sich leicht durch ein Tiefpaß­ filter absieben (Störunterdrückung);
• - damit ist eine beliebige Stellentfernung möglich.
• - Die Einstellung ist durch Messung der Leitspannung (DVM) exakt möglich und damit an gleichen Maschinentypen exakt reproduzierbar und dokumentierbar.
• - Der Platzbedarf ist gering, wenig Aufwand.
• - Die Kosten sind niedrig.
• - Es gibt keine Verschleißteile (Wartung).
• - Eine Reproduzierbarkeit bis zu 0,1% Genauigkeit ist möglich.
• - Durch Wahl der Konstante K kann der Variationsbereich beeinflußt werden, z. B. 1 : 100.
• - Da Dividierbausteine noch relativ teuer sind (mehr als DM 15,00), wurde nach einer low-cost-Lösung gesucht, mit Gesamtkosten unter DM 5,00.
  Fig. 5 zeigt diese Schaltkreisarchitektur.

Das Dynamikmodul wird hier gebildet aus Analogschalter S, Widerstände R1 und R2 und Kondensator C. Alle übrigen Bau­ elemente bilden einen leitspannungsgesteuerten Pulsweiten­ modulator. Ein noch relativ teuerer Dividierbaustein wird nicht benötigt. Die Hyperbelfunktion wird durch eine ab­ klingende e-Funktion approximiert. Dadurch erreicht man keine exakte Linearität über den gesamten Stellbereich. Man kann von Quasi-Linearität sprechen. Auf jeden Fall ist eine für die Praxis ausreichende Reproduzierbarkeit gegeben.

Funktion der Schaltkreisanordnung

Wenn die Spannung an C1 die durch R5 und R6 gebildete Schwellspannung am Operationsverstärker OPV1 unterschrei­ tet, geht der Ausgang von OPV1 in die positive Sättigung. Dieser Zustand wird kurzzeitig durch die Mitkopplung über C2 aufrechterhalten und zwar mindestens solange, bis über Schalter S′ der Kondensator C1 voll aufgeladen ist. OPV1 kippt wieder in die negative Sättigung und Schalter S′ unterbricht den Ladevorgang. Über R3 entlädt sich nun C1 nach einer e-Funktion bis zur schon erwähnten Schwell­ spannung. Diese liegt bei ca. 10 V×e^-5 (67 mV). OPV1 kippt wieder in die positive Sättigung. Dieser Vorgang wiederholt sich periodisch. Ist die Spannung an C1 größer als die Leitspannung, dann schaltet Schalter S ein. Ist die Spannung an C1 kleiner als die Leitspannung, dann schaltet Schalter S aus. Auf diese Art wird das leit­ spannungsabhängige Tastverhältnis gebildet. Die Perioden­ dauer der PWM-Frequenz sollte mindestens 10- bis 20mal größer gewählt werden, als die kleinste einzustellende Zeitkonstante R1×C. Das Tiefpaßfilter R4 und C3 dient zur Störspannungsunterdrückung der Leitspannung.

Im folgenden wird die erfindungsgemäße Lösung der Ferneinstellung der statischen U-I-Kennlinien-Charakteris­ tik eines Statik-Moduls durch eine Leitspannung beschrieben:

Die Erfindung löst die oben genannten Probleme in einfacher Weise. Die Entfernung zum Einstellort spielt keine Rolle und die Störeinkopplung auf die Stelleitungen hat keinen Einfluß.

Die Ferneinstellung eines Potentiometers ist in Form einer aufwendigen und teuren Lösung (< DM 100,00) an sich bekannt. Hierbei wird ein Servoregelkreis mit Tandempotentiometer verwendet. Das eine Potentiometer wird für die Rückführgröße verwendet und das andere für die zu verstellende Größe (hier die Zeitkonstante). Benötigt wird ein Miniatur­ getriebemotor, ein Regelverstärker und ein Tandempoten­ tiometer mit sehr guten Gleichlaufeigenschaften. Die Stellgeschwindigkeit ist gering, aber in den meisten Fällen ausreichend. Der bei einer solchen Anordnung erforderliche Platzbedarf ist erheblich größer als bei der erfindungsgemäßen Lösung, die nur wenige cm² beansprucht.

Fig. 6 zeigt das Blockdiagramm der erfindungsgemäßen Lösung.

In den Gegenkopplungszweig wird ein schneller Multi­ pliziererbaustein eingefügt.

Dieser Multiplizierer hat folgende Systemeigenschaften:

Bei einer Leitspannung von 10 V ist U_out=Y, d. h. die Ausgangsspannung wird voll auf R3 gegengekoppelt und die Proportionalverstärkung ist klein. Dies ergibt eine große Kennlinienneigung, z. B. -10 V/100 A bei entsprechender Dimensionierung von R3.

Bei einer Leitspannung von z. B. 0,5 V ist

U_out = 0,05×Y,

d. h. die Ausgangsspannung wird nur mit 1/20 auf R3 gegen­ gekoppelt. Die Proportionalverstärkung ist dann 20mal höher. Dies ergibt eine 20mal geringere Kennlinienneigung von -0,5 V/100 A.

Wie man leicht sieht, ist die Kennlinienneigung eine lineare Funktion der Leitspannung.

R4 und C wirken als Tiefpaßfilter zur Störspannungsunter­ drückung der Leitspannung.

Es ergeben sich die folgenden klaren Vorteile:

• - Die Einstellung ist durch Messung der Leitspannung exakt möglich und damit an gleichen Maschinentypen exakt reproduzierbar und dokumentierbar,
• - beliebige Stellenentfernungen,
• - geringer Platzbedarf und Aufwand,
• - niedrige Kosten,
• - keine Verschleißteile (in Bezug auf Servosteller),
• - Reproduzierbarkeit bis 0,1% möglich.

Bezüglich der erfindungsgemäßen Lehre der linearen, meßbaren und reproduzierbaren Ferneinstellung der Hilfs­ parameter Freibrennzeit und Gasnachströmzeit wird im Zusammenhang mit der Fig. 7 folgendes aus­ geführt:

Fig. 7 zeigt den erfindungsgemäßen Schaltkreis. Die Funktionzweise wird für die Dimensionierung "Freibrennzeit" beschrieben. Sie gilt sinngemäß ebenso für die Gas­ nachströmzeit oder andere linear zu verstellende Zeiten. Beispielsweise soll durch einen Leitspannungsbereich von 1 V bis 10 V die Freibrennzeit von 20 ms bis 200 ms linear verändert werden. TS1, R3 und R4 bilden einen Konstant­ stromgenerator.

Der Konstantstrom ergibt sich zu

Solange Analogschalter S ausgeschaltet ist, beträgt das Potential an C2 ca. -0,6 V und der Ausgang des Komparators OPV2 befindet sich in der negativen Sättigung (Auszustand). Mit Takt "Schweißen" schließt Schalter S und C2 wird schnell auf die Leitspannung U_Leit aufgeladen. Komparator OPV2 kippt in die positive Sättigung (Einzustand). Mit Takt "Schweißen Ende" öffnet Schalter S und Konden­ sator C2 wird mit dem Konstantstrom I_K linear entladen.

Mit I×t=C×U ergibt sich:

da C und I_K konstant sind, ist

t=U_Leit×K

Die Verzögerungszeit ist also der Leitspannung direkt proportional. C2 sei 1 Mikrofarad.

Für den Beispielsfall t_FB2=200 ms bei U_Leit=10 V wird

R4 wird dann (15-0,6)/I_K = 14,4/50×10^-6=288 K-Ohm.

Durch Abgleich von R4 kann bei Toleranzen von C2 die Zeit exakt abgeglichen werden.

OPV1 und Schalter S können auch durch einen sogenannten Sample und Hold-Baustein ersetzt werden. Der Konstant­ stromgenerator kann auch andersartig gestaltet sein.

Es ergeben sich die folgenden klaren Vorteile:

• - Die Einstellung ist durch Messung der Leitspannung exakt möglich und damit an gleichen Maschinentypen reproduzierbar und dokumentierbar,
• - beliebige Stellenentfernungen durch Tiefpaßfilter,
• - geringer Platzbedarf,
• - niedrige Kosten,
• - keine Verschleißteile (in Bezug auf Servosteller),
• - Reproduzierbarkeit bis 0,1% möglich.

Claims (4)

1. Elektronische Schweißenergiequelle, mit einstellbaren Hilfsparametern, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfsparameter durch Leitspannungen ferneinstellbar gemacht sind.

2. Elektronische Schweißenergiequelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitkonstante und damit das dynamische Verhalten eines Dynamik-Moduls durch Leitspannungen ferneinstell­ bar gemacht sind.

3. Elektronische Schweißenergiequelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die statischen U-I-Kennlinien-Charakteristik eines Statik-Moduls durch Leitspannungen ferneinstellbar gemacht ist.

4. Elektronische Schweißenergiequelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Freibrennzeit und/oder die Gasnachströmzeit durch Leitspannungen ferneinstellbar gemacht sind.