DE4029117A1 - Vorrichtung zum elektrischen schweissen mit digitaler regelung und einstellung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung hat eine Vorrichtung zur elektrischen Schweißung mit digitaler Regelung und Einstellung zum Gegenstand.

Für die Regelung und die Einstellung des Schweißstroms werden derzeit in Maschinen zur elektrischen Schweißung konventioneller Kontroll- und Regeltechniken " im sogenannten Nachverfahren" oder, wie den Technikern der Branche bekannt, "feedback" angewendet, und weitere gängige Regler mit proportionaler oder integraler Vorgehensweise verwendet, welche von Eckwerten ausgehen, welche in bezug auf die Besonderheiten des geregelten Systems angepaßt werden können.

Die Anforderung auf welche sich das Projekt einer Regelung im "Rückgriff" beziehen, welche in allen analogen Regelungssystemen die einzige Vorgehensweise darstellen, betreffen die Genauigkeit, die Stabilität und die Geschwindigkeit der Reaktion.

Die Daten, welche die Genauigkeit betreffen, sind die Fehler, welche in Antwort auf die typischen Eingabesignale erfolgen und die Reaktion bei Anwesenheit gewisser Störungen oder gewisser Änderungen der Parameter.

Die Daten, welche die Stabilität betreffen, welche im Sinne eines "zufriedenstellenden dynamischen Verhaltens" zu sehen sind, sind die maximalen Übersteuerungen als Antwort auf die Stufe, der Resonanzspitzer, die Bandbreite und die Phase, sowie der Dämpfungskoeffizient.

Die Daten, welche die Antwortgeschwindigkeit betreffen, sind die Verzögerungszeit, die Eingabezeit, die Assestierungszeit und die Bandbreite.

Der erste Parameter, welcher bei der Planung erstellt wird, ist die Gewinnregelkonstante, welche, einmal bestimmt, sich dann analysiert, wenn das Rückkontrollsystem die Besonderheiten befriedigt, welche Stabilität und Geschwindigkeit der Reaktion betreffen.

Wenn, was häufig geschieht, diese Vorgaben nicht befriedigt werden, müssen Korrekturnetze verwendet werden, die Eigenschaften des Systems in der Rückregulierung verändern. All diese Regelungssysteme sind, so zu sagen, unflexibel, im Sinne daß sie nur für ein sehr begrenztes Feld von Stromwerten verwendbar sind, im besonderen Falle den Schweißstrom, im Sinne daß sie es nicht erreichen, vollständig sämtliche Erfordernisse der Arbeit zu befriedigen und in der Praxis stets auf der Grundlage von technischen Kompromissen arbeiten. In diesen Fällen ist es erforderlich, um diese Kompromisse zu erreichen, sich entsprechender Korrekturnetze zu bedienen, um ein System zu erhalten, welches die erforderlichen Eingaben befriedigen kann. Sehr oft kann es jedoch geschehen, daß die Daten, welche die Genauigkeit angeben, einen so hohen Wert der Gewinnregelkonstante aufzwingen, daß es mit keinem Korrekturnetz gelingt, ein dynamisch zufriedenstellendes Verhalten zu erreichen.

Wenn man ein Beispiel geben will, wenn man während eines Kurzschlusses von der Arbeitsspannung plötzlich auf null geht, und für eine gewisse Zeit der Kurzschluß bleibt, eine Zeit die vorher nicht voraussehbar ist, da sie von der Speisung mit Arbeitsstrom abhängt, und dann plötzlich der Kurzschluß behoben wird, könnte für den Fall, daß man ein System hat, welches nur die Proportionale verwendet, ein konstanter Fehler auftreten, da dieses System in der Tat nur funktioniert, wenn ein gewisser Fehler existiert. Natürlich können all diese Fehler wiederum verschieden sein jeder für eine einzelne zu kontrollierende Situation, also müßte man um die Fehler auszugleichen, welche immer verschieden sein können, jeweils einen integrierten Schaltkreis hinzufügen, was schließlich die Vorrichtung zum "Setpoint" bringt. Die Einführung des integrierten Teiles dagegen führt zu einer noch schlechteren Situation, nachdem beispielsweise gegenüber einer stufenmäßigen Änderung, wie sie im Übergang von einem Kurzschluß zu einem Betriebswert vorliegen kann, um den Integrator zu laden, das System welches den Strom abschaltet gegenüber einem Kurzschluß reagiert bevor es einen ausreichend schweren Fehler hergestellt hat, um diesen zu dem normalen Betriebsstrom zurückzuführen, dies kann auch im umgekehrten Sinne geschehen, dann wird die Folge lediglich andersherum sein. Man erhält daher zwei in dieser Art übermäßige Veränderungen, insbesondere bei Elektrodenschweißung ist diese Tatsache unakzeptabel.

Auch in diesem Falle könnte man zusätzliche integrierte Schaltkreise ausschließen, dann bleiben jedoch hohe Schwankungen der Stromwerte nach oben und nach unten in bezug auf den gewünschten korrekten Stromwert.

Aus der vorherigen Beschreibung ergibt sich daher, daß es die proportionale Regelung mit sich bringt, daß ein Fehler vorliegt, auch wenn ich Regelungsverstärkungen mit hohen Gewinnen verwenden kann, welche dazu tendieren, den Fehlerwert zu reduzieren, ihn jedoch nicht ausschließen können.

Um diese Probleme zumindest teilweise zu überbrücken, wird das Signal auch so integriert, daß parallel zum Verstärker ein Kondensator geschaltet wird, welcher sich im Laufe der Zeit auflädt und praktisch den Fehler speichert; dies zeigt jedoch den Nachteil, daß man in der Leistung der Transistoren Verluste hat, da man um diese zurückzugewinnen, man den Kondensator bis zu einem gewissen Wert wieder aufladen muß und dann damit beginnen muß, die Korrektur vorzunehmen und ihn auf den gewünschten Wert zu bringen, mit der Folge, daß jedes Mal wenn ich einen schnellen Sprung der Werte habe, dieser zu "Löchern" in der Antwort des Systems führt.

Der analoge Regler, den man fast immer benutzt, ist daher, wie bereits angedeutet, ein Kompromiß zwischen diesen beiden Konditionen, d. h. man schaltet einen kleinen Kondensator, aber wirklich das notwendige Minimum, weil man so eine einigermaßen akzeptabel wenn auch nicht perfekte Antwort erhalten kann in den Transistoren und eine auch nur einigermaßen zufriedenstellende Antwort bei Betrieb.

Um die Betriebsfehler zu reduzieren, unabhängig von der Anwesenheit der Rückwirkung, kann man die sogenannte "Ausgleichung in direkter Aktion" verwenden, diese Ausgleichungen erlauben jedoch lediglich eine Reduzierung der Fehler.

Der Zweck der vorliegenden Erfindung ist der eine Vorrichtung für elektrische Schweißungen herzustellen und dabei eine digitale Kontrolle der Regelung des elektrischen Systems herzustellen in Funktion eines mathematischen Modells, welcher die Gleichungen, welche das elektrische System regeln, verwenden, mit dem Zweck, in Echtzeit und kontinuierlich eine Regelung des Schweißstroms zu erreichen, welche sich den verschiedenen Erfordernissen der Ladung anpaßt.

Die Erfindung, wie sie durch die Patentansprüche charakterisiert ist, löst das Problem mit einer Vorrichtung für elektrisches Schweißen, welche besteht aus einem Gleichrichter, einem Umkehrer, und aus einem Transformator, mit denen Schweißutensilien verbunden werden können, und welche eine elektronische Datenverarbeitungsvorrichtung vorsieht, in welcher Algorithmen gespeichert sind, welche auf der Grundlage der tatsächlichen Gleichungen (oder Modell des Schaltkreises) definiert sind, welche das eletronische System regeln und denen den Messungen der augenblicklichen Spannungswerte der Gruppe Umkehrer-Transformator zugrundeliegen, der Spannung bei den Schweißutensilien und des Stroms der Vorrichtung. Die Datenverarbeitungsvorrichtung ist im Ausgang mit dem Umkehrer so verbunden, daß sie ihn regelt und Algorithmen hervorbringt, welche in der Lage sind, zumindest eine Vorausregelung (forward) herbeizuführen, wodurch von vornherein Störungseinflüsse am elektrischen System ausgeglichen werden können und wodurch die Antwort des elektrischen Systems auf die Änderung der Eingangsspannung oder der Ladungsspannung im voraus gegeben werden kann, so daß am Ausgang des Umkehrers das bestmögliche Signal erhalten werden kann, wodurch augenblicklich der Wert des Ausgangsstroms jedem Zustand, unter Belastung oder auf Dauer der Schweißvorrichtung angepaßt werden kann.

Einer der Vorteile der vorliegenden Erfindung besteht im wesentlichen in ihrer Flexibilität mit einer schnellen Anpassung an die verschiedenen Leistungserfordernisse. Es ist in der Tat nur mit der Benutzung eines Systems wie den vorliegenden möglich, optimal die sogenannte "Vorausaktion" als Regelungstechnik zu verwenden, dies bedeutet, wenn man weiß, wie sich das System (Leitung) verhält, kann man voraussehen, wie dieses sich verhalten wird, wenn ein bestimmter Umstand eintritt, mit der Folge, daß man ohne abwarten zu müssen, daß ein Fehler in bezug auf die vorgegebenen Werte oder Leistungen eintritt, im gleichen Augenblick in welchen beispielsweise die Spannung in einen Kurzschluß übergeht, durch die Gleichung des Systems, welche in der elektronischen Datenverarbeitungsvorrichtung angegeben sind, man voraussehen kann, welches die Antwort (auf dem Fehler) sein muß, welche der Regler geben soll, was sofort geschehen kann.

Auf diese Art und Weise erhält man beispielsweise wenn ein Stufenimpuls vorliegt, die Antwort des Systems praktisch ohne irgendeinen Fehler, anstatt sich an die reale und erforderliche voraussichtliche Antwort annähern zu müssen, bevor man den Fehler korrigiert.

In der Praxis führt die Messung der beiden Spannungswerte insbesondere dazu, daß geschätzt werden kann, was geschieht und daher die Vorwärtsaktion stattfinden kann. Außerdem stellt sich die Flexibilität des Systems auch in der Anpassungsfähigkeit an jeder Art von Leistungsspeisung für die Schweißutensilien dar, gleichgültig beispielsweise ob diese mit einem "Inverter" oder mit einem anderen System wie etwa einem "Chopper" ausgestattet sind, da der elektronische Datenverarbeiter sich immer auf physisch mathematische Grundlagen orientiert, aus welchen die tatsächlichen Daten sich ergeben.

Die Erfindung ist weiter im Detail beschrieben mit der Hilfe von Zeichnungen, welche eine rein beispielhafte und nicht etwa begrenzende Realisierungsform darstellen.

Die Fig. 1 illustriert ein Blocksystem der Vorrichtung entsprechend der vorliegenden Erfindung für die elektrische Schweißung mit Speisung der Schweißutensilien durch Gleichstrom.

Die Fig. 2 illustriert das Blockschema der Vorrichtung wie bei Fig. 1 mit Speisung der Schweißuntensilien durch Wechselstrom.

Die sich aus der Erfindung ergebende Vorrichtung für die elektrische Schweißung läßt sich an ein mit "1" bezeichnetes elektrisches System zusammenfassen, welches im wesentlichen, unter Bezugnahme auf die Zeichnungen, ausgehend von einer Netzspeisung welche mit "20" bezeichnet ist, aus einem Gleichrichter (2), einem Umkehrer (3) und einem Transformator (4) besteht, mit welchen Schweißutensilien (5) verbunden werden können. Der Umkehrer (3) und der Transformator (4) bilden die Speisungsgruppe (10) der Schweißutensilien (5), denen ein Filter (11) vorgeschaltet werden kann.

Zu der beschriebenen Vorrichtung gehört eine elektronische Datenverarbeitungsvorrichtung (6) zur Regelung der Stromspeisung der Schweißuntensilien (5).

In der elektronischen Datenverarbeitungsvorrichtung (6) sind Algorithmen gespeichert, welche auf der Grundlage der tatsächlichen Gleichungen (oder Modelle des Schaltkreises) definiert sind und welche das elektrische System (1) selbst regeln.

Der elektronische Schaltkreis der Datenverarbeitungsvorrichtung (6) kann im wesentlichen in mindestens 3 Blöcke (61, 62, 63) aufgeteilt werden, welche in der Lage sind, jeweils eine genau bestimmte Aufgabe zu erfüllen.

Der erste Block, bezeichnet mit "61", ist in der Lage eine Vorausregelung (den Technikern der Branche mit der Bezeichnung "forward" geläufig) durchzuführen, er ist im Eingang mit Vorrichtungen zur augenblicklichen Messung der Spannung (7) Vi der Speisungsgruppe (10) und an Meßvorrichtungen des augenblicklichen Spannungswertes (8) Vu der unter Belastung stehenden Schweißutensilien (5) angeschlossen.

Der zweite Block, angegeben mit "62", ist in der Lage eine rückwirkende Regelung (auch "feedback" genannt) durchzuführen, er ist im Eingang mit Meßvorrichtungen des augenblicklichen Arbeitsstromwertes (9) Iu des elektrischen Systems (1) verbunden.

Der dritte und letzte Block, angegeben mit "63", erhält im Eingang die von den vorherigen Blocks 61 und 62 im Ausgang ermittelten Signale und ist im Ausgang mit dem Umkehrer (3) verbunden.

Der Block 63 ist mit dem Umkehrer 3 in der Form verbunden, daß er ihn regelt, indem er Algorithmen ermittelt, welche in der Lage sind, wenigstens "Vorausregelungen" zu erbringen um dadurch im voraus Störungsaktionen am elektrischen System auszugleichen und die Antwort des elektrischen Systems auf Änderungen der Eingangsspannung Vi und der Spannung auf die Ladung Vu im voraus vorzunehmen, und dadurch jede Art von Fehler auszuschließen, so daß am Ausgang des Umkehrers (3) das bestmögliche Signal erreicht werden kann, so daß augenblicklich der Ausgangsstromwert Iu jeder Art von Benutzung, gleich ob auf Dauer oder augenblicklich, der Ladung oder des Schweißvorgangs angepaßt werden kann.

Wie es aus der Betrachtung der Skizzen hervorgeht, kann die gegenständliche Vorrichtung sowohl für die Speisung von Schweißungsutensilien (5) sowohl mit Wechselstrom als auch mit Gleichstrom verwendet werden. Im zweiten Falle, siehe Fig. 1, wird sich, hinter dem Transformator 4, auch eine Gleichrichtergruppe (12) befinden, ohne irgendwie das obenbeschriebene sonst zu verändern.

Außerdem kann man darüber hinaus feststellen, daß die augenblicklichen Spannungswerte Vi sowohl unverzüglich vor dem Umkehrer (3) (siehe Fig. 1) gemessen werden können wie auch auf der ersten Spule des Transformators 4 sowie auf der zweiten Spule des Transformators 4 (siehe Fig. 2), da entsprechend den bekannten Gesetzen der Elektrotechnik Spannung, wenn man die Parameter eines Transformators kennt, auf die erste Spule zurückgebracht werden kann und, auf der anderen Seite, wenn man die Parameter des Umkehrers 3 kennt, vor dem Umkehrer 3 zurückgebracht werden kann, ohne irgendeine Veränderung des gemessenen Spannungswerts zu erhalten.

In einem System dieser Art ist es daher möglich, eine digitale Kontrollmethode zu realisieren, welche schneller und effektiver dazu in der Lage ist, den Schweißstrom zu regeln und zwar in jedem Ladungszustand oder Schweißvorgang. Tatsächlich kann es verwendet werden um Generatoren zu regeln welche anwendbar sind im Gebiet des Widerstandsschweißens, beispielsweise Punktschweißgeräte, Rollenschweißgeräte, Mikropunktschweißgeräte usw., wie auch um Generatoren für Bogenschweißen, MMA, TIG, MIG, MAG, Plasma sowie für Schweiß- wie auch Schneidevorgänge zu regeln.

Die so gelagerte Erfindung kann zahlreiche Änderungen und Variationen enthalten, welche sich alle innerhalb des Erfindungskonzepts bewegen. Außerdem können sämtliche Einzelteile durch technisch entsprechende Elemente ausgetauscht werden.

Claims (3)

1. Vorrichtung zum elektrischen Schweißen mit digitaler Regelung und Einstellung bestehend aus einem elektrischen System (1) zu welchem ein Gleichrichter (2) gehört, welcher im Eingang an das Netz (20) angeschlossen ist und im Ausgang an einen Umkehrer (3), dieser wiederum im Ausgang an einen Transformator (4), wobei dieser Umkehrer (3) und Transformator (4) eine Einspeisungsgruppe (10) für Schweißutensilien (5) darstellen, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine elektronische Datenverarbeitungsvorrichtung (6) zur Regelung und Kontrolle des die Schweißutensilien (5) speisenden Stroms enthält, in welchem Algorithmen gespeichert sind, welche auf der Grundlage der tatsächlichen Gleichungen (oder Modelle des Schaltkreises) definiert sind, welche das elektrische System selbst regeln; die genannte Datenverarbeitungsvorrichtung ist am Eingang mit Meßvorrichtungen (7) für den augenblicklichen Spannungswert (Vi) der Einspeisungsgruppe (10) verbunden, an Vorrichtungen (8) zur Messung des augenblicklichen Spannungswertes (Vu) an den Schweißutensilien (5), welche unter Belastung stehen und an Vorrichtung (9) zur augenblicklichen Messung des Arbeitsstroms (Iu) des elektrischen Systems und am Ausgang an den Umkehrer (3) in der Art und Weise, daß dieser geregelt werden kann, indem Algorithmen hervorgebracht werden, welche in der Lage sind, wenigstens eine "Vorausregelung" ("forward") durchzuführen, und im voraus die Störungen des elektrischen Systems auszugleichen sowie die Antwort des elektrischen Systems auf Eingangsstrom (Vi) und Arbeitsstrom (Vu) vorwegzunehmen, und dabei jede Form von Fehler auszuschließen, mit der Folge, daß am Ausgang des Umkehrers (3) das bestmögliche Signal hervorgebracht wird, um augenblicklich den Ausgangsstromwert (Iu) jeder Art von Belastung, sei es in der Arbeit oder auf Zeit, der Aufladung oder des Schweißvorgangs anzupassen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die obengenannte elektronische Datenverarbeitungsvorrichtung (6) aus einem ersten Block (61) besteht, welcher in der Lage ist, eine Vorausregelung ("forward") durchzuführen und im Eingang an den Ausgang der Meßvorrichtungen (7, 8) der Spannung (Vi, Vu) aus einem zweiten Block (62), welcher in der Lage ist, eine Regelung im sogenannten Nachverfahren ("feedback") durchzuführen und in Eingang an den Ausgang der Meßvorrichtungen (9) des Stroms (I) verbunden ist und eines Blocks (63) welcher in der Lage ist, eine Gewichtung der erhaltenen Eingabesignale vom ersten und zweiten Block (61, 62) vorzunehmen und im Ausgang an den obengenannten Umkehrer (3) angeschlossen ist.

3. Vorrichtung zum elektrischen Schweißen mit digitaler Regelung und Einstellung bestehend aus einem elektrischen System (1) zu welchem ein Gleichrichter (2) gehört, welcher im Eingang an das Netz (20) angeschlossen ist und im Ausgang an einen Umkehrer (3), dieser wiederum im Ausgang an einen Transformator (4), wobei dieser Umkehrer (3) und Transformator (4) eine Einspeisungsgruppe (10) für Schweißutensilien (5) darstellen, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine elektronische Datenverarbeitungsvorrichtung (6) zur Regelung und Kontrolle des die Schweißutensilien (5) speisenden Stroms enthält, in welchem Algorithmen gespeichert sind, welche auf der Grundlage der tatsächlichen Gleichungen (oder Modelle des Schaltkreises) definiert sind, welche das elektrische System selbst regeln; die obengenannte Datenverarbeitungs­ vorrichtung (6) besteht aus mindestens 3 Blöcken (61, 62, 63) von denen einer in der Lage ist, eine Vorausregelung ("forward") durchzuführen und am Eingang an Meßvorrichtungen (7) des augenblicklichen Spannungswertes (Vi) der Speisungsgruppe (10) verbunden ist, an Vorrichtung (8) zur augenblicklichen Messung der Spannung (Vu) der Schweißungsutensilien (5) unter Belastung, ein zweiter (62) in der Lage ist, eine Regelung im sogenannten Nachverfahren ("feedback") durchzuführen und am Eingang an Meßvorrichtungen (9) des augenblicklichen Werts des Arbeitsstroms (I) des elektrischen Systems verbunden ist und ein Dritter (63) im Eingang die gewichteten Signale im Ausgang der vorherigen ersten und zweiten Blöcke (61, 62) erhält und im Ausgang an den Umkehrer (3) angeschlossen ist in der Art und Weise, daß er dadurch geregelt werden kann, daß Algorithmen hergestellt werden, welche in der Lage sind, wenigstens eine "Vorausregelung" ("forward") durchzuführen und im voraus die Störungen des elektrischen Systems auszugleichen, sowie die Antwort des elektrischen Systems auf Eingangsstrom (Vi) und Arbeitsstrom (Vu) vorwegzunehmen, und damit jede Form von Fehlern auszuschließen, mit der Folge, daß am Ausgang des Umkehrers (3) das bestmögliche Signal hervorgebracht wird, um augenblicklich den Ausgangsstromwert (Iu) jede Art von Belastung, sei es in der Arbeit oder auf Zeit, der Aufladung oder des Schweißvorgangs anzupassen.