DE4110190A1 - Verfahren zur prozessorientierten vertikalen und horizontalen fuehrung von schweissbrennern beim lichtbogenschweissen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren für eine prozeßorientierte vertikale und horizontale Führung von Schweißbrennern beim Lichtbogenschweißen, bei dem der Brenner kontinuierlich oder auch diskontinuierlich quer zur Schweißrichtung ausgelenkt wird, und die daraus resultierenden Änderungen der elektrischen Prozeßparameter zur Führung des Brenners entlang der Schweißfuge genutzt werden. Die Erfindung ist vorzugsweise für das Verschweißen von Sumpf- (X-, Y, V-)Nähte und Kehlnähten unter Anwendung des MIG/MAG-Schweißverfahrens einschließlich der Impulslichtbogentechnik geeignet und schafft günstige Voraussetzungen für das vollautomatisierte Schweißen, speziell für den Einsatz von Industrieschweißrobotern.

Es ist bekannt, daß zur Führung eines Lichtbogenschweißbrenners entlang einer Nahtfuge die Änderung der elektrischen Parameter des Prozesses selbst in Abhängigkeit von der Auslenkung des Lichtbogens zu den Fugenflanken hin ausgenutzt wird. Die Auslenkung des Lichtbogens kann dabei nach DT 25 46 894 mechanisch, magnetisch oder durch ein Anblasen mit Gas erfolgen. Bei den bisher bekanntgewordenen Lösungsprinzipien (u. a. DE 25 33 448 und DE-OS 26 45 788) dominiert schließlich die kontinuierliche wie auch diskontinuierliche mechanische und magnetische Auslenkung.

Alle bekannten prozeßorientierten Verfahren unterliegen mehr oder weniger großen Einschränkungen hinsichtlich der verwendeten Schweißgerätetechnik oder der eingestellten Lichtbogenbereiche - Sprüh-, Übergangs- und Kurzlichtbogen -. In diesem Sinne existieren (W. Faber: Der Lichtbogen als Sensor: ZIS Mitteilungen, Halle (S) 27 (1985) 12, S. 1276- 1284 oder an die Impulslichtbogentechnik (DE-OS 3 01 04 222) gebunden sind. Die überwiegende Mehrheit bekanntgewordener Lösungen arbeitet sicher im Sprühlichtbogenbereich. Probleme gibt es im Übergangs- und besonders Kurzlichtbogenbereich durch die prozeß- und gerätetechnisch bedingten Schwankungen der elektrischen Parameter. In DE 25 60 157 wird der Lichtbogen in wählbaren Zeitabständen nur kurzzeitig zu den Fugenflanken hin ausgelenkt. Dabei werden die elektrischen Prozeßparameter jeweils im Zustand der Auslenkung gemessen. Die sich bei außermittiger Brennerstellung durch jeweils unterschiedliche Lichtbogenlängen ergebenden Differenzen von Strom und/oder Spannung für die Links- und Rechtsauslenkung werden zur Fugenführung ausgenutzt. Durch die kurze Zeit der Auslenkung und durch die wählbare Haltezeit des Brenners im Zentrum der Auslenkung zum Einschwingen eines stationären Arbeitspunktes, soll sich eine große Führungsgenauigkeit ohne abträgliche technologische Einflüsse auf die Schweißnaht einstellen. Bei Dünnblech-Schweißungen werden sich allerdings selbst bei kurzzeitiger Auslenkung des Lichtbogens zur linken und rechten Fugenflanke unterschiedliche Zustände des Lichtbogens einstellen (Kurzschluß- und Brennphase), die sich entsprechend in den Schweißparametern widerspiegeln und sich negativ auf die Prozeßrichtung auswirken. Die für ein sicheres Stellsignal notwendige Zeit für eine Mittelung der elektrischen Prozeßparameter steht im Widerspruch zur kurzzeitigen Auslenkung des Lichtbogens.

In DE-OS 26 31 250 wird ebenfalls ein Vergleich der Stromwerte in der Umgebung des linken und rechten Endes der Pendelbewegung durchgeführt. Vor der eigentlichen Auswertung der Daten wird ein Tiefpaßfilter angewendet, dessen Grenzfrequenz kleiner als die Frequenzen der Tropfenkurzschlüsse und der Unregelmäßigkeiten im Drahtvorschub ist. Als nachteilig erweist sich bei Lösungen dieser Art besonders in niederen Stromstärkebereichen die relative hohe Zeitkonstante des Tiefpasses. Die aus dieser Zeitkonstante resultierende Phasenverschiebung zwischen den elektrischen Prozeßparametern und der Amplitude der Pendelbewegung führt zu einer fehlerhaften und damit unsicheren Fugenführung. Selbst bei einer zeit- und geräteaufwendigen Berücksichtigung dieser Phasenverschiebung (DE-OS 34 46 960) sind der Pendelfrequenz in Abhängigkeit von der Pendelamplitude Grenzen gesetzt, welche die Fugensensierung in meßtechnischer und in schweißtechnischer Hinsicht in Frage stellen. Zusätzlich erschwerend wirken sich dabei noch die Eigenschaften der verwendeten Schweißgerätetechnik aus. Eine weitere Erfindung nach DE-OS 30 01 346 betrifft ein Verfahren, bei dem der Lichtbogen während seiner Bewegung entlang der Schweißnaht hin- und herbewegt wird, und die Dauerbewegung des Lichtbogens in Abhängigkeit des Schweißstromes gesteuert wird. Dazu wird die Änderung des Schweißstromes kontinuierlich erfaßt und die Richtung der quer zur Schweißnaht verlaufenden Bewegung des Lichtbogens umgedreht, nachdem sich der Trend der Änderung des Schweißstromes umgedreht hat. Als vorteilhaft erweist sich bei dieser angestrebten Lösung, daß die Pendelamplituden bei einer ausreichend großen Schweißstromänderung zur Fugenführung minimiert werden. Hierdurch werden die Anforderungen der Schweißtechnik an eine qualitativ hochwertige Naht bei einer möglichst hohen Schweißgeschwindigkeit und die Anforderungen der Meßtechnik an eine zur Fugenführung ausreichende Signalgewinnung optimal in Übereinstimmung gebracht. Dieses Verfahren setzt allerdings einen relativ gleichmäßigen und reproduzierbaren zeitlichen Verlauf des Schweißstromes voraus, was eine Beschränkung auf den Sprühlichtbogen bedeutet. Insgesamt bleiben die bisher bekanntgewordenen Verfahren zur prozeßorientierten horizontalen und vertikalen Fugensensierung immer auf bestimmte Aufgabenbereiche und Einsatzbedingungen beschränkt und sind damit nicht universell einsetzbar.

Es ist Ziel der Erfindung, durch ein Verfahren eine hohe Funktionssicherheit von Lichtbogensensoren zur Fugenführung eines Schweißbrenners bei einem breiten Anwendungsspektrum zu erreichen und einen universellen Einsatz zu gewährleisten.

Es ist Aufgabe der Erfindung, anhand der der elektrischen Prozeßparameter des Schweißprozesses eine in jedem Anwendungsfall sichere und von den Eigenschaften der Schweißgerätetechnik weitestgehend unabhängige Führung des Brenners bei minimalen Pendelamplituden entlang einer Schweißfuge zu schaffen, welche universell für alle technisch relevanten Lichtbogen- bzw. Stromstärkebereiche und für die Impulslichtbogentechnik anwendbar ist. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die Amplitude der Pendelung des Schweißbrenners - innerhalb eines bestimmten Zeitintervalls t₁ einer Pendelperiode T (mit t₁ kleiner T) - und die elektrischen Prozeßparameter kontinuierlich erfaßt werden. Das Zeitintervall t₁ zur Erfassung der elektrischen Prozeßparameter ist dabei mindestens so groß, daß eine vollständige Bewegung des Brenners zwischen den beiden Umkehrpunkten zur rechten und linken Fugenflanke gewährleistet ist. Durch die Methoden der linearen Regression werden die Amplituden der Pendelbewegung und die elektrischen Prozeßparameter für die Links- und für die Rechtsauslenkung in jeder Pendelperiode T in eine funktionale Abhängigkeit gebracht. Über einen Vergleich beider Regressionsfunktionen einer Pendelperiode werden die Korrektursignale für die Höhen- und die Seitenführung des Brenners gewährleistet. Um den zeitlichen Aufwand bei der Ausführung der Regressionsrechnung gering zu halten, wird die Dauer der Bewegungs- und Stillstandsphasen der Pendelbewegung in diskrete Zeitbereiche, welche diskrete Auslenkbereiche verkörpern, unterteilt und die elektrischen Prozeßparameter diesen Bereichen zeitlich zugeordnet. Vor der Zuordnung werden die elektrischen Prozeßparameter einer Filterung unterzogen, die unabhängig vom Stromstärkebereich nur die stationären Brennphasen bzw. die Grundstromphasen bei Impulsbetrieb zur Auswertung gelangen läßt. In die Regressionsrechnung gehen als Wertepaare die diskreten Zeitbereiche selbst und die Mittel- bzw. die Modalwerte der gefilterten Prozeßparameter dieser Zeitbereiche ein. Die Größe der Zeitbereiche für die Auslenkung kann unterschiedlich gewählt werden und ist, wie ebenfalls die Anzahl dieser Zeitbereiche, an die vorgegebene maximale Pendelamplitude und -frequenz unter Berücksichtigung der Filterkriterien optimal anpaßbar. Dadurch werden neben der Filterung in jedem Anwendungsfall ausreichend viele und sichere Stützstellen für die Regressionsrechnung garantiert. Einzige Bedingung für die Einstellung und Bezeichnung der Zeitbereiche der Auslenkung ist, daß sie identisch für die Links- und Rechtsauslenkung sind, um den o. g. Vergleich beider Regressionsfunktionen zu gewährleisen. Ein Plausibilitätstest der Stützstellen und eine Ausschließung des Zeitbereiches für die Auslenkung des Brenners, welche das Pendelzentrum repräsentiert, schaffen zusätzliche Garantien für die Erzeugung richtiger und der relativen Brennerstellung zur Fuge entsprechende Korrektursignale. Die Berechnung der Korrektursignale und die elektrisch- mechanische Umsetzung über entsprechende Stellglieder erfolgt zeitlich getrennt von der Meßwertgewinnung in einem weiteren Zeitintervall t₂ einer Pendelperiode T (mit t₂ kleiner T). Die Ansteuerung der Stellglieder für die Höhen- und die Seitenführung erfolgt gleichzeitig und unabhängig voneinander.

An einem Ausführungsbeispiel soll die Erfindung näher erläutert werden. Die dazugehörigen Zeichnungen zeigen

Fig. 1 Zeitablaufplan für die Bewegung des Brenners quer zur Schweißrichtung einschließlich der Zeitintervalle (t₁; t₂) für die Meßwerterfassung und Prozeßsteuerung,

Fig. 2 Schematische Darstellung der diskreten Auslenkbereiche mit den dazugehörigen Werten für den Schweißstrom und der daraus abgeleiteten Regressionsgeraden für die Links- und Rechtsauslenkung des Brenners innerhalb einer Auslenkperiode.

Von einer Meßeinrichtung, welche ein Mikrocomputer mit Analog-Digital-Umsetzer sein kann, werden die elektrischen Parameter des Schweißprozesses U_s und I_s jeweils kontinuierlich im Zeitintervall t₁ jeder Auslenkperiode mit einer Abtastrate von mindestens 1 kHz erfaßt. Durch ein digitales Datenfilter wird sichergestellt, daß nur in den stationären Brennphasen des Lichtbogens bzw. in den Grundstromphasen bei Impulsbetrieb die Werte für I_s und U_s zur Auswertung gelangen. Die Filterkriterien sind eine frei vorgebbare Mindestanzahl von Werten für die elektrischen Prozeßparameter einer Brennphase des Lichtbogens, welche einen ebenfalls frei vorgebbaren Anstieg pro Zeiteinheit in der Hierarchie der Abtastung nicht überschreiten darf. Gefiltert wird über eine Produktbildung aus I_s und U_s, um bei Anwendung einer mathematischen Verknüpfung von I_s und U_s als relevantes Signal zur Brennerführung und bei Vorhandensein einer Drossel im Schweißstromkreis, die Phasenverschiebung zwischen beiden Parametern zu berücksichtigen. Damit der Rechenaufwand zur Ermittlung des funktionalen Zusammenhanges zwischen der Amplitude der Auslenkung des Brenners und den elektrischen Prozeßparametern über die Methoden der einfachen linearen Regression in den Auslenkphasen T₁; T₃ mit

I_s = a_k + b_k′A

(k = 1 für T₁; k = 2 für T₃)

gering bleibt und eine Prozeßregelung in Richtung einer Echtzeitregelung gewährleistet ist, erfolgt eine Datenverdichtung. Dazu wird die Auslenkung des Brenners nach Fig. 1 über eine identische Klassierung der Zeitkonstanten der Pendelsteuerung T₁ und T₃ in 14 diskrete Auslenkbereiche (2×1 . . . 7) unterteilt, denen in diesem Fall die Werte für den Schweißstrom I_s zeitlich zugeordnet werden. Bei einer diskreten Auslenkung des Brenners stellt die Verweilzeit T₂ im Pendelzentrum jeder Pendelperiode eine gesonderte Klasse (0) dar. Als Stützstellen der einfachen linearen Regressionsrechnung jeweils für die Zeitintervalle T₁ und T₃ dienen die Mittel- oder Modalwerte für den Schweißstrom I_si in Abhängigkeit von den entsprechenden Auslenkbereichen A_i (Fig. 2). Die Anzahl und die Genauigkeit der Stützstellen für die einfache lineare Regressionsrechnung ist im wesentlichen bestimmt durch die Anzahl und Breite der diskreten Auslenkbereiche. Die Klassierung dieser Auslenkbereiche über die Zeit ist variabel gestaltet und gestattet deshalb eine optimale Anpassung an die jeweils vorgegebenen Pendelparameter in Abhängigkeit der Abtastfrequenz des AD-Wandlers und der Filterkriterien. Damit ist in jedem Anwendungsfall über alle technisch relevanten Stromstärkebereiche bei einer weitestgehenden Schweißgeräteunabhängigkeit die Gewähr für ausreichend viele und sichere Stützstellen zur Ermittlung des Änderungstrends des Schweißstromes über eine lineare Gleichung in jede Auslenkrichtung gegeben. Um darüber hinaus eine höhere Auflösung des eigentlichen Meßeffektes an den Fugenflanken zu erreichen und gleichzeitig eine entsprechende Wichtung in der Regressionsrechnung über die Stützstellen zu erhalten, ist die Breite der äußeren Klassen (3, 4, 5, 6 und 7) geringer als die der inneren Klassen (1 und 2). Bei einer z. B. nicht optimal auf die maximale Pendelamplitude- und -frequenz abgestimmte Einteilung der Auslenkbereiche nach Anzahl und Breite, kann es besonders beim Verschweißen von dünnen Blechen mit einer geringen Pendelamplitude und hoher Frequenz in den Außenklassen dazu kommen, daß in Abhängigkeit der Abtastfrequenz und der Filterkriterien keine Wertzuweisung erfolgt. Die Mittel- bzw. Modalwerte dieser Klassen würden dann zu einer Verzerrung der Regressionsgeraden führen und ein falsches Korrektursignal wäre die Folge. Vor der eigentlichen Regressionsrechnung erfolgt deshalb ein Plausibilitätstest, der derartige Werte als Stützstellen ausschließt. Eine weitere Erhöhung der Empfindlichkeit des Auswerteverfahrens wird erreicht, indem die Mittel- oder Modalwerte für das Zeitintervall T₂ nicht in die Regressionsrechnung eingehen. Die Berechnung der beiden Ausgleichsgeraden für die vorliegenden Wertepaare der Phasen T₁ und T₃ jeder Pendelperiode erfolgt nach der Methode der kleinsten Quadrate nach C. F. Gauss zu Beginn des Zeitintervalls t₂. Die dafür notwendige Summenbildung

(m=7, n=0,1 jeweils für k=1,2)

als auch die zur Ermittlung der Werte für I_si notwendigen Rechenoperationen erfolgen bereits in der Phase der Meßwertaufnahme t₁. Die weiterhin für die Regression erforderlichen Summen der Auslenkbereiche A_i mit

(m = 7, n = 0, 1)

stellen Konstanten dar und sind durch die Einteilung der Zeitbereiche für die Auslenkung vorgegeben.

Über die genannten Summen erfolgt die Ermittlung der Koeffizienten a_k, b_k der Ausgleichsgeraden für die Wertepaare I_sik; A_i jeweils in den Auslenkbereichen 1 bis 7 für die Phasen T₁ (k=1) und T₃ (k=2) einer Pendelperiode.

b_k = (S₁_k - (S₀_k · K₁/m)/(K₂ - K₁²/m)

a_k = (S₀_k - b_k · K₁)/m

(k = 1, 2, m = 7)

Die Ableitung der Korrektursignale für die Seitenführung des Brenners erfolgt über die Differenz D_v der Anstiege a_k für k=1, 2 oder der Differenz aus den Funktionswerten der ermittelten Regressionsfunktionen der Außenklassen für k=1, 2 mit

D_v = (a₁ - a₂) bzw.

D_v = (a₁ - a₂) + (b₁ - b₂) · A_i

für i = 7

Ist die Differenz D_v ungleich Null, wird je nach Vorzeichen dieser Differenz die Zeitkonstante der Pendelsteuerung T₇ in der Phase der Pendelperiode t₂ mit einer Zeitkonstanten T_k beaufschlagt oder um diese erniedrigt. Dies führt zu einer Verlagerung des Pendelzentrums, ohne dabei eine weitere Achse zur Ansteuerung durch das Stellsignal zu nutzen. Die Zeitkonstante T_k ist vorgebbar und macht einen Bruchteil der Zeitkonstante der Pendelsteuerung T₇ aus. Durch einen Vergleich des jeweils aktuellen Wertes für D_v mit Werten aus vorangegangenen Pendelperioden wird die Zeitkonstante T_k der horizontalen Abweichung der Naht vom vorgeschriebenen bzw. vorprogrammierten Verlauf über eine entsprechende Korrektur optimal, zeitlich gleitend angepaßt.

Die vertikale Brennerführung erfolgt anhand eines Vergleichs des Mittelwertes der Funktionswerte für die inneren oder äußeren Auslenkbereiche beider innerhalb einer Pendelperiode ermittelten Regressionsgeraden der Links- und Rechtsauslenkung mit einem Soll-Wert. Dieser Soll-Wert wird bei Beginn der Schweißung ermittelt, vorausgesetzt der Brenner wird richtig zur Schweißnahtvorbereitung justiert.

Bei einer diskreten Auslenkung des Brenners ist darüber hinaus eine vertikale Brennerkorrektur durch einen Vergleich des Mittel- oder Modalwertes des Schweißstromes der Sonderklasse (O), welche das Pendelzentrum repräsentiert, mit einem Soll-Wert möglich, welcher in Analogie zur beschriebenen Verfahrensweise ermittelt wurde.

Die Ausführung der Stellsignale für die vertikale Korrektur erfolgt im Anschluß an die Berechnung und den Vergleich der Regressionskoeffizienten für die Links-Rechts-Auslenkung innerhalb einer Pendelperiode in der Auslenkphase t₂ unabhängig von der Ausführung des Stellsignals für die horizontale Korrektur. Als Maß für die Größe des vertikalen Stellsignals dient die Größe der Abweichung vom Soll-Wert.

Claims (15)

1. Verfahren zur prozeßorientierten vertikalen und horizontalen Führung von Schweißbrennern beim Lichtbogenschweißen entlang einer Schweißfuge, bei dem der Brenner während seiner Bewegung entlang der Schweißnaht quer zu dieser kontinuierlich oder diskret ausgelenkt wird und die elektrischen Prozeßparameter des Lichtbogens zur vertikalen und horizontalen Fugenführung genutzt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplituden der Auslenkung quer zur Schweißrichtung und - innerhalb eines bestimmten Zeitintervalls (t₁) einer Pendelperiode (T), wobei t₁ kleiner als die Pendelperiode (T) ist - die zur Führung des Brenners kontinuierlich erfaßt und durch eine lineare Regression für jede Auslenkrichtung des Brenners quer zur Schweißnaht, Seiten- und Höhenversatz ermittelt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Regressionsrechnung eine Datenverdichtung erfolgt, indem die Amplituden der Auslenkung des Brenners quer zur Schweißrichtung in diskrete Zeitbereiche klassiert und die Prozeßparameter des Schweißprozesses diesen Bereichen zeitlich zugeordnet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Klasseneinteilung für die Links- und Rechtsauslenkung identisch und variabel hinsichtlich der Breite und der Anzahl ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Klassenbreite bis zum Erreichen des Höchstwertes der Amplitude der Auslenkung des Brenners abnimmt und bei diskontinuierlicher Auslenkung des Brenners quer zur Schweißrichtung die Verweilzeit des Brenners im Auslenkzentrum einen diskreten Auslenkbereich darstellt.

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Modal- oder Mittelwerte des zur Brennerführung relevanten Schweißparameters in Abhängigkeit von den diskreten Amplitudenbereichen für die Auslenkung des Brenners als Stützstellen für die lineare Regression dienen.

6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Modal- oder Mittelwert der Klasse, welche das Pendelzentrum verkörpert und die Modal- oder Mittelwerte der Klassen mit einem Wert Null nicht in die Regressionsrechnung eingehen.

7. Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schweißprozeßdaten unabhängig vom Stromstärkebereich und unabhängig von der Abtastfrequenz gefiltert werden und die Filterparameter variierbar sind.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Prozeßparameter in den stationären Brennphasen des Lichtbogens zur Brennerführung herangezogen werden.

9. Verfahren nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die horizontale Korrektur des Brenners relativ zur Fuge durch einen Vergleich der Funktionswerte der ermittelten Regressionsfunktionen für die Links- und Rechtsauslenkung einer Auslenkperiode erfolgt.

10. Verfahren nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die horizontale Korrektur des Brenners relativ zur Fuge durch einen Vergleich der Regressionskoeffizienten der ermittelten Regressionsfunktionen für die Links- und die Rechtsauslenkung einer Auslenkperiode erfolgt.

11. Verfahren nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die vertikale Korrektur des Schweißbrenners relativ zur Fuge bei diskreter Auslenkung des Brenners quer zur Schweißrichtung durch jeweils einen Vergleich des Modal- bzw. Mittelwertes der Klasse, welche das Auslenkzentrum repräsentiert, mit einem Soll-Wert erfolgt.

12. Verfahren nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die vertikale Korrektur des Schweißbrenners relativ zur Fuge bei kontinuierlicher Auslenkung des Brenners quer zur Schweißrichtung durch einen Vergleich des Mittelwertes der Funktionswerte für die Außen- oder Innenklassen der ermittelten Regressionsfunktionen für die Links- und Rechtsauslenkung einer Auslenkperiode mit einem vorgegebenen Soll-Wert erfolgt.

13. Verfahren nach Anspruch 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßwertaufnahme und die Ermittlung der Korrektursignale zeitlich getrennt von der vertikalen und horizontalen Brennerkorrektur in gesonderten Zeitintervallen einer Auslenkperiode erfolgen.

14. Verfahren nach Anspruch 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die vertikale und horizontale Korrektur des Brenners relativ zur Fuge gleichzeitig und unabhängig voneinander innerhalb einer Auslenkperiode erfolgt.

15. Verfahren nach Anspruch 1 bis 7, 9, 10, 13 und 14, dadurch gekennzeichnet, daß die horizontale Korrektur der Brennerstellung über die Zeitkonstanten der Pendelsteuerung realisiert wird.