DE4119492A1 - Verfahren und vorrichtung zum automatischen einschalten einer plasmabogenabhaengigen hoehenregelung fuer einen plasmaschneidbrenner - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum automatischen Einschalten einer plasmabogenabhängigen Höhenregelung für einen Plasmaschneidbrenner, wobei zunächst der Plasmaschneidbrenner in einem vorgegebenen Abstand über dem zu schneidenden Werkstück positioniert, dann der Plasmaschneidbogen gezündet und nach dem Zünden der Plasmaschneidbrenner über das Werkstück bewegt wird.

Mit diesem Oberbegriff wird auf einen Stand der Technik Bezug genommen, wie er beispielsweise aus der DE-OS 26 59 188 bekanntgeworden ist. Bei dem bekannten Ver­ fahren wird nach dem Zünden des Plasmaschneidbrenners und der sich anschließenden Bewegung des Plasmaschneid­ brenners über ein Zeitglied ein digitales Entsperr­ signal zurückgehalten, um zu verhindern, daß vor dem Erreichen einer konstanten Lichtbogenspannung eine Höhenregelung aktiviert wird.

In der Praxis hat sich nun gezeigt, daß bei den be­ kannten, unterschiedlichen Plasmaschneidbrennern, wie Plasmabrenner mit Spitzenelektrode oder Flächenelek­ trode, Unterwasserplasmaschneidbrenner, Plasmabrenner mit Wassereinschnürung und den verschiedenen Schneid­ prozessen (Material, Schneidverfahren) jeweils ver­ schiedene Rückhaltezeiten, in der Praxis auch Warte­ zeiten genannt, eingestellt werden müssen. Diese Warte­ zeiten werden bisher manuell aufgrund von empirisch ermittelten Werten eingestellt bzw. vom Bedienungsmann aus Sicherheitsgründen die längstmögliche einstellbare Wartezeit (bis 10 sec) eingestellt. Bei beiden Ein­ stellungsvarianten ist die manuelle Einstellung zeit­ raubend und damit ungünstig. Hinzu kommt bei der zweiten Variante (lange Wartezeit), daß die Schnittzeit un­ nötig verlängert wird, da während der Wartezeit kein Qualitätsschnitt durchgeführt werden kann und deshalb während der Wartezeit nur sogenannte Anschnittfahnen geschnitten werden können. Eine zu lange und vom Prozeß an sich nicht erforderliche Wartezeit führt dann bei jedem Anschnitt zu einer an sich zu langen Anschnitt­ fahnenzeit. Insbesondere bei kleinen Bauteilen, die aus einer Platte herausgeschnitten werden sollen und bei denen somit eine Vielzahl von Anschnittfahnen ge­ schnitten werden müssen, ist dies besonders ungünstig.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren und eine Vorrichtung hierfür zu schaffen, die eine dem jeweiligen Plasmaschneidbrenner bzw. dem Schneidprozeß (Material, Schneidverfahren) angepaßte Wartezeitermittlung mit entsprechender Aktivierung einer Höhenregelung ermöglichen.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Verfahren gemäß den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 vorgeschlagen.

Weitere vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens sind in den Ansprüchen 2 bis 5 angegeben.

Erfindungsgemäß wird nunmehr durch die Erfassung der Plasmaschneidbogenspannung bereits ab Beginn der Be­ wegung des Plasmaschneidbrenners bis zum Erreichen eines nahezu thermischen und/oder elektrischen Gleich­ gewichts, vorzugsweise einer konstanten bzw. nahezu konstanten/stabilisierten Bogenspannung, also während der Einschwingphase die für den jeweiligen Plasma­ brenner/Schneidprozeß erforderliche Wartezeit er­ mittelt und in Abhängigkeit davon die Höhenregelung eingeschaltet. Damit wird die Wartezeit jeweils auto­ matisch ermittelt und eine manuelle Einstellung ent­ fällt, was wiederum zu einer einfacheren Bedienung und einem einfacheren Aufbau der gesamten Schneidan­ lage führt.

Weiterhin ist von Vorteil, daß unnötige Wartezeiten, die aufgrund der eingangs genannten "Sicherheits­ einstellung" entstanden sind, nicht mehr auftreten und damit an den Schneidprozeß/Plasmabrenner optimal ange­ paßte Anschnittfahnen möglich werden, wodurch die Fehl­ schnittzeit bei den Anschnittfahnen vermieden werden und damit die Schnittleistung erhöht ist.

Besonders einfach wird die Wartezeit ermittelt, wenn der Gradient der Lichtbogenspannung überwacht wird, getriggert durch den Start der Plasmaschneidbrenner/ Schneidmaschinenbewegung, wobei nach Unterschreitung einer Grenze der Zeitpunkt ermittelt wird, ab dem die Bogenspannung und damit der Schneidprozeß so stabil ist, daß die Höhenregelung aktiviert werden kann.

Eine ebenfalls vorteilhafte Wartezeitermittlung wird erreicht, wenn Spannungsmittelwerte über feste oder variabel vorgegebene Torzeiten von Anfang an (mit Be­ ginn der Bewegung von Brenner bzw. Maschine) gebildet werden, ebenso wie Minima und Maxima der Bogenspannungs­ werte.

Erreicht der Bogenspannungsverlauf Bereiche mit ge­ ringerer Signalwelligkeit, sind die Abweichungen zwischen den Extremal- und Mittelwerten der einzelnen Torbereiche kleiner als ein vorgegebener Grenzwert und die Aktivierung der Höhenregelung kann erfolgen.

Selbstverständlich können die oben beschriebenen Wartezeitermittlungen auch kombiniert werden.

Nach Aktivierung der Höhenregelung kann diese in an sich bekannter Weise eine Höhenregelung des Plasma­ brenners vom Werkstück durchführen, wobei der Abstands­ sollwert entweder manuell vorgegeben ist oder die Spannung des Plasmaschneidbogens nach der Wartezeit - also im stabilen Bereich - erfaßt und als Sollwert der Höhenregelung zugeführt wird.

Bei den oben beschriebenen Verfahrensabläufen können die ermittelten Wartezeiten bzw. Sollwerte gespeichert bzw. in Rechnern/Datenbanken abgelegt werden.

Eine besonders einfache Einrichtung nach der Erfindung ist im Anspruch 6 angegeben, vorteilhafte Weiterbil­ dungen hierzu sind in den Ansprüchen 7 und 8 aufge­ führt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeich­ nung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine schematisch dargestellte Brennschneid­ maschine;

Fig. 2 einen schematischen Übersichtsschaltplan der Vorrichtung zur Durchführung des Ver­ fahrens bei einem Plasmaschneidbrenner mit übertragenem Lichtbogen.

In Fig. 1 ist schematisch eine Brennschneidmaschine 1 dargestellt, die im wesentlichen aus einem Querträger 2 sowie Unterwagen 3 und 4 besteht. Im Unterwagen 4 befinden sich die vollständigen Antriebsaggregate für die Längsbewegung (Pfeilrichtung y) Die Unterwagen 3 und 4 sind auf Laufschienen 5 und 6 in Pfeilrichtung y verfahrbar. Am Querträger 2 sind ferner Querantriebs­ wagen 7, 7′, 7′′ vorgesehen. Diese Antriebswagen 7, 7′, 7′′ stehen mit Antriebsmotoren zum Bewegen der Wagen 7, 7′, 7′′ in Pfeilrichtung x in Verbindung. In der Fig. 1 sind lediglich drei Antriebswagen 7, 7′, 7′′ schematisch dargestellt. Selbstverständlich ist es auch möglich, mehr als drei bzw. nur einen Antriebs­ wagen 7 an der Brennschneidmaschine 1 anzuordnen. An den Antriebswagen 7, 7′, 7′′ ist je ein Brenneraggregat 8, 8′, 8′′ befestigt, an dem jeweils ein Schneidbrenner 10, 10′, 10′′ (beispielsweise WIG-Schweißbrenner, Plasmaschneidbrenner oder dgl.) angeordnet ist, der über eine Höhenverstellung 11 (Fig. 2) in Pfeilrich­ tung z höhenverstellbar ist.

Die Schneidbrenner 10, 10′, 10′′ werden über das auf einem nicht näher dargestellten Werkstücktisch liegen­ de Werkstück 12 (Fig. 2) numerisch nach Lochband oder nach Übertragung der Steuerdaten per Speicherkarte oder per DNC aus dem Speicher eines übergeordneten Rechners oder fotoelektrisch nach Unterlagen gesteuert.

In Fig. 2 ist ein Plasmaschneidbrenner 10 schematisch dargestellt, der mittels der Höhenverstellung 11, die beispielsweise als Höhenschlitten ausgebildet und an einem nicht näher dargestellten Brenneraggregat be­ festigt ist, derart auf ein Werkstück zubewegt, daß sich der Abstand 13 (Pfeilrichtung z) zwischen Brenner 10 und Werkstück 12 verringert. Die Höhenverstellung 11 wird hierbei von einem Motor 14 angetrieben. Die dem Brenner 10 zugeordnete nicht abschmelzende Elektrode 15 und das Werkstück 12 sind über die Leitungen 16, 17 mit einer Stromquelle 18, vorzugsweise mit einer Gleichspannungsquelle verbunden. Der Brenner 10 arbeitet mit einem übertragenen Lichtbogen. Hierbei wird das Werkstück 12 im Schneidstromkreis 12, 16, 18, 17, 15 als Anode geschaltet, d. h. der positive Pol der Gleichspannungsquelle 18 wird an das zu trennende Werk­ stück 12 gelegt. Als Kathode dient vorzugsweise eine mit Thoriumzusätzen versehene Wolfram-Elektrode 15. Um eine sichere Zündung des Lichtbogens zwischen Elek­ trode 15 und Werkstück 12 zu erreichen, zündet man vorzugsweise mit einem Hochfrequenzgerät 19 einen Hilfs­ lichtbogen (Pilotlichtbogen) zwischen der Elektrode 15 und der als Hilfsanode geschalteten Düse 20 des Brenners 10.

Der Vorwiderstand 21 begrenzt den fließenden Strom des Hilfslichtbogens auf einen bestimmten Wert. Das in den Brenner 10 eingegebene Gas oder Gasgemisch wird durch den Hilfslichtbogen ionisiert und bildet eine leitende Strecke zum Werkstück 12. Dadurch, daß der elektrische Widerstand zwischen der Elektrode 15 und dem Werkstück 12 geringer ist, als derjenige zwischen der Elektrode 15 und der Düse 20, springt der Lichtbogen bei ent­ sprechendem Abstand 13 auf das Werkstück 12 über, und die an der Stromquelle eingestellte (vorgewählte) Schneidstromstärke wird voll wirksam.

Während der Zündung des Hilfslichtbogens ist der zwischen dem Vorwiderstand 21 und der Düse 20 angeordnete Schalter 22 geschlossen (strichliert dargestellt), so daß der zur Zündung und Aufrechterhaltung des Hilfslichtbogens erforderliche Hilfsstromkreis 32 geschlossen ist. Vor­ teilhaft wird nach der Zündung des Hauptlichtbogens, vorzugsweise des Plasmaschneidlichtbogens, der Schalter 22 geöffnet, so daß der zur Ionisierung der Gasstrecke zwischen Elektrode 15 und Werkstück 12 erforderliche Hilfslichtbogen verlöscht.

An der Elektrode 15 und dem Werkstück 12 ist ferner ein Sensor 23 über vorzugsweise einen ohmschen Span­ nungsteiler 24 zur Anfangshöheneinstellung 9 ange­ schlossen. Der Sensor 23 kann hierbei als an sich be­ kannte Zenerdiode oder als Spannungskomparator ausge­ bildet sein. Der Spannungsteiler 24 besteht aus der Reihenschaltung von zwei Widerständen R1, R2, die in dem durch die Leitungen 25, 26, 27 gebildeten Sensor­ stromkreis angeordnet sind. Der parallel zu dem Wider­ stand R2 geschaltete Sensor 23 überwacht den Spannungs­ abfall bzw. Spannungssprung an R2, wenn sich der Plasmabogen ausbildet. Dies ist immer dann der Fall, wenn der Brenner 10 mittels der Höhenverstellung 11 in die Nähe des Werkstücks 12 verfahren wird und bei einem bestimmten Abstand 13 sich der Hauptlichtbogen ausbildet (Vorpositionierung). Der Ausgang des Sensors 23 ist über eine galvanische Trennung 28, beispiels­ weise einem Optokoppler oder einem Trennverstärker, mit der Motorsteuerung 29 des Motors 14 der Höhenver­ stellung 11 verbunden. Die galvanische Trennung ver­ meidet Erdschleifen.

Das von dem Sensor 23 gebildete Signal wird der Motor­ steuerung 29 zugeführt, der den Motor 14 vorzugsweise abschaltet.

Die Vorpositionierung kann anstelle des beschriebenen Sensors 23 genauso mit induktiven, kapazitiven, mecha­ nischen oder mit anderen Sensortypen durchgeführt wer­ den.

Die Motorsteuerung 29 ist mit einer Höhenregelung 30 verbunden, die ihrerseits mit einer Spannungserfassungs- und Einschalteinheit 31 in Verbindung steht.

Die Einheit 31 ist aus digitalen Bausteinen aufgebaut und umfaßt einen Trennverstärker 32, der eingangsseitig zur Erfassung der Plasmabogenspannung parallel zur Elektrode 15 und Werkstück 12 geschaltet ist und dessen Ausgang 33 (^UIST) einerseits mit der Höhenregelung 30 und andererseits mit einem dynamischen Schiebespeicher 34 verbunden ist. Der dynamische Schiebespeicher 34 wird von einer Steuereinheit 35 angesteuert, wobei über die Leitung 36 eine Speicherfreigabe erfolgt und über die Leitung 37 die Speichergröße vorgewählt wird und über die Leitung 38 die Taktfrequenz vorgegeben wird. Der dynamische Schiebespeicher 34 ist über einen Mittelwertbildner 39, und einen Mittelwert­ schiebespeicher 40 mit einem Schalter 41 verbunden, der mit einem Differenzbildner 42 in Verbindung steht. Der Differenzbildner 42 ist mit einem Komparator 43 verbunden, dem aus der Steuereinheit 35 ein Vergleichs­ wert zugeführt wird. Unter Zwischenschaltung eines Zählers 44 und eines Speichers 45 ist der Komparator 43 mit der Steuereinheit 35 verbunden, die über die Leitung 46 der Höhenregelung 30 einen Spannungssollwert ^Usoll zuführt.

Die Funktionsweise der Spannungserfassung und Ein­ schalteinheit 31 ist folgende:

Ab Beginn der Bewegung des gezündeten Plasmaschneid­ brenners 10 in Pfeilrichtung 47 wird über den Trenn­ verstärker 32 die Plasmabogenspannung erfaßt und nach Reset über Leitung 50 ein Zähler 44 gestartet und die Lichtbogenspannung dem dynamischen Schiebespeicher 34 zugeführt und in den nachgeschalteten Bauteilen 39, 40, 41, 42, 43 so lange verarbeitet, bis am Komparator­ ausgang ein Signal für die Steuereinheit 35 über Lei­ tung 51 "Bogenspannung stabil" entsteht, das anzeigt, daß die Bogenspannung in vorgegebenen Toleranzen liegt und damit nahezu konstant bzw. stabilisiert ist.

Der Komparator 43 gibt dann ein Signal an den Zähler 44 ab, wodurch dieser gestoppt wird und die "gezählte Zeit" (= erforderliche Wartezeit bis Bogenspannung stabilisiert ist) dem Speicher 45 für nachfolgende Anschneidvorgänge zugeführt wird.

Ferner schaltet der Komparator 43 den Schalter 41 um, so daß das Ausgangssignal des Mittelwertschiebe­ speichers 40 nicht dem Differenzbildner 42, sondern direkt dem Speicher 45 zugeführt wird. Vorzugsweise wird zuvor über Leitung 51 und Steuereinheit 35 und Leitung 37 die Speichergröße des Schiebespeichers 34 angepaßt.

Dabei ist dieses Ausgangssignal die Bogenspannung, die sich bei der vorgegebenen Höhe 13 einstellt und kann deshalb vorzugsweise nach Mittelwertbildung als Soll­ wert ^Usoll über Speicher 45, Steuereinheit 35 und Lei­ tung 46 der Höhenregelung 30 zugeführt werden. Sobald der Sollwert ^Usoll gebildet ist, werden durch die Steuereinheit 35 die Bauteile 39 bis 43 abgeschaltet, die Höhenregelung 30 eingeschaltet (Leitung 52) und in dieser der Sollwert ^Usoll mit dem über Leitung 48 zu­ geführten Istwert ^Uist verglichen. Bei einer Änderung der Höhe 13 ändert sich dann der Istwert ^Uist und über die Höhenregelung 30 und die Motorsteuerung 29 wird die Plasmabrennerhöhe entsprechend korrigiert.

Anstelle der beschriebenen Sollwertermittlung kann der Sollwert auch über ein Einstellelement 49 vorgewählt oder aus einer Datenbank entnommen werden.

Die Erfindung wird bevorzugt bei einer Brennschneidma­ schine, vorzugsweise mit mehreren Plasmaschneidbrennern eingesetzt, wobei jedem Plasmaschneidbrenner eine Höhenregelung zugeordnet ist, wobei vorzugsweise alle Höhenregelungen von je einer Spannungserfassung und einer Einschalteinheit 35 angesteuert werden.

Der Gegenstand der Erfindung ist auch beim mechanisier­ ten WIG-Schweißen, unter Verwendung eines Brenners mit Hilfslichtbogen, einsetzbar.

Claims (8)

1. Verfahren zum automatischen Einschalten einer plasma­ bogenabhängigen Höhenregelung für einen Plasmaschneid­ brenner, wobei zunächst der Plasmaschneidbrenner in einem vorgegebenen Abstand über dem zu schneidenden Werkstück positioniert, dann der Plasmaschneidbogen gezündet wird und nach dem Zünden der Plasmaschneid­ brenner über das Werkstück bewegt wird, dadurch gekennzeichnet, daß ab Beginn der Plasmaschneidbrennerbewegung die Spannung des Plasmaschneidbogens erfaßt und bei Er­ reichen eines nahezu thermischen und/oder elek­ trischen Gleichgewichts, vorzugsweise einer kon­ stanten bzw. nahezu konstanten/stabilisierten Bogenspannung die Höhenregelung eingeschaltet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gradient die Spannung erfaßt und nach Unter­ schreiten eines vorgegebenen Grenzwertes die Höhen­ regelung eingeschaltet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Mittelwerte und/oder Minima/Maximawerte der Spannung über Torzeiten gebildet werden und nach Unterschreiten eines vorgegebenen Grenzwertes die Einschaltung der Höhenregelung erfolgt.

4. Verfahren nach einem Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Einschalten der Höhenregelung die Spannung des Plasmaschneidbogens erfaßt und aus der erfaßten Spannung ein Sollwert für die Höhenregelung gebildet wird, der in einem Vergleich mit sich bei einer Abstandsänderung einstellenden Istwertspan­ nungen des Plasmaschneidbogens verglichen und aus der Differenz zwischen Sollwert und Istwert ein Höhenregelsignal gebildet wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Einschalten der Höhenregelung ein vor­ gegebener Sollwert für die Höhenregelung in einem Vergleich mit sich bei einer Abstandsänderung ein­ stellenden Istwertspannung des Plasmaschneidbogens verglichen und aus der Differenz zwischen Sollwert und Istwert ein Höhenregelsignal gebildet wird.

6. Plasmabogenabhängige Höhenregelung für einen Plasma­ schneidbrenner, dadurch gekennzeichnet, daß der Regelung (30) eine Spannungserfassungs- und Einschalteinheit (35) zugeordnet ist.

7. Höhenregelung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Einheit (31) aus digitalen Bausteinen (34, 35, 39-45) aufgebaut ist.

8. Höhenregelung nach Anspruch 6 oder 7, gekennzeichnet durch die Verwendung in einer Brennschneidmaschine mit vorzugsweise mehreren Plasmaschneidbrennern, wobei jedem Plasmaschneid­ brenner eine Höhenregelung zugeordnet ist.