DE4203672C2

DE4203672C2 - Method for minimizing plasma-induced interference effects on capacitive scanning systems

Info

Publication number: DE4203672C2
Application number: DE19924203672
Authority: DE
Inventors: Hans Joachim Albert; Eckhardt Bergmann; Reinhard Dr Henrici
Original assignee: Messer Griesheim GmbH
Current assignee: ALBERT, HANS-JOACHIM, 65719 HOFHEIM, DE HENRICI, R
Priority date: 1991-10-01
Filing date: 1992-02-08
Publication date: 1993-09-30
Anticipated expiration: 2012-02-09
Also published as: DE4203672A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Minimierung von plasmabedingten Störeffekten auf kapazitive Abtast systeme mit potentialgetrennter Anordnung und poten tialgetrennter Spannungsversorgung bei thermischen Be arbeitungsmaschinen.The invention relates to a method for minimization from plasma-related interference effects to capacitive sensing systems with electrically isolated arrangement and pots tially separated power supply for thermal loading working machines.

Ein Werkstück, wie eine Metallplatte oder ähnliches, kann unter Verwendung eines Schneidbrenners oder eines Laserschneidkopfes, mittels dem ein Schneidstrahl auf die Oberfläche gerichtet wird, der das Werkstück durch dringt, in gewünschte Formen geschnitten werden.A workpiece, like a metal plate or the like, can be done using a cutting torch or a Laser cutting head, by means of which a cutting beam is applied the surface is directed through the workpiece urges to be cut into desired shapes.

Im allgemeinen ist der Schneidbrenner in einer beweg lichen Halterung montiert, so daß das Werkstück ent sprechend der gewünschten Form abgefahren werden kann. In general, the cutting torch is moving Lichen bracket mounted so that the workpiece ent can be driven according to the desired shape.

Der Abstand zwischen Brennerdüse und Werkstück muß konstant sein, damit ein optimales Schneiden des Werk stückes erreicht und beibehalten wird. Ist der Abstand zwischen Brennerdüse und Werkstück zu gering, können Unebenheiten in dem Werkstück zu einer Berührung mit der Brennerspitze führen, wodurch die Flamme oder der Lichtbogen ausgeht und das Schneiden des Werkstückes beendet wird. Ein zu großer Abstand kann sich wegen der Schneidstrahldivergenz nachteilig auf die Schnittquali tät auswirken und bei zu großem Abstand reißt der Schnitt wegen zu geringer Energiedichte ab. Beim Laser schneiden verschiebt sich durch große Abstandsänderun gen die Lage des Fokuspunktes im Blech und ein Schnitt ist nicht mehr möglich.The distance between the torch nozzle and the workpiece must be be constant so that the cutting of the work is optimal piece is achieved and maintained. Is the distance between the torch nozzle and the workpiece is too small Bumps in the workpiece to touch with of the burner tip, causing the flame or the Arc goes out and the cutting of the workpiece is ended. A too large distance can be due to the Cutting beam divergence adversely affects the cutting quality impact and if the distance is too great, the Cut off due to insufficient energy density. With the laser cutting shifts due to large changes in distance the position of the focal point in the sheet and a cut is not possible anymore.

Es ist bekannt, daß mit kapazitiven Meßmethoden Ab stände zu Werkstücken gemessen und über einen ge schlossenen Regelkreis die Halterung des Schneid brenners auf konstanter Höhe über der Werkstückober fläche gehalten wird (DE 26 41 851 A1, DD 2 25 651 A1).It is known that with capacitive measuring methods Ab stands measured for workpieces and over a ge closed loop the holder of the cutting torch at a constant height above the workpiece top area is kept (DE 26 41 851 A1, DD 2 25 651 A1).

Bei der kapazitiven Abstandsmessung werden Abtastele mente in der Nähe der Brennerdüse eingesetzt, die in Ring-, Hufeisen- oder Plättchenform ausgebildet sind oder bei der die Düse selbst Abtastelement ist. Da sie im heißen bzw. Spritzerbereich des Schneidstrahles ange ordnet sind, weisen sie nur eine geringe Standzeit auf und müssen in regelmäßigen Abständen ausgetauscht werden.With capacitive distance measurement, scanning elements are used elements used in the vicinity of the burner nozzle, which in Ring, horseshoe or plate shape are formed or where the nozzle itself is a sensing element. Since she in the hot or splash area of the cutting jet are organized, they only have a short service life and must be replaced at regular intervals.

Bei bekannten Vorrichtungen mit Oszillatorkreis und frequenzbestimmender Kapazität mit nachgeschalteter PLL-Schaltung oder ähnlichem sind LC-Kombinationen in der Nähe der Abtastelemente notwendig. Dies bedingt in der Praxis eine Anordnung von Elektronik im warmen Bereich des Trennprozesses und eine große Teilevielfalt bei unterschiedlichen Maschinen und Brennerkonstruk tionen. Außerdem treten infolge von den verwendeten Hochspannungszündsystemen hohe Feldstärken und große elektromagnetische Störungen auf. Die Störkonturen am Brenner werden vergrößert. Damit ermöglichen die be kannten Vorrichtungen zwar mit den verschiedensten Systemen die erforderlichen Funktionen, doch ist der Aufwand dafür mechanisch, elektrisch bzw. elektronisch groß. Individuelle mechanische und elektrische Kon struktionselemente der thermischen Bearbeitungsmaschi ne, wie Größe des Brennerwagens, Art, Größe und Form des Schneidbrenners, Typ der Düsen und Düsenkappen, Art des Gases, Markierwerkzeuge, Brennerhalter, Abstand zu Nachbarbrennern bei Einzelbrennerhöhenverstellungen als auch bei Mehrbrenneraggregaten, zusätzliche Anbauten in Brennernähe und praxistypische Prozeßsschwankungen sowohl bei Lichtbogen als auch bei Autogen- und Laser verfahren sowie die verwendeten Kabellängen, deren Kapazität und Steckverbindungen im Meßkreis und Über gangswiderstände, z. B. an Schleifringen bei unendlich drehbaren Aggregaten, führen zu veränderlichen Parasi tärkapazitäten, die in die Abstandsmessung mit eingehen.In known devices with an oscillator circuit and frequency-determining capacity with downstream PLL circuitry or the like are LC combinations in close to the scanning elements. This requires in practice an arrangement of electronics in the warm Area of the separation process and a large variety of parts with different machines and burner construction ions. Also occur as a result of the used High voltage ignition systems high field strengths and large electromagnetic interference. The interfering contours on Burners are enlarged. The be knew devices with the most varied Systems the required functions, but the Effort for this mechanically, electrically or electronically large. Individual mechanical and electrical con structural elements of the thermal processing machine ne, like the size of the burner trolley, type, size and shape of the cutting torch, type of nozzles and nozzle caps, Art of gas, marking tools, torch holder, distance to Neighboring burners with individual burner height adjustments as also with multiple burner units, additional attachments in Close to the burner and typical process fluctuations both with arcs and with oxyfuel and lasers process and the cable lengths used, their Capacity and plug connections in the measuring circuit and over gage resistances, e.g. B. on slip rings at infinity rotatable units, lead to changeable Parasi capacities that are included in the distance measurement.

Ferner ist bekannt, daß thermische Einflüsse auf bren nernahe Elektronikkomponenten als auch auf die Kapazi tät von Kabeln und Steckverbindungen wirken und beson ders bei frequenzgestützten Vorrichtungen zu Driften während des Betriebes führen. Der Dynamikbereich sol cher Vorrichtungen beträgt derzeit nur wenige Milli meter Abstand Düse-Blech (Werkstück) und erfordert eine aufwendige und präzise Justage der Abtastelemente.It is also known that thermal influences on bren close electronic components as well as the capaci cables and plug-in connections work and especially especially with frequency-based devices for drifts lead during operation. The dynamic range is sol cher devices is currently only a few milli meter distance between nozzle and sheet (workpiece) and requires one complex and precise adjustment of the scanning elements.

Bekannt ist ferner die Methode, mit dem Werkstück als Sender zu arbeiten und einer Empfangselektrode mit potentialfreier Auswertelektronik und entkoppelter Ver sorgungsspannung und entkoppeltem Ausgangsspannungssig nal. Bei letzterem werden zur Reduzierung von rich tungsabhängigen Signalveränderungen infolge von Rand effekten und Schnittfugen Anschlußblöcke für die Sen sorelemente verwendet mit koaxialer Ausbildung der Hal tevorrichtung.The method with the workpiece is also known Transmitter to work and a receiving electrode with potential-free evaluation electronics and decoupled ver supply voltage and decoupled output voltage sig nal. In the latter, to reduce rich tion-dependent signal changes due to edge effects and kerf connection blocks for the Sen sorelemente used with coaxial design of the Hal device.

Neben den physikalisch festliegenden unterschiedlichen Signalstabilitäten und Störspannungsabständen der ver schiedenen Meßmethoden ermöglicht der Stand der Technik zwar mit den verschiedenen Systemen die erforderlichen Funktionen zu realisieren, jedoch führen die Beeinflus sungen durch das Auftreten von Plasmen und damit ande rer Leitfähigkeiten und parasitärer Kapazitäten im Be reich der Anordnung der Sensorelemente bzw. der Meß elektroden zu aufwendigen nachgeschalteten elektro nischen Korrekturmaßnahmen des Abstandssignals. Die eigentliche Meßstrecke zwischen Sensorabtastelementen und Werkstück wird beeinflußt. Die Autogenflamme, der Plasmalichtbogen bzw. der Laserstrahl usw. beeinflussen und verfälschen dabei die Meßwerte von kapazitiven Ab tastsystemen je nach Verfahren und Prozeßzustand.In addition to the physically fixed different Signal stabilities and signal-to-noise ratios of ver The state of the art enables various measuring methods the necessary with the various systems Realizing functions, however, have an impact solutions by the appearance of plasmas and so on rer conductivities and parasitic capacitances in the Be rich in the arrangement of the sensor elements or the measuring electrodes for complex downstream electro African corrective measures of the distance signal. The actual measuring section between sensor scanning elements and workpiece is affected. The oxyacetylene flame, the Influence plasma arcs or the laser beam etc. and falsify the measured values of capacitive Ab touch probes depending on the process and process status.

Dies hat zur Folge, daß zwischen den erreichbaren Posi tionen der Werkzeuge zum Blech mit und ohne Plasma gro ße Unterschiede bestehen. Der Effekt ist für den Schneidprozeß und aber auch für eine Maschinenautoma tisierung nachteilig.This means that between the posi the tools for sheet metal with and without plasma large there are differences. The effect is for that Cutting process and also for a machine automation disadvantageous.

In den meisten Fällen muß in einzelnen Schneidprozeß phasen eine für die Schnittqualität schädliche falsche Abstandsmessung und damit eine falsche Höhe der Düse über dem Blech als Kompromiß akzeptiert werden. Um Schnittabrisse infolge Rückzündungen, beispielsweise bei Autogenverfahren zu vermeiden, müssen während des Schneidbetriebes oft zu große Abstände gefahren werden mit der Folge von sinkender Schnittqualität und gerin geren Prozeßwirkungsgrades bzw. geringerer Schneidge schwindigkeit. Umgekehrt kann bei zu großen Abständen eine zu geringe Leistungsdichte den Trennprozeß unter brechen.In most cases, the individual cutting process phase a wrong one which is harmful to the quality of the cut Distance measurement and thus an incorrect height of the nozzle accepted as a compromise over the sheet. Around Cutting breaks due to reignitions, for example to avoid oxyfuel processes, must during the Cutting operations are often driven too far apart with the consequence of decreasing cut quality and low lower process efficiency or lower cutting edge dizziness. Conversely, if the distances are too large too low a power density under the separation process break.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden und ohne techni schen Mehraufwand die Störeffekte von unterschiedlichen Plasmen auf kapazitive Abstandsmethoden weitestgehend zu vermeiden.The invention has for its object the disadvantages to avoid the state of the art and without techni additional effort the interference effects of different Largely plasmas on capacitive distance methods to avoid.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß für das Werkzeug als einem der Sensierelemente das gleiche Bezugspotential wie beim frequenzerzeugenden Genera tor des Sensors verwendet wird.This object is achieved in that for the tool as one of the sensing elements is the same Reference potential as with the frequency-generating genera gate of the sensor is used.

Durch die Erfindung werden vorteilhaft die Störeffekte von unterschiedlichen Plasmen wie sie zwischen Flamme und Sensorring und/oder Werkzeug und/oder Düse, bzw. Düsenkappe entstehen auf die kapazitiven Abstandssysteme einer Brennschneidmaschine verringert, weil die Werkzeu ge beispielsweise Schneidbrenner, auf dem gleichen Be zugspotential liegen wie der frequenzerzeugende Genera tor der Sensoren. Durch diese Maßnahme wird sicherge stellt, daß sich beim Sensorabgleich in Arbeitshöhe der Brennerdüse über dem zu bearbeitenden Blech eine sich einstellende bestimmte parasitäre Kapazität mit abge glichen wird und dadurch keinen Einfluß auf das Sensor signal ausüben kann. Ist das Werkzeug wie der Brenner bzw. die Düse bzw. die Düsenkappe auf Maschinenmasse bezogen, wird bei Zündung der Flamme, des Lichtbogens bzw. durch die sich einstellende Ionisation und Plasma wolke beim Laserschneiden ein ohmscher Widerstand zwi schen Werkstück und Brenner bzw. Düse bzw. Düsenkappe hergestellt. Dieser Widerstand bewirkt eine scheinbare Vergrößerung der Werkstückmasse zum Sensierelement hin. Da im Falle Werkzeug auf Maschinenmasse die Meßkapazi tät C1 auf Nennarbeitsabstand Düse-Werkstück fest abge glichen ist, gehen die oben beschriebenen Verhältnisse als scheinbare Annäherung des Sensorringes zum Werk stück ein. C3 bildet sich parallel zu C1 aus und ver größert die Gesamtkapazität. Deshalb fährt im geschlos senen Regelkreis der Brenner nach oben. Im Falle von Werkzeug auf potentialfreiem Elektronik-Null bildet sich ebenfalls der plasmabedingte Widerstand R1 aus. Die Kapazität addiert sich nur anteilig zu C1, so daß keine oder nur geringe Abstandsänderung im geschlosse nen Regelkreis bei vorhandenem Plasma auftritt.The interference effects are advantageous by the invention of different plasmas like that between flame and sensor ring and / or tool and / or nozzle, or Nozzle caps are created on the capacitive spacing systems a flame cutting machine because the tools ge, for example, cutting torch, on the same loading train potential is like the frequency-generating genera gate of the sensors. This measure ensures security is that when the sensor is adjusted at working height Burner nozzle over the sheet to be machined setting certain parasitic capacitance with abge is compared and therefore no influence on the sensor can exercise signal. Is the tool like the burner or the nozzle or the nozzle cap on machine dimensions related, is ignited when the flame, the arc or due to the ionization and plasma cloud with laser cutting an ohmic resistance between workpiece and torch or nozzle or nozzle cap produced. This resistance creates an apparent Enlargement of the workpiece mass towards the sensing element. Since in the case of tool on machine dimensions the measuring capacitance C1 is fixed at nominal working distance nozzle-workpiece is the same, the conditions described above go as an apparent approximation of the sensor ring to the work piece one. C3 forms parallel to C1 and ver increases the total capacity. That is why it drives closed the burner control loop upwards. In case of Tool forms on potential-free electronics zero the plasma-related resistance R1 also results. The capacity only adds to C1 to a certain extent, so that no or only slight change in distance in the closed NEN control loop occurs with existing plasma.

Vorteilhaft wird durch die Merkmale des Anspruches 4 eine hohe Unempfindlichkeit gegen elektrische Störein flüsse und temperaturabhängige Umgebungseinflüsse er reicht, wobei mit der Vorrichtung in beliebige Rich tungen geschnitten werden kann, weil durch die Ausbil dung des Werkstückes als Sender dem symmetrisch/kon zentrisch um den Brenner angeordneten Empfänger eine Richtungsunabhängigkeit erreicht wird. Hinzu kommt, daß im temperaturbelasteten Bereich zwischen Sender und Em pfänger keine separaten Sendeelektroden angeordnet wer den müssen. Dies reduziert den mechanisch konstruktiven Aufwand erheblich.The features of claim 4 are advantageous high immunity to electrical interference rivers and temperature-dependent environmental influences is sufficient, with the device in any Rich can be cut because of the training the workpiece as a transmitter to the symmetrical / con a receiver arranged centrally around the burner Direction independence is achieved. In addition, that in the temperature-stressed area between transmitter and em no separate transmitter electrodes have to. This reduces the mechanical design Effort considerably.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeich nung dargestellt und wird im folgenden näher beschrie ben.An embodiment of the invention is in the drawing shown and will be described in more detail below ben.

Es zeigen Show it

Fig. 1 die Anordnung der Verfahrens komponenten, Fig. 1 shows the arrangement of the process components,

Fig. 2 eine Gegenüberstellung einer 2-Elektroden-Anordnung mit Parasitärkapazitäten beim Stand der Technik und der Erfindung, Fig. 2 is a comparison of a 2-electrode array with parasitic capacitances in the prior art and the invention,

Fig. 3 Abstandsschwankungen während der Prozeßphasen am Beispiel Autogen verfahren mit Acetylen-Sauerstoff- Plasma mit/ohne Brenner-Elektro nik-Null (qualitativ). Fig. 3 distance fluctuations during the process phases using the example of oxyacetylene process with acetylene-oxygen plasma with / without burner electronics zero (qualitative).

In Fig. 1 ist ein Brenner 2 schematisch dargestellt, der mittels eines Werkzeughalters 3 an der thermischen Be arbeitungsmaschine befestigt ist. An dem Brenner 2 ist über einen Sensorhalter 6 ein Sensorring 4 befestigt. Der Sensorring 4 umgibt die Brennerdüse 7 konzentrisch. Unterhalb von Brennerdüse 7 und Sensorring 4 ist das Werkstück angeordnet. Der Sensorring 4 ist über eine Auswerteeinheit 8 mit einem Trennverstärker 9 verbun den. Das als Sender ausgebildete Werkstück 5 ist mit einem Generator 1 verbunden, der über eine potentialge trennte Spannungsversorgung 10 an das Versorgungsnetz angeschlossen ist.In Fig. 1, a burner 2 is shown schematically, which is attached by means of a tool holder 3 to the thermal processing machine Be. A sensor ring 4 is fastened to the burner 2 via a sensor holder 6 . The sensor ring 4 surrounds the burner nozzle 7 concentrically. The workpiece is arranged below the torch nozzle 7 and the sensor ring 4 . The sensor ring 4 is connected via an evaluation unit 8 to a signal conditioner 9 . The workpiece 5 designed as a transmitter is connected to a generator 1 , which is connected to the supply network via a potential-separated voltage supply 10 .

Der feste Bezugspunkt des Generators 1 als potential freies Elektronik-Null-Potential der Sensorelektronik 11 ist auf das mit Werkzeughalter 3 isoliert gehaltene Werkzeug 2 gelegt, wobei sich beim Sensorabgleich in Arbeitshöhe der Brennerdüse 7 über dem zu bearbeitenden Blech eine bestimmte parasitäre Kapazität einstellt zwischen Sensorring 4 und Werkzeug 2 und mit abgegli chen wird. Dieser Abgleich erfolgt ohne Flamme bzw. ohne Plasmen. Die von der Flamme bzw. von den Plasmen in ihrer unterschiedlichen Ausbildung erzeugten parasitären Kapazitäten beeinflussen diese nur unwesentlich und gehen daher in das Abstandssignal nicht ein. Die eigentliche Meßstrecke von Sensorring 4 zu Werkstück 5 wird durch die Änderung der parasitären Kapazität vom Sensorring 4 zum Werkzeug 2 nicht beeinflußt.The fixed reference point of the generator 1 as potential-free electronics zero potential of the sensor electronics 11 is placed on the tool 2 , which is kept isolated with the tool holder 3 , a certain parasitic capacitance being established between the sensor ring at the sensor height at the working height of the burner nozzle 7 above the sheet to be processed 4 and tool 2 and with Chen Chen. This adjustment takes place without flame or without plasmas. The parasitic capacitances produced by the flame or by the plasmas in their different designs only have an insignificant influence on them and therefore do not enter into the distance signal. The actual measuring path from sensor ring 4 to workpiece 5 is not influenced by the change in the parasitic capacitance from sensor ring 4 to tool 2 .

In Fig. 2 sind die plasmabedingten Störeffekte auf kapa zitive Abtastsysteme dargestellt, wobei auf der linken Bildseite das Werkzeug 2 auf Maschinenmasse und auf der rechten Bildseite das Werkzeug 2 gemäß der Erfindung auf potentialfreiem Elektronik-Null gelegt ist. Wie aus der Zeichnung hervorgeht, bleiben die parasitären Kapa zitäten C2 zwischen Flamme und Werkzeug 2 und C21 zwischen Flamme und Sensorring bestehen. Während die parasitäre Kapazität C3 zwischen Sensorring 4 und Werkzeug 2 beim Sensorabgleich im linken Bild nicht mit abgeglichen wird, sondern sich zu C1 addiert, läßt sich rechts erkennen, daß C3 sich immer auf das Werk zeug 2 bezieht und sich somit nicht zu C1 addieren kann.In Fig. 2, the plasma-induced interference effects on capacitive scanning systems are shown, with the tool 2 on the machine ground on the left-hand side of the image and the tool 2 according to the invention on zero-potential electronics zero. As can be seen from the drawing, the parasitic capacitances C2 between flame and tool 2 and C21 between flame and sensor ring remain. While the parasitic capacitance C3 between the sensor ring 4 and tool 2 is not compared with the sensor calibration in the left picture, but is added to C1, it can be seen on the right that C3 always refers to the tool 2 and therefore cannot be added to C1 .

In Fig. 3 ist schematisch der Signalverlauf des von der Sensorelektronik 11 generierten Abstandssignals darge stellt. Die strichlierte Linie zeigt den Verlauf der entsteht, wenn das Werkzeug 2 an Maschinenmasse und die durchgezogene Linie den Verlauf, wenn das Werkzeug 2 entsprechend der Erfindung an potentialfreiem Elektro nik-Null gelegt ist. Die ermittelten Abstandsschwankun gen während der Prozeßphasen am Beispiel eines Auto genschneidverfahrens mit Acetylen-Sauerstoff-Plasma, zeigen eine geringere Abweichung bei vorgewählter Ar beitshöhe Null bei der Ersthöhenfindung sowie während des Schneidverlaufes.In Fig. 3, the waveform of the distance signal generated by the sensor electronics 11 is shown schematically Darge. The dashed line shows the course that arises when the tool 2 on machine ground and the solid line shows the course when the tool 2 according to the invention is connected to potential-free electronics zero. The distance fluctuations determined during the process phases using the example of an auto-cutting process with acetylene-oxygen plasma show a smaller deviation with a preselected working height of zero when determining the initial height and during the cutting process.

Claims

1. A method for minimizing plasma-related interference effects on capacitive scanning systems with a potential-isolated arrangement and potential-isolated voltage supply in thermal processing machines, characterized in that the tool ( 2 ) as one of the sensing elements has the same reference potential as in the frequency-generating generator ( 1 ) of the sensor ( 4 ) is used.

2. The method according to claim 1, characterized in that a burner or a nozzle ( 7 ) is used as the tool ( 2 ).

3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the burner ( 2 ) or parts of the burner are isolated from the thermal processing machine.

4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the workpiece ( 5 ) is connected to an AC voltage generator ( 1 ) and an AC voltage signal is applied, whereby it acts as a transmitter and the workpiece ( 5 ) opposite the as Receiver ( 4 ) trained sensor is arranged, which, connected to an evaluation unit ( 8 ), detects the field changes.