Gebiet der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennerabstandsregelverfahren und ein Gerät zum
Regeln des Abstandes zwischen dem Brenner einer Plasmaschneidmaschine und einem
zu schneidenden Werkstück, wobei die Plasmaschneidmaschine so angeordnet ist, daß
sie das Werkstück durch Erzeugen eines Plasmalichtbogens zwischen einer Elektrode der
Maschine und dem Werkstück schneidet.
Stand der Technik
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In einer Plasmaschneidmaschine ist eine Düse in der Weise angeordnet, daß sie eine
Elektrode der Maschine umgibt, so daß ein Druckgasdurchtritt für ein Arbeitsgas gebildet
und ein vor dem vorderen Abschnitt der Elektrode erzeugtes Plasma zwischen der
Elektrode und dem zu schneidenden Werkstück eingeschnürt wird, wodurch die
Temperatur des Plasmas ansteigt und der Plasmalichtbogen eine gleichmäßige Größe
erreicht und damit eine hervorragende Schnittfläche erhalten werden kann. Wird jedoch
der Abstand zwischen dem aus der Elektrode und der Düse bestehenden Brenner und
dem zu schneidenden Werkstück geändert, ist es nicht möglich, den Plasmalichtbogen
beizubehalten oder eine ausgezeichnete Schnittform zu erhalten, da sich die Größe des
Plasmalichtbogens ändert. Aus diesem Grund wurde die Plasmaschneidmaschine so
angeordnet, daß der Abstand zwischen dem Brenner und dem zu schneidenden
Werkstück (nachfolgend "Brennerabstand" genannt) konstant bleibt und dadurch der
Schneidarbeitsgang zufnedenstellend ausgeführt werden kann.
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In einem Fall einer Brennerabstandsregelung hat sich herausgestellt, daß die
Lichtbogenspannung an der Elektrode bzw. der Düse und dem zu schneidenden
Werkstück in einer proportionalen Beziehung zu dem Brennerabstand steht. Diese
Beziehung kann genutzt werden, um die Lichtbogenspannung zu ermitteln, und diese Ist-
Lichtbogenspannung wird auf einem konstanten Wert gehalten (vgl. z.B. japanische
Patent-Offen legungsschrift Nr.57-195582).
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Das vorstehende herkömmliche Verfahren ist allerdings so aufgebaut, daß das Maß der
Verschiebung der Elektrode einfach entsprechend der Höhe der Abweichung zwischen
der Ist-Lichtbogenspannung und einer Bezugsspannung verändert wird. Bei einer großen
Abweichung dauert es daher zu lange, bis ein bestimmter Brennerabstand erreicht ist,
wodurch die Reaktion erst mit Verzögerung eintritt. Somit kann keine zufriedenstellende
Schneidgenauigkeit erreicht werden. Das vorstehende Verfahren ist so konfiguriert, daß
eine zu große Abweichung durch einen vom Brennerabstandsregelstromkreis gesondert
angeordneten Stromkreis zur Messung abnormaler Spannung ermittelt und daraufhin die
Lichtbogenspannung abgeschaltet wird. Dadurch verschlechtert sich die Effizienz des
Schneidarbeitsgangs. Ein noch größerer Nachteil ist, daß bei einer zu starken
Vergrößerung der Abweichung in den negativen Bereich der Brenner abwärts bewegt und
der Lichtbogen durch den Stromkreis zur Messung abnormaler Spannung abgeschaltet
wird, so daß sich die Abweichung in positive Werte umkehrt. Die fortgesetzte
Abwärtsbewegung des Brenners hat dabei zur Folge, daß der Brenner mit dem zu
schneidenden Werkstück zusammenstößt und das Risiko einer Beschädigung des
Brenners oder des zu schneidenden Werkstücks entsteht.
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Des weiteren sind keine Überlegungen angestellt worden, um der Veränderung der
Lichtbogenspannung im Hinblick auf die Erhöhung der Lichtbogenspannung oder
Veränderung der Schneidgeschwindigkeit infolge des Abschmelzens der Elektrode zu
begegnen. Im Ergebnis ändert sich der Brennerabstand aufgrund des Abschmelzens der
Elektrode oder entsprechend der Schneidgeschwindigkeit. Dadurch ist nicht möglich,
einen ausgezeichneten Schneidarbeitsgang auszuführen.
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In einem anderen Fall bleiben an einem an die Düse angrenzenden Abschnitt Spritzer von
geschmolzenem Metall haften, nachdem sich der Brenner dem zu schneidenden
Werkstück genähert hat, oder in einem weiteren Fall kommt es bei einer Störung des
Gasstroms infolge einer Verformung der Düse zur Entstehung eines Doppelbogens,
beispielsweise zwischen dem zu schneidenden Werkstück und der Düse. Dadurch kann
die Düse beschädigt werden, was eine Unterbrechung der Schneidarbeit zur Folge hätte.
Aus diesem Grund ist ein Gerät vorgeschlagen worden (vgl. z.B. japanische
Patentveröffentlichung Nr.60-43831), bei dessen Aufbau der Tatsache Rechnung
getragen wird, daß sich die Ausgangsspannung von der Stromquelle zum Erzeugen des
Plasmalichtbogens verringert, wenn der Brenner bei seiner Annäherung an das zu
schneidende Werkstück ein bestimmtes Maß überschritten hat und wenn die Impedanz
gesenkt wurde, und der Ausgang von der Stromquelle wird zum Schutz des Brenners
geschlossen, wenn die erwähnte Spannung unter eine Bezugsspannung gesunken ist.
Der Schneidarbeitsgang wird zeitweilig unterbrochen und die Arbeitseffizienz
verschlechtert sich, da zum Zeitpunkt der Bildung des Doppelbogens ein Befehlssignal
ausgegeben wird, das die Versorgung von der Stromquelle zum Erzeugen des
Plasmalichtbogens auf Null setzt.
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Bei einem anderen bekannten Verfahren und Gerät (vgl. z.B. japanische Patent-
Offenlegungsschrift Nr.62-24864) wird die Nutzungsgrenze der Elektrode anhand der
Veränderung des elektrischen Lichtbogenstroms, der zwischen der Elektrode und dem zu
schneidenden Werkstück erzeugt wird, und der Spannung ermittelt. Allerdings läßt sich
die Nutzungsgrenze erst feststellen, nachdem die Elektrode beschädigt worden ist, da sie
anhand der Veränderungen der Wellenformen des elektrischen Stroms und der Spannung
zum Zeitpunkt der Nutzungsgrenze der Elektrode ermittelt wird. In einem solchen Fall wird
das zu schneidende Werkstück zu Ausschuß und die Düse beschädigt. Darüber hinaus
läßt sich das vorstehende Verfahren zur Ermittlung der Nutzungsgrenze anhand der
Spannung in der Praxis nicht ohne weiteres einsetzen, da sich der Spannungswert ändert,
wenn sich die Schneidbedingungen ändern.
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Weiterhin sind ein Verfahren und Gerät gemäß den Oberbegriffen der Ansprüche 1 bzw. 4
aus der Patentschrift JP-A-10 48 674 bekannt. Dieses Verfahren offenbart die selbsttätige
Einstellung eines gewünschten Sollwerts einer Schweißbrennerhöhe durch Ermitteln der
Lichtbogenspannung oder eines Lichtbogenstroms, wenn sich der Schweißbrenner in
einer gewünschten Höhenposition befindet, und Abtasten und Halten seines Ist-Resultats,
um es als Sollwert einzustellen. Die Position des Schweißbrenners wird durch einen
Y-Achsenantriebsregler korrigiert, so daß die Differenz auf Null gesenkt wird.
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Um die in der herkömmlichen Technik zutage getretenen und vorstehend beschriebenen
Probleme zu lösen, besteht das Ziel der vorliegenden Erfindung darin, ein
Brennerabstandsregelverfahren und ein Gerät für eine Plasmaschneidmaschine
bereitzustellen, die in der Lage sind, eine Abweichung des Brennerabstands von einem
eingestellten Wert rasch zu korrigieren, einen Brennerabstand auch dann konstant zu
halten, wenn sich die Schneidgeschwindigkeit ändert, den Abfall der Arbeitseffizienz
selbst dann zu verhindern, wenn es zur Entstehung eines Doppelbogens kommt, und die
Nutzungsgrenze einer Elektrode auch nach einer Veränderung der Schneidbedingungen
genau zu ermitteln.
Beschreibung der Erfindung
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Nach Anspruch 1 stellt die vorliegende Erfindung ein Brennerabstandsregelverfahren für
eine Plasmaschneidmaschine bereit, bei dem die Spannung an einer Elektrode oder einer
Düse und einem zu schneidenden Werkstück ermittelt wird, um eine Abweichung von
einer Bezugsspannung mit dem Zweck zu berechnen, daß die Anhebungsgeschwindigkeit
des Brenners entsprechend der berechneten Abweichung gesteigert wird. Das
Brennerabstandsregelverfahren für die Plasmaschneidmaschine ist so aufgebaut, daß die
Anhebungsgeschwindigkeit des Brenners Null (0) ist, wenn die Abweichung der Spannung
an der Elektrode oder der die Elektrode umgebenden Düse und dem zu schneidenden
Werkstück in bezug auf die Bezugsspannung in einem vorgegebenen Bereich eines
ersten Wertes liegt. Darüber hinaus wird, wenn die Abweichung den ersten Wert
überschritten hat, die Anhebungsgeschwindigkeit des Brenners linear gesteigert. Ist die
Abweichung größer als ein vorgegebener zweiter Wert, wird die
Anhebungsgeschwindigkeit des Brenners linear mit einer höheren Rate gesteigert. Liegt
die Abweichung über einem vorgegebenen dritten Wert, wird der Brenner mit hoher
Geschwindigkeit aufwärts bewegt.
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Aufgrund des so gestalteten Aufbaus ist es möglich, den Brenner rasch in eine
vorgegebene Brennerabstandsposition zurückzuführen, so daß das Werkstück in
zufriedenstellender Weise und genau geschnitten werden kann. Liegt die Abweichung in
einem vorgegebenen Bereich eines ersten Wertes, wird die Anhebung des Brenners
verhindert und so die Schneidgenauigkeit noch weiter verbessert. Wenn also bei einer
geringfügigen Veränderung des Brennerabstands eine Einstellung erfolgt, kann der
Brenner jederzeit angehoben werden, wodurch die Schneidfläche übermäßig rauh wird.
Dadurch kann der Schneidarbeitsgang nicht zufriedenstellend ausgeführt werden. Aus
diesem Grund erfolgt dann, wenn die Veränderung des Brennerabstands in einem
vorgegebenen Bereich liegt, d.h. wenn die Abweichung in einem vorgegebenen Bereich
(unempfindlicher Bereich) liegt, keine Einstellung des Brennerabstands, so daß eine
ausgezeichnete Schnittflächenform entsteht. Hat die Abweichung den unempfindlichen
Bereich überschritten, wird die Anhebungsgeschwindigkeit des Brenners proportional zum
Grad der Abweichung erhöht und so der Brenner rasch in eine vorgegebene
Brennerabstandsposition zurückgeführt. Hat die Abweichung einen vorgegebenen zweiten
Wert überschritten, wird das Verhältnis der in eine proportionale Beziehung zur
Abweichung gebrachten Anhebungsgeschwindigkeit des Brenners weiter vergrößert, so
daß der Brenner so rasch wie möglich in eine vorgegebene Brennerabstandsposition
gebracht werden kann, um eine zufriedenstellende Ausführung des Schneidarbeitsgangs
zu ermöglichen. Darüber hinaus kann die Überregelung des Brenners 10 verhindert
werden, da die Anhebungsgeschwindigkeit des Brenners 10 proportional zur Abweichung
verringert wird. Hat die Abweichung einen vorgegebenen dritten Wert überschritten, wird
der Brenner im Falle der Feststellung, daß die Plasmaschneidmaschine auf eine
ungewöhnliche Störung gestoßen ist, mit hoher Geschwindigkeit aufwärts bewegt und
damit dem Problem des Kontakts von Brenner und zu schneidendem Werkstück
vorgebeugt.
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Gemäß Anspruch 4 stellt die Erfindung des weiteren für eine Plasmaschneidmaschine ein
Gerät zur Regelung eines Brennerabstands mit einer Brennerabstandskorrektur-
Recheneinrichtung bereit, das folgendes umfaßt: ein Bezugsspannung-Rechenstellglied
zur Ausgabe einer Bezugsspannung zwischen einer Elektrode oder einer Düse und einem
zu schneidenden Werkstück in Verbindung mit einem vorgegebenen Brennerabstand, ein
Regelabweichungs-Recheneinrichtung zur Berechnung der Abweichung zwischen der Ist-
Spannung und der Bezugsspannung, sowie eine Korrekturgrößeneinrichtung zur Ausgabe
eines Brenneranhebungsgeschwindigkeitssignals entsprechend dem Grad der
Abweichung. Zu der Brennerabstandskorrektur-Recheneinrichtung gehört ein
Elektrodenabschmelz4brennerabstandsmeßglied, das die Ist-Spannung abnimmt, um
dann an die Regelabweichung-Recheneinrichtung ein Brennerabstandssignal auszugeben,
das durch die Korrektur des Grades der vollzogenen Steigewng der Spannung infolge
des Abschmelzens der Elektrode erhalten wurde. Weiterhin gibt das Bezugsspannung-
Rechenstellglied als Bezugsspannung eine Spannung aus, die erhalten wurde, indem der
Grad der Veränderung der Lichtbogenspannung, die aufgwnd der Abweichung der
Schneidgeschwindigkeit von der Sollschneidgeschwindigkeit stattfand, zur
Lichtbogenspannung in bezug auf einen vorgegebenen Brennerabstand addiert wurde.
Das Bezugsspannung-Rechenstellglied kann die Ist-Spannung abnehmen und die
zugeführte ist-Spannung als die Bezugsspannung ausgeben, wenn der Brenner in eine
vorgegebene Brennerabstandsposition gebracht und der Schneidarbeitsgang eingeleitet
worden ist.
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Aufgrund des so gestalteten Aufbaus subtrahiert das Elektrodenabschmelz-/
Brennerabstandsmeßglied den Anteil des Spannungsanstiegs, der sich infolge des
Abschmelzens der Elektrode vollzogen hat, von der Ist-Spannung. Auf diese Weise läßt
sich die Veränderung des Brennerabstands als Folge des Abschmelzens der Elektrode
verhindern. Da das Bezugsspannung-Rechenstellglied die durch Addieren der
Veränderung der Lichtbogenspannung, die als Folge der Veränderung der
Schneidgeschwindigkeit stattgefunden hat, erhaltene Bezugsspannung ausgibt, kann der
Brennerabstand auch dann konstant gehalten werden, wenn die Schneidgeschwindigkeit
verändert worden ist. Auf diese Weise ist es möglich, die Schneidgenauigkeit zu
verbessern. Durch Einstellen der Bezugsspannung mit Hilfe des Bezugsspannung-
Rechenstellglieds in der Weise, daß sie die zu erzeugende Lichtbogenspannung ist, wenn
der Brenner in die Brennerabstandsposition geführt wird und der Schneidarbeitsgang
eingeleitet wird, kann der Einfluß des Abschmelzens der Elektrode beseitigt und die
Bezugsspannung problemlos eingestellt werden.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Fig. 1 ist eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen einer Abweichung und der
Anhebungsgeschwindigkeit eines Brenners gemäß einer ersten Erfindung.
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Fig. 2 ist ein Blockschaltbild einer Plasmaschneidmaschine gemäß einer zweiten
Erfindung.
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Fig. 3 ist eine Darstellung des detaillierten Aufbaus der Brennerabstandskorrektur-
Recheneinrichtung von Fig. 2.
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Fig. 4 ist eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen Brennerabstand und
Lichtbogenspannung.
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Fig. 5 ist eine Darstellung eines Beispiels einer Tabelle, mit der das in Fig. 3 gezeigte
Bezugsspannung-Rechenstellglied die Spannung berechnet.
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Fig. 6 ist eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen der Zahl der
Verwendungen einer Elektrode und der Lichtbogenspannung.
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Fig. 7 ist eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen der
Schneidgeschwindigkeit und der Lichtbogenspannung.
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Fig. 8 ist ein Ablaufschema eines Anwendungsbeispiels in bezug auf die erste Erfindung.
Beste Ausführungsform der Erfindung
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Es folgt eine eingehende Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform eines
Brennerabstandsregelverfahrens und eines Geräts für eine Plasmaschneidmaschine nach
einer ersten und zweiten Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen.
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Fig. ist ein Blockschaltbild der Plasmaschneidmaschine, worin ein Brenner 10 der
Plasmaschneidmaschine mit übertragenem Lichtbogen eine Düse 14 besitzt, die in der
Weise angeordnet ist, daß sie eine Elektrode 12 der Maschine umgibt, wobei die Düse 14
einen Druckgasdurchtritt (nicht dargestellt) für ein Arbeitsgas bildet. Die Elektrode 12 ist
über eine GS-Stromquelle 16 elektrisch mit der Düse 14 und einem zu schneidenden
Werkstück 18 verbunden, so daß zwischen der Elektrode 12 und der Düse 14 ein
Pilotlichtbogen sowie zwischen der Elektrode 12 und dem zu schneidenden Werkstück 18
ein Hauptlichtbogen 20 erzeugt wird. Der untere Abschnitt der Düse 14 wiederum ist
verengt, um den Plasmalichtbogen 20 einzuschnüren und auf diese Weise ein
Hochtemperaturplasma zu erhalten.
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Die Elektrode 12, die Düse 14 und das zu schneidende Werkstück 18 sind jeweils an
Spannungsmesser 24 und 26 angeschlossen. Der Spannungsmesser 24 ermittelt die
Spannung an der Elektrode 12 und dem zu schneidenden Werkstück 18 und übermittelt
die gemessene Spannung e&sub1; an eine Brennerabstandskorrektur-Recheneinnchtung 28
(Beschreibung s.u.). Der Restspannungsmesser 26 stellt die Spannung zwischen der
Düse 14 und dem zu schneidenden Werkstück 18 fest und übermittelt die gemessene
Spannung e&sub2; an die Brennerabstandskorrektur-Recheneinrichtung 28.
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Die Brennerabstandskorrektur-Recheneinrichtung 28 berechnet anhand der Ist-
Spannungsmeßwerte e&sub1; und e&sub2; die Richtung, die Geschwindigkeit und das Maß der
Anhebung des Brenners und übermittelt die Ergebnisse an einen Regler 30, der mit der
Ausgabeseite des Brennerabstandskorrektur-Recheneinnchtung 28 verbunden ist.
Entsprechend einer von der Brennerabstandskorrektur-Recheneinnchtung 28
übermittelten Regelgröße treibt der Regler 30 eine Anhebevorrichtung 32 an, um den
Brenner 10 soweit anzuheben, daß der Abstand zwischen dem Brenner 10 und dem zu
schneidenden Werkstück 18 den Sollbrennerabstand H&sub0; erreicht.
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Die in Fig. 3 gezeigte Brennerabstandskorrektur-Recheneinrichtung 28 umfaßt ein
Elektrodenabschmelz-/Brennerabstandsmeßglied 34, ein Bezugsspannung-
Rechenstellglied 36, eine Regelabweichung-Recheneinrichtung 37, an die ihre Signale
übermittelt werden, sowie eine Korrekturgrößen-Recheneinrichtung 38, die anhand einer
von der Regelabweichung-Recheneinrichtung 37 ausgegebenen
Regelabweichungsmeldung die Korrekturgröße berechnet, um die der Brenner 10
angehoben wird.
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Das Elektrodenabschmelz-/Brennerabstandsmeßglied 34 nimmt die von den
Spannungsmessern 24 und 26 ausgegebenen Spannungen e&sub1; und e&sub2; ab und berechnet
ausgehend davon die Abschmelzmenge der Elektrode 12, wobei das
Elektrodenabschmelz-Brennerabstandsmeßglied 34 an eine Anzeigeeinrichtung (nicht
dargestellt) ein der Abschmelzmenge entsprechendes Elektrodenabschmelzsignal ausgibt.
Des weiteren berechnet das Elektrodenabschmelz-/Brennerabstandsmeßglied 34 den Ist-
Brennerabstand H und gibt an die Regelabweichung-Recheneinrichtung 37 ein
dementsprechendes Brennerabstandssignal EH aus. Das Bezugsspannung-
Rechenstellglied 36 gibt an die Regelabweichung-Recheneinrichtung 37 ein
Bezugsspannungssignal E&sub0; aus, in dem Angaben über die Dicke und das Material des zu
schneidenden Werkstücks 18, die Düsenweite, den Sollbrennerabstand H&sub0; und die
Schneidgeschwindigkeit mitgeteilt werden.
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Die Korrekturgrößen-Recheneinrichtung 38 (siehe Fig. 1) speichert einen Netzplan für die
Ausgabe eines Korrekturspannungssignals ΔEH, dessen Niveau einer Abweichung ΔE
entspricht, an den Regler 30, damit dieser den Brenner 10 gemäß der Abweichung ΔE in
bezug auf die Bezugsspannung E&sub0; des von der Regelabweichung-Recheneinrichtung 37
ausgegebenen Brennerabstandssignals EH in den Sollbrennerabstand H&sub0; zurückführt.
Dies bedeutet, daß der durch die Korrekturgrößen-Recheneinrichtung 38 gespeicherte
Netzplan das Korrektursignal nicht ausgibt, wenn die Abweichung nicht innerhalb eines
vorgegebenen ersten Abweichungsbereichs ± ΔE&sub1; liegt. Befindet sich die Abweichung
ΔEH zwischen + ΔE&sub1; und + ΔE&sub2;, erfolgt die Ausgabe des Korrekturspannungsignals ΔEH,
mit dem die Anhebungsgeschwindigkeit des Brenners 10 proportional zur Abweichung
beschleunigt wird. Liegt die Abweichung ΔE zwischen - ΔE&sub1; und - ΔE&sub2;, erfolgt die
Ausgabe des Korrekturspannungssignals - ΔEH, mit dem die Absenkungsgeschwindigkeit
des Brenners 10 proportional zur Abweichung beschleunigt wird. Überschreitet die
Abweichung ΔE den zweiten Wert ± ΔE&sub2; wird das Korrekturspannungssignal ΔEH, mit
dem das Verhältnis der Anhebungs- bzw. Absenkungsgeschwindigkeit des Brenners 10
entsprechend der Abweichung weiter vergrößert wird, ausgegeben. Überschreitet die
Abweichung ΔE einen vorgegebenen dritten Wert ± ΔE3, wird erkannt, daß das Gerät auf
eine Störung getroffen ist, und der Brenner 10 daraufhin rasch aufwärts bewegt.
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Der Brennerabstand der so aufgebauten Plasmaschneidmaschine wird wie folgt geregelt:
Die Lichtbogenspannung wird proportional zum Wert des Brennerabstands geregelt. Der
Brennerabstand wird entsprechend der Dicke und des Materials des zu schneidenden
Werkstücks 18, der Weite der Düse 14 und der Schneidgeschwindigkeit ermittelt. Somit
berechnet das Bezugsspannung-Rechenstellglied 36 der Brennerabstandskorrektur-
Recheneinrichtung 28 entsprechend der nachstehenden Gleichung (1) eine
Lichtbogenspannung eo in bezug auf die Sollschneidgeschwindigkeit V&sub0; (mit 1 m/s
angenommen), wenn die Dicke und das Material des zu schneidenden Werkstücks 18,
der Sollbrennerabstand H&sub0; usw. von einer Tastatur oder einer Bedienungstafel (nicht
dargestellt) übermittelt werden:
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e&sub0; = {KS1 + KS2 (H&sub0; + Kt)} x KN ...(1)
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worin KS1, KS2, Kt und KN Faktoren sind, die aus Versuchen zu Dicke und Material des zu
schneidenden Werkstücks 18 usw. erhalten werden können, wobei diese Faktoren vorab
durch die Korrekturgrößen-Recheneinrichtung 38 als Tabelle (s. Fig. 5) eingespeichert
werden.
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Unter Umständen kann das Bezugsspannung-Rechenstellglied 36 so angeordnet sein,
daß die dem Brennerabstand entsprechende Lichtbogenspannung, die unter
Berücksichtigung der Werte von Dicke und Material des zu schneidenden Werkstücks 18,
Düsenweite und Schneidgeschwindigkeit ermittelt wird, darin in Form von Netzplänen
eingespeichert ist, die wie in Fig. 4 dargestellt aufgebaut sind, und wenn die
Bedingungen, beispielsweise die Dicke und das Material, zum Schneiden des zu
schneidenden Werkstücks 18 von der Bedienungstafel oder dgl. übermittelt werden, wird
ein den mitgeteilten Werten entsprechender Netzplan ausgewählt und ausgehend davon
die Bezugsspannung Eo ausgegeben, die anhand des Sollbrennerabstands Ho ermittelt
wird.
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An den Regler 30 ist vorab ein Schneidprogramm übermittelt worden, in dem die
Schnittform für das Werkstück 18 und die Schneidgeschwindigkeit festgelegt sind und
anhand dessen die Anhebevorrichtung 32 veranlaßt wird, den Brenner 10 abwärts bis zu
einer Position zu bewegen, an der die Lichtbogenspannung an der Elektrode 12 und dem
zu schneidenden Werkstück 18 eo beträgt. Auf diese Weise wird der Schneidarbeitsgang
eingeleitet.
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Hat der Schneidarbeitsgang begonnen, ermitteln die Spannungsmesser 24 bzw. 26 in
vorgegebenen Zeitabständen an der Elektrode 12 und dem Werkstück 18 die Ist-
Spannung e&sub1; und am Brenner 10 und dem zu schneidenden Werkstück 18 die Ist-
Spannung e&sub2; und übermitteln diese Werte an das Elektrodenabschmelz-
/Brennerabstandsmeßglied 34 der Brennerabstandskorrektur-Recheneinrichtung 28.
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Auch wenn der Sollbrennerabstand H&sub0; konstant gehalten wird, werden die
Lichtbogenspannungen e&sub1; und e&sub2; wie in Fig. 6 dargestellt infolge des Abschmelzens der
Elektrode verändert. Daher berechnet das Elektrodenabschmelz-
/Brennerabstandsmeßglied 34 die Elektrodenabschmelzkomponente Ep anhand der
nachstehenden Gleichung (2) und die Brennerabstandskomponente Es anhand der
Gleichung (3), um die Abschmelzmenge der Elektrode 12 anhand der vorstehenden
Gleichungen zu errechnen und daraufhin an eine Anzeigeeinrichtung oder dgl. (nicht
dargestellt), ein der Abschmelzmenge entsprechendes Elektrodenabschmelzsignal
auszugeben, das dann dort angezeigt wird:
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Ep=ae&sub1; + be&sub2; ...(2)
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Es=a&sub1;e&sub1; + b&sub1;e&sub2; ...(3)
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Anschließend gibt das Elektrodenabschmelz-/Brennerabstandsmeßglied 34 an die
Regelabweichung-Recheneinrichtung 37 das Brennerabstandssignal EH aus, das durch
Subtrahieren des Anteils der Spannungsanhebung als Folge des Abschmelzens der
Elektrode 12 (s. Fig. 6) aus der Ist-Spannung e&sub1; erhalten wird.
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Wenn der Brenner 10 zu schneiden beginnt, werden die durch einen
Schneidgeschwindigkeitssensor (nicht dargestellt) ermittelte Schneidgeschwindigkeit V
bzw. Schneidgeschwindigkeitsangaben (Schneidgeschwindigkeit V) vom Regler 30 an das
Bezugsspannung-Rechenstellglied 36 übermittelt. Das Bezugsspannung-Rechenstellglied
36 gleicht die Lichtbogenspannung eo an die ermittelte Schneidgeschwindigkeit V und gibt
dann die Bezugsspannung E&sub0; aus.
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Dies bedeutet, daß die Lichtbogenspannung e in einer Beziehung (s. Fig. 7) zur
Schneidgeschwindigkeit V steht und demzufolge gesenkt wird, wenn die
Schneidgeschwindigkeit V gesteigert wird, und erhöht wird, wenn die
Schneidgeschwindigkeit V verlangsamt wird. Somit bewirkt die Änderung der
Schneidgeschwindigkeit V selbst dann, wenn der Brenner bei dem Solibrennerabstand H&sub0;
gehalten wird, daß die von der Regelabweichung-Recheneinrichtung 37 auszugebende
Regelabweichung verändert wird. Dadurch wird der Brenner 10 von dem
Solibrennerabstand H&sub0; abgelenkt, wodurch sich die Schnittform verschlechtert.
Dementsprechend berechnet das Bezugsspannung-Rechenstellglied 36 aus dem in Fig. 7
dargestellten und entsprechend den Werten der Dicke und des Materials des zu
schneidenden Werkstücks 18, der Weite der Düse 14 und dem Sollbrennerabstand H&sub0; in
bezug auf die Schneidgeschwindigkeit V&sub0; eingespeicherten Netzplan eine zu korrigierende
Spannung Δe der erhaltenen Lichtbogenspannung e&sub0;, um sie an den Sollbrennerabstand
H&sub0; anzugleichen, und berechnet die Bezugsspannung E&sub0; wie folgt und gibt sie an die
Regelabweichung-Recheneinrichtung 37 aus:
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Eo=e&sub0; ± Δe ...(4)
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Dies bedeutet, daß dann, wenn die Schneidgeschwindigkeit V unter einen Sollpunkt
gesunken ist, ein durch Subtrahieren des Anteils der Spannungserhöhung Δe von e&sub0;
erhaltener Wert als die Bezugsspannung E&sub0; ausgegeben wird. Ist die
Schneidgeschwindigkeit V über einen Sollpunkt hinaus gestiegen, wird ein durch Addieren
eines Anteils einer Verminderung Δe auf e&sub0; als die Bezugsspannung E&sub0; ausgegeben. Hat
die Schneidgeschwindigkeit V allerdings 2 m/s überschritten, wird die Korrekturgröße Δe
konstant.
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Die Angleichung der Bezugsspannung E&sub0; an die Schneidgeschwindigkeit V kann mit Hilfe
der folgenden Berechnungen ausgeführt werden:
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wenn 0 < V ≤ KV2
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E&sub0; = e&sub0; - KV1 x (V - 1) ...(5)
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wenn V > KV2
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E&sub0; = e&sub0; -KV1 x (KV2 - 1) ...(6)
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worin KV1 und KV2 in Fig. 5 gezeigte Geschwindigkeitsfaktoren sind.
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Die Regelabweichung-Recheneinrichtung 37 berechnet die Regelabweichung ΔE des vom
Elektrodenabschmelz-/Brennerabstandsmeßglied 34 ausgegebenen
Brennerabstandsignals EH in bezug auf die Bezugsspannung E&sub0; und gibt sie dann an die
Korrekturgrößen-Recheneinrichtung 38 aus. Dies bedeutet, daß dann, wenn der
Brennerabstand des Brenners 10 größer geworden ist als der Sollbrennerabstand H&sub0; und
das Brennerabstandsignal EH größer ist als die Bezugsspannung E&sub0;, die
Regelabweichung-Recheneinrichtung 37 eine positive Regelabweichung + ΔE ausgibt, die
dem Niveau des Brennerabstandssignals EH entspricht. Im gegenteiligen Fall gibt sie eine
negative Regelabweichung - ΔE aus.
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Um den Brenner 10 entsprechend der übermittelten Regelabweichung ΔE gemäß der
Graphik in Fig. 1 rasch wieder in den Sollbrennerabstand Ho zu bringen, gibt die
Korrekturgrößen-Recheneinrichtung 38 an den Regler 30 das Korrekturspannungssignal
ΔEH aus. Bei Empfang des Korrekturspannungssignals ΔEH berechnet der Regler 30 die
Anhebungsgeschwindigkeit des Brenners 10 und das Maß der Anhebung des Brenners 10
und treibt die Anhebevorrichtung 32 an, damit sie den Brenner 10 soweit anhebt, daß er
wieder den Sollbrennerabstand H&sub0; einnimmt.
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Da die Geschwindigkeit des Anhebens des Brenners 10 wie vorstehend beschrieben
gemäß der Regelabweichung ΔE der ist-Spannung ei zwischen der Elektrode 12 und
dem zu schneidenden Werkstück 18 in bezug auf die Bezugsspannung E&sub0; erhöht wird,
kann der Brenner 10 auch dann rasch wieder in den Sollbrennerabstand H&sub0; geführt
werden, wenn der Brenner 10 von dem Sollbrennerabstand H&sub0; abgewichen ist, so daß
sich der Schneidarbeitsgang in zufriedenstellender Weise ausführen läßt. Des weiteren
wird in einem Abschnitt, in dem die Regelabweichung ΔE gering ist, ein unempfindlicher
Bereich gebildet, der das Korrektursignal nicht ausgibt, wodurch es möglich ist, eine
instabile Veränderung des Brenners 10 nahe dem Sollbrennerabstand H&sub0; zu verhindern
und dadurch eine ausgezeichnete Schnittfläche zu erreichen. Der Schneidarbeitsgang
kann darüber hinaus noch weiter optimiert werden, da die Veränderung der
Lichtbogenspannung infolge des Abschmelzens der Elektrode 12 und die gemäß der
Veränderung der Schneidgeschwindigkeit stattfindende Veränderung der
Lichtbogenspannung korrigiert werden. Zudem läßt sich eine Regelbereichsüberschreitung
des Brenners 10 verhindern, da das Verhältnis der Veränderung der Anhebung des
Brenners 10 um einen Betrag verringert wird, bei dem die Regelabweichung ΔE gering
ist. Als Alternative zur Ist-Spannung e&sub1; zwischen der Elektrode 12 und dem zu
schneidenden Werkstück 18 kann die Ist-Spannung e&sub2; zwischen der Düse 14 und dem zu
schneidenden Werkstück 18 zur Regelung des Sollbrennerabstands Ho genutzt werden.
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Nachfolgend wird nunmehr ein Anwendungsbeispiel dieser Ausführungsform unter
Bezugnahme auf ein in Fig. 8 gezeigtes Ablaufschema beschrieben. Das
Anwendungsbeispiel ist so aufgebaut, daß die ermittelten Spannungen e&sub1; und e&sub2;
gleichermaßen gemäß einer in Fig. 3 gezeigten Strichlinie an das Bezugsspannung-
Rechenstellglied 36 der Brennerabstandskorrektur-Recheneinrichtung 28 übermittelt
werden. Anhand der erfaßten Ist-Spannungen e&sub1; und e&sub2; berechnet das Bezugsspannung-
Rechenstellglied 36 die Bezugsspannung E&sub0;.
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Wird an den Regler 30 ein Befehl zum Beginn des Schneidens übermittelt, bewegt er den
Brenner 10 abwärts bis zu einem vorgegebenen Abstand zum zu schneidenden
Werkstück 18 (Schritt 150). Nachdem sich der Brenner abwärts bis zu der vorgegebenen
Höhe bewegt hat, betätigt der Regler 30 aufgrund der Tatsache, daß der Brenner 10 die
vorgegebene Höhe erreicht hat, einen Begrenzungsschalter (nicht dargestellt) (Schritt
152). Anschließend verlangsamt der Regler 30 die Abwärtsbewegung des Brenners 10,
bis dieser die Durchstoßhöhe eingenommen hat (Schritt 154), und der Durchstoßvorgang
wird ausgeführt (Schritt 156). Nach Abschluß des Durchstoßvorgangs bewegt der Regler
30 den Brenner 10 weiter nach unten bis zum Sollbrennerabstand H&sub0; (Schritt 158), und
der Schneidarbeitsgang wird eingeleitet (160). Der Sollbrennerabstand H&sub0; variiert je nach
der Dicke und dem Material des zu schneidenden Werkstücks 18, der Weite der Düse 14
usw., und ein vorher aus Versuchen oder dgl. erhaltener Wert ist von der Bedientafel oder
dgl. an den Regler 30 übermittelt worden. Wenn der Brenner 10 auf den
Solibrennerabstand H&sub0; eingestellt worden ist und der Schneidarbeitsgang begonnen hat,
ermitteln die Spannungsmesser 24 und 26 zu einem vorgegebenen Zeitpunkt (z.B. alle
0,1 Sekunden) die Spannung und übermitteln die festgestellten Spannungen e&sub1; und e&sub2; an
das Bezugsspannung-Rechenstellglied 36 und das
Elektrodenabschmelz-/Brennerabstandsmeßglied 34.
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Das Bezugsspannung-Rechenstellglied 36 liest die von den Spannungsmessern 24 und
26 ermittelte Ist-Spannung e&sub1; oder e&sub2; ein (Schritt 162) und stellt danach die
Bezugsspannung Eo ein (Schritt 164). Entsprechend dem Fortgang des
Schneidarbeitsgangs gibt das Bezugsspannung-Rechenstellglied 36 an die
Regelabweichung-Recheneinrichtung 37 die Bezugsspannung E&sub0; aus, die an die
Veränderung der Schneidgeschwindigkeit V angeglichen worden ist (Schritt 166). Auf der
anderen Seite gibt auch das Elektrodenabschmelz-/Brennerabstandsmeßglied 34 an die
Regelabweichung-Recheneinrichtung 37 das Brennerabstandssignal EH aus, das
entsprechend dem Abschmelzen der Elektrode 12 korrigiert worden ist. Im Anschluß
daran wird der Schneidarbeitsgang in ähnlicher Weise wie in der ersten Ausführungsform
durchgeführt. Ist der Schneidarbeitsgang abgeschlossen (Schritt 168), wird der Brenner
10 aufwärts bewegt (Schritt 170), und der Arbeitsgang ist beendet. indem, wie vorstehend
beschrieben, die Lichtbogenspannung zum Zeitpunkt des Beginns des
Schneidarbeitsgangs als Bezugsspannung E&sub0; eingesetzt wird, ist es möglich, dem Einfluß
des Abschmelzens der Elektrode zu begegnen und die Bezugsspannung E&sub0; problemlos
einzustellen.
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Zwar ist in der vorstehenden Ausführungsform die Plasmaschneidmaschine mit
übertragenem Lichtbogen beschrieben worden, doch kann es sich ebenso um eine
Schneidmaschine mit nichtübertragenem Lichtbogen handeln. Darüber hinaus läßt sich
die vorliegende Erfindung auch an eine Plasmaschweißmaschine anpassen. Der Netzplan
der Korrekturgrößen-Recheneinrichtung 38 wurde punktsymmetrisch zum Ausgangspunkt
angelegt, doch ist die Punktsymmetrie nicht in jedem Fall erforderlich. Insbesondere ist
der absolute Wert von - ΔE&sub3; vorzugsweise kleiner anzusetzen als der absolute Wert von
+ ΔE&sub3;, um sicherzustellen, daß das Problem des Kontakts des Brenners 10 mit dem zu
schneidenden Werkstück 18 vermieden wird. Des weiteren besteht die Möglichkeit, ΔE&sub1;,
ΔE&sub2;, ΔE&sub3; und die Neigung jeder in Fig. 1 gezeigten Strecke in Abhängigkeit von
Versuchsergebnissen beliebig festzulegen.
Anwendbarkeit für gewerbliche Zwecke
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Die vorliegende Erfindung eignet sich als Brennerabstandsregelverfahren und Gerät für
eine Plasmaschneidmaschine oder eine Schweißmaschine, denn sie ermöglicht es, einen
Schneidarbeitsgang zufriedenstellend auszuführen, da der Brennerabstand zwischen dem
Brenner und dem zu schneidenden Werkstück konstant gehalten werden kann, eine
Verschlechterung der Arbeitseffizienz auch dann zu verhindern, wenn ein
Doppellichtbogen erzeugt wird, und die Nutzungsgrenze der Elektrode auch bei
veränderten Schneidbedingungen zu ermitteln.