WO2001038033A1 - Verfahren und steuerungsvorrichtung zum lichtbogenschmelzschweissen - Google Patents

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WO2001038033A1
WO2001038033A1 PCT/DE2000/004035 DE0004035W WO0138033A1 WO 2001038033 A1 WO2001038033 A1 WO 2001038033A1 DE 0004035 W DE0004035 W DE 0004035W WO 0138033 A1 WO0138033 A1 WO 0138033A1
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workpiece
welding
welding electrode
arc
electrical
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PCT/DE2000/004035
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Inventor
Bernd Mann
Original Assignee
Isam-Inma Gesellschaft Für Angewandte Kybernetik Mbh
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K9/00—Arc welding or cutting
    • B23K9/10—Other electric circuits therefor; Protective circuits; Remote controls
    • B23K9/1006—Power supply
    • B23K9/1043—Power supply characterised by the electric circuit
    • B23K9/1056—Power supply characterised by the electric circuit by using digital means
    • B23K9/1062—Power supply characterised by the electric circuit by using digital means with computing means

Definitions

  • the invention relates to a control device and a method for arc fusion welding, in which at least one welding electrode and / or at least one workpiece is supplied with electrical power from a power source, so that an arc is formed between the at least one welding electrode and / or the at least one workpiece.
  • the distance between the welding electrode and the workpiece is continuously adjusted in a control loop so that the effective value of an electrical command variable does not leave a predetermined value range.
  • the welding voltage is regulated via the speed of the wire feed, i.e. the current source and the welding voltage are regulated via the length of the arc and thus ultimately via the speed of the wire feed.
  • the power of the source is tracked in order to maintain a constant welding current.
  • the residual ripple essentially arises from the fact that the TRMS value is determined over a fixed period of time (e.g. 200ms). If the time span is chosen too long and the determination is too slow, the control loop starts to vibrate and it is no longer possible to react sufficiently quickly to deviations. If the time span is chosen too short and the value is determined with a residual ripple that is too high, the controller must be designed accordingly soft.
  • the object of the present invention is to provide a control device and a method for arc fusion welding, by means of which the advance of the welding electrode and thus compliance with the specified values or reference variables can be achieved with much higher accuracy.
  • the present invention is based on the consideration not to further optimize the control system after determining the effective value (TRMS determination) and thus to try to compensate for the effects of a too slow actual value determination, but rather directly to measure the measured alternating voltage for the control system to use.
  • the curve shape of an electrical command variable e.g. the welding voltage with a predetermined frequency of e.g. 10 kHz sampled, so that there is a sequence of samples.
  • the electrical command variable is then broken down into waves (i.e. a Fourier analysis is carried out).
  • the effective value is determined digitally from the sampled values, whereby an adjustable number of waves is taken into account.
  • the residual ripple of the effective value which is always present due to the principle of the prior art methods, is eliminated because in the method according to the invention a number of samples (a time window) can be selected which (its length) is always an integer number of waves equivalent. This avoids that depending on the position of the time window above the curve shape of the electrical command variable, a different number of zero crossings and peak values are received when calculating the effective value; instead, exactly n full waves are always used to determine the effective value.
  • the inventive method for arc fusion welding in which at least one welding electrode and / or At least one workpiece is supplied with electrical power from a power source, so that an arc forms between the at least one welding electrode and / or the at least one workpiece, involves breaking down the curve shape of the electrical command variable into waves and calculating the effective value of the electrical command variable in one Central processor unit from the samples which correspond to a predetermined integer number of waves.
  • the electrical command variable is preferably an instantaneous voltage between the at least one welding electrode and the at least one workpiece or an instantaneous current that flows through the at least one welding electrode and the at least one workpiece.
  • the distance between the at least one welding electrode and the at least one workpiece is preferably adjusted by a PID control loop, with the I control of the PID control loop being switched on only after the arc has been ignited in a particularly preferred embodiment.
  • the power of the power source is tracked in a preferred embodiment of the method according to the invention.
  • the control of the power of the current source is preferably carried out as a function of a command power, so that there is the advantage over a voltage or a current as a command variable that the control can be designed in an integrated manner and thus a harder tracking of the current source is possible.
  • the control device for arc fusion welding, in which at least one welding electrode and / or at least one workpiece is supplied with electrical power from a power source, so that an arc is formed between the at least one welding electrode and / or the at least one workpiece, comprises a computing unit for Calculating the effective value with a central processor unit to break down the curve shape of the electrical command variable in waves and for calculating the effective value of the electrical command variable from the sample values which correspond to a predetermined integer number of waves.
  • the detection device for detecting the electrical reference variable is preferably a detection device for detecting an instantaneous voltage between the at least one welding electrode and the at least one workpiece or for detecting an instantaneous current which flows through the at least one welding electrode and the at least one workpiece.
  • the control device preferably comprises a PID controller for adjusting the distance between the at least one welding electrode and the at least one workpiece, a switching device for switching on the I controller after the arc is ignited being provided in a particularly preferred embodiment of the invention.
  • control device comprises a power input device for inputting a guide power and a power source power control for controlling the power of the power source as a function of the guide power.
  • a limiter device for limiting the feed signal for the wire feed is preferably provided in the control device according to the invention.
  • One advantage of the invention is that the purely digital determination of the effective or TRMS value is largely independent of the curve shape of the recorded values, ie, in contrast to most analog TRMS converters, the system does not have to be recalibrated if the waveform changes as a result of changes to the process or the power sources. This is particularly important for AC welding, since the curve shapes here deviate significantly from a uniform sine, square or other well-defined curve. In other words, the problems due to the jitter of the frequency and the measurement fensor in the prior art are exacerbated by the fertilized solved. In addition, the independence from the signal form means that a controller can be used for both DC and AC welding.
  • the method described here and the control device described here are also suitable for metal inert gas welding (MIG) and for metal activated gas welding (MAG).
  • Fig. 1 shows schematically the structure of a welding device with a control in arc fusion welding, in which the invention can be used.
  • FIG. 2 shows a preferred embodiment of the control device according to the invention.
  • FIG. 3 shows a preferred embodiment of a flow chart which is processed by the control device according to FIG. 2.
  • a control device for arc fusion welding is shown schematically.
  • electrical power is supplied from at least one welding electrode 3 and / or at least one workpiece 2 from a current source 1. If the voltage between workpiece (s) 2 and welding electrode (s) 3 is high enough, a discharge occurs and an arc is formed between the welding electrode 3 and the workpiece 2.
  • An arc can equally well be generated between two workpieces 2 to be welded, or other constellations for the person skilled in the art are conceivable in which an automated welding process can be used.
  • the circuit which is formed in the arc welding is shown in Fig. 1 by an arrow which is oval in itself.
  • the device according to FIG. 1 comprises a detection device 6 for detecting an instantaneous voltage between the at least one welding electrode 3 and the at least one workpiece 2. It is used to measure the instantaneous voltage V actual as a measure of the consumed Performance measured. If the workpiece 2 and the welding electrode 3 are relatively far apart, the voltage V actual between the two assumes a first value, and the current that flows between the workpiece 2 and the welding electrode 3 is relatively small.
  • the instantaneous voltage V actual is shown in FIG. 1 with two arrows.
  • the voltage V ⁇ st is referred to as the instantaneous voltage because, among other things, due to the irregular burning of the welding electrode 3, it is subject to small fluctuations which are in the upper frequency range, while the larger fluctuations due to the AC power supply are in the range of 50 Hz to 300 Hz depending on the power supply from the network.
  • the detection device 6 is connected to the welding electrode 3 and to the workpiece 2.
  • a computing unit 7 is used to determine an average voltage from the instantaneous voltage V ⁇ at . This determined mean value voltage corresponds to the distance between the at least one welding electrode 3 and the at least one workpiece 2.
  • the distance between the welding electrode 3 and the workpiece 2 is continuously tracked by a driving device with a motor 4 and drive rollers 5.
  • the distance control takes place in such a way that the mean value voltage, which was determined by the computing unit, does not leave a predetermined value range.
  • the detection device 6, the computing unit 7 and the propulsion device 4, 5 form a control loop.
  • This control loop is also designed to comply with specified limit values. If these limits are exceeded during the welding process, this leads to the welding circuit being stopped by the control loop.
  • Limit values include values for an overvoltage (wire stop; and for one Short-circuit current, ie undervoltage.
  • the detection device 6 for detecting an instantaneous voltage comprises a sample and hold element 6a and an analog-digital converter 6b for digitizing the sample values
  • the computing unit 7 is a central processor (not shown) - Unit for calculating the mean voltage from a predetermined number of digitized samples.
  • the analog voltage curve at the input of the detection device 6 can be "reconstructed" in the computing unit 7 and thus exact statements can be made about the frequency of the instantaneous voltage V 1SC and the zero crossings of the instantaneous voltage.
  • Typical settings for the calculation of the TRMS mean value are five full waves or 100ms.
  • a setpoint is specified via an input device 8 for a guide voltage.
  • An interval is preferably defined around the guide voltage, within which the actual voltage V actual , which is measured at the input of the detection device 6 , may move.
  • the guide voltage V soll is changeable and is input into the computing unit 7, which is shown in detail in FIG. 2.
  • the control device according to the invention for arc fusion welding the arc being formed here between the welding electrode 3, which is designed as a feedable wire, and the workpiece 2.
  • the method according to the invention is used in plasma welding.
  • the arc then forms essentially between a nozzle and the workpiece 2.
  • the arc is at least as a partially transmitting arc, vzw. as a fully transferring arc.
  • the welding electrode is then formed by the non-burnable tungsten electrode arranged inside the nozzle. The respective instantaneous voltage is then measured either between the nozzle and the workpiece or between the tungsten electrode and the workpiece.
  • the distance between the nozzle and thus the distance between the non-burnable tungsten electrode and the partially melting workpiece is then adjusted according to the method according to the invention.
  • the following explanations essentially relate now to the arc fusion welding shown in FIG. 1 with the corresponding wire feed, the method according to the invention also being used in plasma welding is applicable and the following explanations should therefore not only be limited to arc fusion welding.
  • the computing unit 7 comprises a PID controller 11.
  • this controller 11 the actual regulation of the distance between the at least one welding electrode 3 and the at least one workpiece 2 takes place.
  • the controller 11 is preferably implemented as software in the central processor unit , (Of course, the PID controller can also be constructed as hardware, which is particularly advantageous if particularly fast processes are to be recorded.)
  • the signal of the instantaneous voltage V actual, digitized by the detection device 6 in the sample and hold element 6a and the A / D converter 6b, is read into a first TRMS calculation stage 10 in the computing unit 7.
  • the TRMS mean value is calculated from the sequence of samples of the instantaneous voltage.
  • the output of the TRMS calculation stage 10 is also connected to the PID controller 11.
  • the output of the PID controller 11 is used directly (via the driver electronics 9) to advance the welding electrode 3.
  • the regulation takes place depending on whether the welding process is already in normal operation or is still in the initial phase. If the latter is the case, the I controller is only switched on by a switching device (not shown) after the arc has been ignited. In the other case, the controller 11 works as a P, I and D controller.
  • a limiter device 13 is preferably provided for limiting the output signal of the controller 11 for the wire feed.
  • the wire feed control is designed as a limited PID controller with two-stage controller enable.
  • the controller output is limited by the values Min and Max. Until ignition, Max is independent of the entered value. always set to zero to prevent the wire from accelerating too fast. To ensure a quick response, the I component is not updated as long as the controller output is limited by a limit.
  • the embodiment of the computing unit 7 according to the invention according to FIG. 2 has a second TRMS calculation stage 14 for calculating the mean value of the current currently flowing through the welding electrode 3.
  • a power input device (not shown) for inputting a guide power I soll is provided, as well as a current source characteristic calculation unit 15 and a power setpoint calculation unit 16.
  • the value for V actual is also read in the current source characteristic calculation unit 15.
  • the current source characteristic curve calculation unit 15 and the power setpoint calculation unit 16 serve to control the power of the current source 1 as a function of the reference power I target and output a reference voltage U- ref , which in turn is fed into the current source 1 (see FIG. 1).
  • step 17 the instantaneous voltage V ⁇ gt between the at least one welding electrode 3 and the at least one workpiece 2 is detected.
  • the mean value voltage is determined from the course of the instantaneous voltage, the mean value voltage corresponding to the distance between the at least one welding electrode 3 and the at least one workpiece 2.
  • the distance between the at least one welding electrode 3 and the at least one workpiece 2 in a control loop is then based on the mean value voltage, so that the mean value voltage does not leave a predetermined value range.
  • the determination of the mean value voltage as step 18 includes the sampling of the instantaneous voltage V ⁇ st by a sample and hold element 6a with a predetermined sampling frequency, so that a sequence of samples results.
  • this sequence of samples is digitized by an analog-digital converter 6b, and in step 20, the mean value voltage is calculated by the central processor unit in the computing unit 7 from a predetermined number of the digitized samples.
  • the regulation of the feed of the welding electrode 3 takes place after comparison of the calculated value of the mean value voltage with a target voltage. "Allowed" values of the mean value voltage lie in a predetermined interval around the changeable target voltage.
  • the distance between the at least one welding electrode 3 and the at least one workpiece 2 is adjusted by the PID control circuit described in connection with FIG. 2.
  • the I control of the PID control circuit is preferably only switched on after the arc has been ignited. If the ignition has not yet taken place, the method branches to step 22 after the ignition is queried in step 21. In this step 22, only the PD control takes place, and I control preferably does not take place. If, on the other hand, the welding process is already in normal operation, i.e. the ignition has already taken place and an arc has been generated between the electrode and the workpiece, so the distance between the electrode 3 and workpiece 2 is regulated in step 23 PID.
  • the digital TRMS determination in steps 17 to 20 is also followed by a digital PID controller, which has several other advantages over the conventional controller. has learning. It is crucial, however, that the actual value of the instantaneous voltage is digitized as described above and the full-wave information is used for the control.
  • the problem of starting the welding process can also be solved by applying the invention.
  • the basic principle of the wire feed controller is to compensate for a welding voltage that is too high by increasing the wire feed and a welding voltage that is too low by reducing the wire feed.
  • this is not possible in the ignition phase, since the open circuit voltage of the welding transformers is approx. 100% above the desired welding voltage and would therefore assume too high a value until the I component of the PID controller is ignited.
  • the feed rate is constant until the moment of ignition; at the moment of ignition, the wire feed controller is usually switched on via a current relay. This switching is naturally associated with a certain delay and thus contributes to the deterioration of the ignition process.
  • the wire feed controller is only released in the negative direction until the moment of ignition and the output of the controller is overlaid with the ignition feed. At the moment of ignition, the controller is already active and can intercept the wire. Only then is the second stage released, ie a positive result of the wire feed controller is superimposed on the ignition feed and the I component is updated from this point in time. Furthermore, the control can be better protected against unintentional oscillation by digitizing the detected instantaneous voltage. PID controllers according to the prior art can either be set hard or soft, ie their reaction to short-term changes in the actual value occurs quickly and with a large change in the manipulated variable or correspondingly more slowly and with a smaller change.
  • a controller optimally set for the normal welding process overreacts to a brief interruption of the welding voltage (eg when welding over the transverse seam on the spiral tube) and accelerates the wire up to the short circuit.
  • the resulting welding error is greater than would be required by the triggering event.
  • the controller according to the invention determines from the wire feed of the last x seconds (where x is of the order of 5 seconds) with the correct welding voltage an upper barrier for the wire feed, which must not be exceeded in the event of short-term deviations in the welding voltage. This contributes significantly to the stability of the welding process in the event of sudden external disturbances.
  • the invention thus creates an adaptive controller limitation during the welding process.
  • the voltage and current regulator is used in an integrated form.
  • the current is controlled independently of the voltage control or the wire feed.
  • the current regulator can only be designed so hard that it is not caused to oscillate due to the voltage-related deviation of the welding current.
  • the integrated controller according to the invention does not take into account fluctuations in the welding current caused by voltage deviations with constant power of the source, and thus a much harder tracking of the power source power is possible in order to achieve the desired welding current.
  • the control according to the invention can be easily integrated into a stationary system for regulation, visualization, operation and long-term archiving, which is preferably in is divided into three function blocks. Part of the procedure runs on each block. This involves 1) recording measured values, visualizing and operating and configuring the measuring system, 2) processing data and 3) displaying measured values, configuring the measuring system and for long-term archiving of the stored data.
  • the control of the arc and the welding voltage is tracked via the welding current in the external control loop.
  • the current value is tracked as an adaptive, characteristic-based intensity control.
  • a control quality of better than +/- 1V and +/- 10A is typically achieved.
  • the measurement data required for control are fed in at the analog inputs as voltage values from -5V to + 5V and at the digital inputs as potential-free contacts.
  • a converter converts the various input variables to the standard potential. They are also galvanically isolated there. On this converter are e.g. for a machine with one DC and 4 AC current sources, the inputs described below are available.
  • a first input is provided for the welding voltage V actual with a voltage input + 120VDC, the respective effective values being calculated digitally as True RMS and any DC offset that may be present being included in the calculation.
  • a voltage input (DC) and a current input (AC) are provided for the current measurement of I actual .
  • the welding speed is read in via a voltage input
  • the wire feed is read in via a voltage input
  • the current through the wire feed motor is recorded via the voltage input.
  • Ten analog outputs are available for the regulation of the wire feed speed and the current, namely five voltage outputs for the speed of the wire feed motor and five voltage outputs for the intensity of the current source.
  • the voltage outputs directly control the converters of the servomotors 4, 5 and the remote input U ref of the current source 1.
  • welding speed in meters per minute with permissible deviation downwards and upwards in cm / minute welding voltage in volts with permissible tolerance downwards and upwards
  • welding current I should be in amperes with permissible tolerance downwards and upwards. Further parameters are ignition feed and a reduction in the welding speed at the end of the weld.
  • the welding process is automatically terminated in this embodiment.
  • the automatic and continuous monitoring of the welding process enables not only the improved control quality, but also an improvement in quality and the achievement of a constant quality of production for different operators.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Lichtbogenschmelzschweißen und eine Steuerungsvorrichtung dafür, wobei mindestens einer Schweißelektrode (3) und/oder mindestens einem Werkstück (2) von einer Stromquelle (1) elektrische Leistung zugeführt wird, so dass sich zwischen der mindestens einen Schweißelektrode (3) und/oder dem mindestens einen Werkstück (2) ein Lichtbogen ausbildet. Um eine genauere Nachführung der Schweißelektrode zu ermöglichen, erfolgt erfindungsgemäß ein Zerlegen der Kurvenform der elektrischen Führungsgröße (Vist) in Wellen und ein Berechnen (20) des Effektivwerts der elektrischen Führungsgröße (Vist) in einer Zentralprozessoreinheit aus den Abtastwerten, die einer vorgegebenen ganzen Zahl von Wellen entsprechen.

Description

Verfahren und Steuerungsvorrichtung zum Lichtbogenschmelzschweißen
Die Erfindung betrifft eine Steuerungsvorrichtung und ein Verfahren zum Lichtbogenschmelzschweißen, bei dem mindestens einer Schweißelektrode und/oder mindestens einem Werkstück von einer Stromquelle elektrische Leistung zugeführt wird, so dass sich zwischen der mindestens einen Schweißelektrode und/oder dem mindestens einen Werkstück ein Lichtbogen ausbildet . Der Abstand zwischen der Schweißelektrode und dem Werkstück wird in einem Regelkreis fortlaufend angepasst, so dass der Effektiv- wert einer elektrischen Führungsgröße einen vorgegebenen Wertebereich nicht verlässt.
Für das Lichtbogenschmelzschweißen bzw. das Elektroschweißen von Blechen werden verschiedene Verfahren eingesetzt, die zum Teil mit konstantem Vorschub des Schweißdrahtes und zum Teil sowohl mit konstanter Spannung als auch mit konstantem Schweißstrom arbeiten. Bei diesen im folgenden beschriebenen Verfahren wird die Schweißspannung über die Geschwindigkeit des Drahtvorschubes geregelt, d.h. die Stromquelle und die Schweißspannung wird über die Länge des Lichtbogens und damit letztendlich über die Geschwindigkeit des Drahtvorschubes geregelt . Von dieser Spannungsregelung unabhängig und um einige Größenordnungen langsamer wird die Leistung der Quelle nachgeführt, um so auch einen konstanten Schweißstrom zu erhalten.
Es muss dabei zwischen Gleichstrom- und Wechselstromschweißen unterschieden werden.
Beim Gleichstromschweißen erhält man mittels einer Sechs- Wege-Gleichrichtung eine Schweißspannung mit einer relativ geringen Restwelligkeit , deren Frequenz bei 50 Hz Netzspannung 300 Hz beträgt. Diese Spannung ist lediglich etwas zu glätten und kann dann als Istwert für die Drahtvorschubregelung verwendet werden. Beim Wechselstromschweißen hat die Schweißspannung im allgemeinen die gleiche Frequenz wie die Netzfrequenz, und es muss zunächst ein geeigneter Effektivwert als Eingangsgröße für die Regelung ermittelt werden. Da letztendlich die eingebrachte Leistung maßgeblich für den Schweißprozess ist, wird im allgemeinen ein Effektivwert verwendet. Bei der Ermittlung dieses sog. True-RMS- (true root mean square-) Wertes, d.h. der Wurzel aus der Summe der Quadrate der einzelnen Messwerte, dividiert durch deren Anzahl, steht man mit konventionellen Verfahren vor der Schwierigkeit, dass man den Wert entweder genau, dafür aber mit einer Verzögerung, oder schnell, dafür aber mit einer Rest- welligkeit, ermitteln kann.
Die Restwelligkeit entsteht im wesentlichen dadurch, dass die Ermittlung des TRMS-Wertes über eine feste Zeitspanne (z.B. 200ms) erfolgt. Wählt man die Zeitspanne zu groß und erfolgt die Ermittlung zu langsam, gerät der Regelkreis ins Schwingen und es ist eine hinreichend schnelle Reaktion auf Abweichungen nicht mehr möglich. Wählt man die Zeitspanne zu klein und ermittelt den Wert mit einer zu hohen Restwelligkeit, muss der Regler entsprechend weich ausgelegt werden.
Diese Problematik führt dazu, dass Drahtvorschubregler nach dem Stand der Technik die Schweißspannung bezogen auf einen ls gleitenden Mittelwert beispielsweise bei Unter-Pulver- (UP-) Schweißen für die Rohrherstellung mit typischen Schweißparametern von 35V/1000A nur in der Größenordnung von einigen V genau regeln können und zudem auf größere Abweichungen des Prozesses nur relativ langsam reagieren.
Eine weitere Konsequenz aus diesem Regelverhalten nach dem Stand der Technik ist es, dass bei der Nachführung der Leistung der außen überlagerte Stromregler relativ weich ausgelegt wer- den muss, damit er durch die spannungsbedingten Stromschwankungen (die Quelle selbst hält lediglich die Leistung konstant) nicht ins Schwingen gerät. Das Ergebnis sind beim UP- Schweißen für die Rohrherstellung mit typischen Schweißparametern von 35V/1000A Stromschwankungen im Bereich von +/- 50A. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Steuerungs- vorrichtung und ein Verfahren zum Lichtbogenschmelzschweißen zu schaffen, womit der Vorschub der Schweißelektrode und damit die Einhaltung der Vorgabewerte bzw. Führungsgrößen mit sehr viel höherer Genauigkeit erreichbar ist.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren und eine Steuerungs- vorrichtung zum Lichtbogenschmelzschweißen nach Anspruch 1 bzw. Anspruch 9 gelöst, wobei bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche sind.
Die vorliegende Erfindung beruht auf der Überlegung, nicht weiter an der nach der Ermittlung des Effektivwertes (TRMS- Er- mittlung) liegenden Regelung zu optimieren und so zu versuchen, die Effekte einer zu langsamen Istwertermittlung zu kompensieren, sondern direkt die gemessene Wechselspannung für die Regelung zu verwenden. Hierzu wird die Kurvenform einer elektrischen Führungsgröße wie z.B. der Schweißspannung mit einer vor- gegebenen Frequenz von z.B. 10kHz abgetastet, so dass sich eine Folge von Abtastwerten ergibt. Anhand der Folge von Abtastwerten wird die elektrische Führungsgröße anschließend in Wellen zerlegt (d.h. es wird eine Fourier-Analyse durchgeführt). Der Effektivwert wird aus den Abtastwerten digital ermittelt, wobei eine einstellbare Zahl von Wellen berücksichtigt wird. Die Restwelligkeit des Effektivwertes, die prinzipbedingt bei den Verfahren nach dem Stand der Technik immer vorhanden ist, entfällt dadurch, weil bei dem erfindungsgemäßen Verfahren eine Anzahl an Abtastwerten (ein Zeitfenster) gewählt werden kann, die (dessen Länge) immer einer ganzen Zahl an Wellen entspricht. Damit wird vermieden, dass je nach Lage des Zeitfensters über der Kurvenform der elektrischen Führungsgröße eine unterschiedliche Anzahl an Nulldurchgängen und Spitzenwerten bei der Berechnung des Effektivwertes eingeht, es werden statt dessen immer genau n Vollwellen für die Ermittlung des Effektivwertes verwendet.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Lichtbogenschmelzschweißen, bei dem mindestens einer Schweißelektrode und/oder indes- tens einem Werkstück von einer Stromquelle elektrische Leistung zugeführt wird, so dass sich zwischen der mindestens einen Schweißelektrode und/oder dem mindestens einen Werkstück ein Lichtbogen ausbildet, beinhaltet das Zerlegen der Kurvenform der elektrischen Führungsgröße in Wellen und das Berechnen des Effektivwerts der elektrischen Führungsgröße in einer Zentral- Prozessoreinheit aus den Abtastwerten, die einer vorgegebenen ganzen Zahl von Wellen entsprechen.
Die elektrische Führungsgröße ist bei dem Verfahren vorzugsweise eine Momentanspannung zwischen der mindestens einen Schweißelektrode und dem mindestens einen Werkstück bzw. ein Momentanstrom, der durch die mindestens eine Schweißelektrode und das mindestens eine Werkstück fließt.
Vorzugsweise erfolgt das Anpassen des Abstandes zwischen der mindestens einen Schweißelektrode und dem mindestens einen Werkstück durch einen PID- Regelkreis, wobei bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform die I -Regelung des PID- Regel- kreises erst nach dem Zünden des Lichtbogens zugeschaltet wird.
Neben dem Abstand zwischen der mindestens einen Schweißelektrode und dem mindestens einen Werkstück wird bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens die Leistung der Stromquelle nachgeführt. Die Steuerung der Leistung der Stromquelle erfolgt vorzugsweise in Abhängigkeit von einer Führungsleistung, so dass sich gegenüber einer Spannung oder eines Stroms als Führungsgröße der Vorteil ergibt, dass die Regelung integriert ausgelegt werden kann und damit eine härtere Nachführung der Stromquelle möglich wird.
Die erfindungsgemäße Steuerungsvorrichtung zum Lichtbogenschmelzschweißen, bei dem mindestens einer Schweißelektrode und/oder mindestens einem Werkstück von einer Stromquelle e- lektrische Leistung zugeführt wird, so dass sich zwischen der mindestens einen Schweißelektrode und/oder dem mindestens einen Werkstück ein Lichtbogen ausbildet, umfasst eine Recheneinheit zum Berechnen des Effektivwerts mit einer Zentralprozessoreinheit zum Zerlegen der Kurvenform der elektrischen Führungsgröße in Wellen und zum Berechnen des Effektivwerts der elektrischen Führungsgrδße aus den Abtastwerten, die einer vorgegebenen ganzen Zahl von Wellen entsprechen.
Bevorzugt ist die Erfassungsvorrichtung zum Erfassen der e- lektrischen Führungsgröße eine Erfassungsvorrichtung zum Erfassen einer Momentanspannung zwischen der mindestens einen Schweißelektrode und dem mindestens einen Werkstück bzw. zum Erfassen eines Momentanstrom, der durch die mindestens eine Schweißelektrode und das mindestens eine Werkstück fließt.
Vorzugsweise umfasst die Steuerungsvorrichtung einen PID- Regler für das Anpassen des Abstandes zwischen der mindestens einen Schweißelektrode und dem mindestens einen Werkstück, wo- bei bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung eine Schaltvorrichtung zum Zuschalten des I -Reglers nach dem Zünden des Lichtbogens vorgesehen ist.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die Steuerungsvorrichtung eine Leistungseingabevorrichtung zur Eingabe einer Führungs1eistung und eine Stromquellenleistungssteuerung zum Steuern der Leistung der Stromquelle in Abhängigkeit von der Führungsleistung.
Ausgangsseitig ist bei der erfindungsgemäßen Steuerungsvorrichtung vorzugsweise eine Begrenzereinrichtung zum Begrenzen des Vorschubsignals für den Drahtvorschub vorgesehen.
Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die rein digi- tale Ermittlung des Effektiv- bzw. TRMS-Wertes weitestgehend unabhängig von der Kurvenform der erfassten Werte ist, d.h. im Unterschied zu den meisten analogen TRMS-Wandlern muss das System nicht nachkalibriert werden, wenn sich durch Änderungen am Prozess oder an den Stromquellen die Signalformen ändern. Dies ist insbesondere beim Wechselstromschweißen wichtig, da die Kurvenformen hier erheblich von einer gleichmäßigen Sinus, Rechteck oder sonst wohldefinierten Kurve abweichen. Mit anderen Worten, die Probleme aufgrund des Jitters der Frequenz und des Messfenscers beim Stand der Technik werden durch die Ξrfin- düng gelöst. Zudem lässt sich durch die Unabhängigkeit von der Signalform ein Regler gleichermaßen für Gleich- und Wechselstromschweißen einsetzen. Hierbei eignet sich das hier geschilderte Verfahren bzw. die hier geschilderte Steuerungseinrich- tung auch für das Metall-Inertgas-Schweißen (MIG) sowie für das Metall-Activgas-Schweißen (MAG) .
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung zeichnerisch dargestellter Ausfüh- rungsformen.
Fig. 1 zeigt schematisch den Aufbau einer Schweißvorrichtung mit einer Steuerung beim Lichtbogenschmelzschweißen, bei der die Erfindung eingesetzt werden kann.
Fig. 2 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Steuerungsvorrichtung.
Fig. 3 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform eines Flussdiagramms, das von der Steuerungsvorrichtung nach Fig. 2 abgearbeitet wird.
In Fig. 1 ist schematisch eine Steuerungsvorrichtung zum Lichtbogenschmelzschweißen gezeigt. Hierbei wird von einer Stromquelle 1 mindestens einer Schweißelektrode 3 und/oder mindestens einem Werkstück 2 elektrische Leistung zugeführt. Ist die Spannung zwischen Werkstück (en) 2 und Schweißelektrode (n) 3 groß genug, so kommt es zu einer Entladung, und es bildet sich zwischen der Schweißelektrode 3 und dem Werkstück 2 ein Lichtbogen aus. Ebenso gut kann ein Lichtbogen zwischen zwei zu verschweißenden Werkstücken 2 erzeugt werden, oder es sind andere Konstellationen für den Fachmann denkbar, bei denen ein automatisiertes Schweißverfahren einsetzbar ist. Der Stromkreis, der sich bei dem Lichtbogenschweißen bildet, ist in Fig. 1 durch einen in sich oval geschlossenen Pfeil dargestellt.
Um die Schweißelektrode 3 optimal nachführen zu können, so dass es einerseits nicht zu einer Unterbrechung der Entladung kommt und andererseits nicht ein zu hoher Strom fließt, umfasst die Vorrichtung nach Fig. 1 eine Erfassungsvorrichtung 6 zum Erfassen einer Momentanspannung zwischen der mindestens einen Schweißelektrode 3 und dem mindestens einen Werkstück 2. Mit ihr wird die momentane Spannung Vlst als Maß für die verbrauchte Leistung gemessen. Sind das Werkstück 2 und die Schweißelektrode 3 relativ weit voneinander entfernt, nimmt die Spannung Vlst zwischen den beiden einen ersten Wert an, und der Strom, der zwischen Werkstück 2 und Schweißelektrode 3 fließt, ist relativ gering. Bringt man die Schweißelektrode 3 näher an das Werkstück 2 heran, wird der Strom größer, und bei konstant gehaltener Leistung der Stromquelle 1 sinkt die Spannung Vιst zwischen der Schweißelektrode 3 und dem Werkstück entsprechend. Die Momentanspannung Vlst ist in Fig. 1 mit zwei Pfeilen dargestellt. Die Spannung Vιst wird als Momentanspannung bezeichnet, da sie u.a. aufgrund des unregelmäßigen Abbrennens der Schweißelektrode 3 kleinen Schwankungen unterworfen ist, die im oberen Frequenzbereich liegen, während die größeren Schwankungen aufgrund der Wechselstromversorgung je nach Stromversorgung vom Netz im Bereich von 50Hz bis 300Hz liegen. Um diese Momentanspannung V1st zu messen, ist die Erfassungsvorrichtung 6 mit der Schweißelektrode 3 und mit dem Werkstück 2 verbunden. Eine Recheneinheit 7 dient zum Ermitteln einer Mittelwertspannung aus der Momentanspannung Vιat . Diese ermittelte Mittelwertspannung ent- spricht dem Abstand zwischen der mindestens einen Schweißelektrode 3 und dem mindestens einen Werkstück 2.
Der Abstand zwischen der Schweißelektrode 3 und dem Werkstück 2 wird fortlaufend durch eine Vortriebsvorrichtung mit einem Motor 4 und Antriebsrollen 5 nachgeführt. Die Abstandsregelung erfolgt dabei derart, dass die Mittelwertspannung, die von der Recheneinheit ermittelt wurde, einen vorgegebenen Wertebereich nicht verlässt. Mit anderen Worten, die Erfassungsvorrichtung 6, die Recheneinheit 7 und die Vortriebsvorrichtung 4, 5 bilden einen Regelkreis. Dieser Regelkreis ist auch auf die Einhaltung von vorgegebenen Grenzwerten ausgelegt. Werden diese Grenzwerte beim Schweißvorgang überschritten, so führt dies zum Schweißabbruch durch den Regelkreis . Grenzwerte sind u.a. Werte für eine Überspannung (Drahtstop; und für einen Kurzschlussstrom, d.h. Unterspannung. Damit kann es zu einem Schweißabbruch wegen Überspannung kommen, wenn der Grenzwert (Spannung und Dauer) für Überspannung (Drahtstop) überschritten wird, oder zu einem Schweißabbruch wegen Kurzschluss, wenn der Grenzwert (Spannung und Dauer) für Unterspannung (Kurzschluss) überschritten wird.
Bei der obigen Steuerung hängt die Genauigkeit der Nachführung der Schweißelektrode 3 davon ab, wie genau der Regelkreis arbeitet. Beim Stand der Technik wurde daher bisher versucht, die Restwelligkeit bei dem Nachführen der Schweißelektrode 3 durch immer aufwendigere Regelkreise zu verringern.
Erfindungsgemäß wird dagegen als verbesserte und kostengüns- tigere Lösung vorgeschlagen, dass zum Ermitteln der Mittelwertspannung die Erfassungsvorrichtung 6 zum Erfassen einer Momentanspannung ein Abtasthalteglied 6a und einen Analog- Digital- Wandler 6b zum digitalisieren der Abtastwerte umfasst und die Recheneinheit 7 eine (nicht dargestellte) Zentralprozessorein- heit zum Berechnen der Mittelwertspannung aus einer vorgegebenen Anzahl der digitalisierten Abtastwerte umfasst . Durch die Erfassung der Momentanspannung zwischen der Schweißelektrode 3 und dem Werkstück 2 mit dem Abtasthalteglied 6a kann der abgetastete Wert mit dem Analog- Digital- Wandler 6b digitalisiert werden und anschließend rein digital weiterverarbeitet werden, was vielerlei Vorteile mit sich bringt, so z.B. Filterung von Rauschen etc., so dass auch spätere Störeinflüsse eliminiert werden können. Die Abtastung durch das Abtasthalteglied 6a erfolgt dabei mit einer vorgegebenen Abtastfrequenz, die vorzugs- weise im Bereich von etwa 10kHz liegt.
Mit den digitalisierten Daten kann in der Recheneinheit 7 der analoge Spannungsverlauf am Eingang der Erfassungsvorrichtung 6 "rekonstruiert" werden und damit exakte Aussage über die Frequenz der Momentanspannung V1SC und die Nulldurchgänge der Momentanspannung gemacht werden. Mit dieser Information ist eine konstante und genaue Bestimmung des TRMS-Mittelwertes der Momentanspannung und somit eine präzise Nachführung der Schweiß- elektrode 3 möglich. Typische Einstellungen für die Berechnung des TRMS-Mittelwertes sind fünf Vollwellen bzw. 100ms.
Die Nachführung der Schweißelektrode 3, die auf dem tatsäch- liehen Abstand von dem Werkstück 2 basiert, der seinerseits durch die TRMS-Mittelwertbildung der Momentanspannung Vιst bestimmt wurde, erfolgt über eine Treiberelektronik 9, die einen Motor 4 je nach Regelausgang der Recheneinheit 7 ansteuert.
Die Vorgabe eines Sollwertes erfolgt bei dieser in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform über eine Eingabevorrichtung 8 für eine FührungsSpannung. Vorzugsweise wird um die Führungs- Spannung ein Intervall definiert, innerhalb dessen sich die Istspannung Vlst bewegen darf, die am Eingang der Erfassungsvor- richtung 6 gemessen wird. Die FührungsSpannung Vsoll ist veränderbar und wird in die Recheneinheit 7 eingegeben, die im einzelnen in Fig. 2 dargestellt ist.
Fig. 1 zeigt nun die erfindungsgemäße Steuervorrichtung für das Lichtbogenschmelzschweißen, wobei sich hier der Lichtbogen zwischen der Schweißelektrode 3, die als vorschiebbarer Draht ausgeführt ist, und dem Werkstück 2 ausbildet. Denkbar ist aber auch, daß das erfindungsgemäße Verfahren beim Plasmaschweißen angewendet wird. Hierbei bildet sich dann der Lichtbogen im we- sentlichen zwischen einer Düse und dem Werkstück 2 aus. In diesem Fall ist der Lichtbogen zumindest als teilübertragender Lichtbogen, vzw. als vollständig übertragender Lichtbogen ausg- bilde . Beim Plasmaschweißen wird die Schweißelektrode dann durch die innerhalb der Düse angeordnete, nicht abbrennbare Wolframelektrode gebildet. Die jeweilige Momentanspannung wird dann entweder zwischen der Düse und dem Werkstück oder zwischen der Wolframelektrode und dem Werkstück gemessen. Mit Hilfe einer entsprechenden Vorrichtung wird dann der Abstand der Düse und damit der Abstand der nicht abbrennbaren Wolframelektrode zum teilweise schmelzenden Werkstück gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren angepaßt. Die folgenden Ausführungen beziehen sich im wesentlichen nun auf das in Fig. 1 dargestellte Lichtbogenschmelzschweißen mit dem entsprechenden Drahtvorschub, wobei das erfindungsgemäße Verfahren auch beim Piasmaschweißen anwendbar ist und sich die folgenden Ausführungen daher nicht nur auf das Lichtbogenschmelzschweißen beschränken sollen.
Die Recheneinheit 7 nach Fig. 2 umfasst einen PID-Regler 11. In diesem Regler 11 erfolgt die eigentliche Regelung des Ab- standes zwischen der mindestens einen Schweißelektrode 3 und dem mindestens einen Werkstück 2. Der Regler 11 ist vorzugsweise als Software in der Zentralprozessoreinheit implementiert. (Selbstverständlich kann der PID-Regler aber auch als Hardware aufgebaut sein, was insbesondere dann von Vorteil ist, wenn besonders schnelle Vorgänge erfasst werden sollen.)
Neben der FührungsSpannung Vsoll wird das von der Erfassungs- vorrichtung 6 in dem Abtasthalteglied 6a und dem A/D-Wandler 6b digitalisierte Signal der Momentanspannung Vlst in eine erste TRMS-Berechnungsstufe 10 in der Recheneinheit 7 eingelesen. In dieser wird der TRMS-Mittelwert aus der Folge von Abtastwerten der Momentanspannung berechnet. Der Ausgang der TRMS- Berechnungsstufe 10 ist ebenfalls mit dem PID-Regler 11 verbunden.
Der Ausgang des PID-Reglers 11 wird direkt (über die Treiberelektronik 9) für den Vorschub der Schweißelektrode 3 herangezogen. Dabei erfolgt in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung die Regelung in Abhängigkeit davon, ob der Schweiß- Vorgang bereits im Normalbetrieb ist oder noch in der Anfangs- phase. Ist letzteres der Fall, so wird durch eine (nicht dargestellte) Schaltvorrichtung der I-Regler erst nach dem Zünden des Lichtbogens zugeschaltet. Im anderen Fall arbeitet der Regler 11 als P-, I- und D-Regler.
Damit es nicht zu übergroßen Nachregelungen des Systems und damit u.U. zum Schwingen des Systems kommt, ist vorzugsweise eine Begrenzereinrichtung 13 zum Begrenzen des Ausgangssignals des Reglers 11 für den Drahtvorschub vorgesehen.
Mit anderen Worten, die Drahtvorschubregelung ist als begrenzter PID-Regler mit zweistufiger Reglerfreigabe ausgeführt. Der Reglerausgang wird durch die Werte Min und Max beschränkt. Bis zum Zünden ist Max unabhängig von dem eingegebenen Wert im- mer gleich Null gesetzt, um ein Hochbeschleunigen des Drahtes zu verhindern. Um eine schnelle Reaktion zu gewährleisten, wird der I -Anteil nicht aktualisiert, solange der Reglerausgang durch einen Grenzwert limitiert wird.
Wie bereits oben erwähnt wird zum Kompensieren von Schwankungen mit größerer Periodendauer vorzugsweise die Leistung der Stromquelle 1 nachgeregelt. Dazu weist die Ausführungsform der erfindungsgemäßen Recheneinheit 7 nach Fig. 2 eine zweite TRMS- Berechnungsstufe 14 für die Berechnung des Mittelwertes des momentan durch die Schweißelektrode 3 fließenden Stroms auf. Außerdem ist eine (nicht dargestellte) Leistungseingabevorrichtung zur Eingabe einer Führungsleistung Isoll vorgesehen sowie eine Stromquellenkennlinienberechnungseinheit 15 und eine Leis- tungssollwertberechnungseinheit 16. In der Stromquellenkennli- nienberechnungseinheit 15 wird außer dem Wert für lιat auch der Wert für Vlst eingelesen. Die Stromquellenkennlinienberechnungs- einheit 15 und die Leistungssollwertberechnungseinheit 16 dienen zum Steuern der Leistung der Stromquelle 1 in Abhängigkeit von der Führungsleistung Isoll und geben eine Referenzspannung U- ref aus, die wiederum in die Stromquelle 1 eingespeist wird (s. Fig. 1) .
Im folgenden wird anhand Fig. 3 der Ablauf des erfindungsge- mäßen Verfahrens zum Lichtbogenschmelzschweißen erläutert.
Das Verfahren weist die im folgenden erläuterten Schritte auf. In Schritt 17 wird die Momentanspannung Vιgt zwischen der mindestens einen Schweißelektrode 3 und dem mindestens einen Werkstück 2 erfasst. Aus dem Verlauf der Momentanspannung wird die Mittelwertspannung ermittelt, wobei die Mittelwertspannung dem Abstand zwischen der mindestens einen Schweißelektrode 3 und dem mindestens einen Werkstück 2 entspricht.
Der Abstand zwischen der mindestens einen Schweißelektrode 3 und dem mindestens einen Werkstück 2 in einem Regelkreis erfolgt dann anhand der Mittelwertspannung, so dass die Mittelwertspannung einen vorgegebenen Wertebereich nicht verlässt. Um Schwankungen zu vermeiden und die Nachführung möglichst genau zu machen, wurde bisher versucht, die Regelung feiner zu machen. Das bedeutet jedoch, dass der Aufwand in Hardware bzw. in Software weiter steigt. Erfindungsgemäß wird dagegen vorge- schlagen, die Regelung im wesentlichen digital durchzuführen. Dazu umfasst das Ermitteln der Mittelwertspannung als Schritt 18 das Abtasten der Momentanspannung Vιst durch ein Abtasthalteglied 6a mit einer vorgegebenen Abtastfrequenz, so dass sich eine Folge von Abtastwerten ergibt. In Schritt 19 wird diese Folge von Abtastwerten durch einen Analog-Digital-Wandler 6b digitalisiert, und in Schritt 20 wird die Mittelwertspannung durch die Zentralprozessoreinheit in der Recheneinheit 7 aus einer vorgegebenen Anzahl der digitalisierten Abtastwerte berechnet .
Die Regelung des Vorschubs der Schweißelektrode 3 erfolgt nach Vergleich des berechneten Wertes der Mittelwertspannung mit einer Sollspannung. Dabei liegen "erlaubte" Werte der Mittelwertspannung in einem vorgegebenen Intervall um die verän- derbare Sollspannung.
Das Anpassen des Abstandes zwischen der mindestens einen Schweißelektrode 3 und dem mindestens einen Werkstück 2 erfolgt durch den in Zusammenhang mit Fig. 2 beschriebenen PID- Regel - kreis. Dabei wird vorzugsweise die I-Regelung des PID- Regelkreises erst nach dem Zünden des Lichtbogens zugeschaltet. Ist also das Zünden noch nicht erfolgt, so verzweigt sich das Verfahren nach der Abfrage des Zündens in Schritt 21 zu dem Schritt 22. In diesem Schritt 22 erfolgt nur die PD-Regelung, eine I-Regelung findet vorzugsweise nicht statt. Befindet sich der Schweißvorgang dagegen bereits in dem Normalbetrieb, d.h. die Zündung hat bereits stattgefunden und ein Lichtbogen ist zwischen Elektrode und Werkstück erzeugt worden, so wird der Abstand zwischen Elektrode 3 und Werkstück 2 in Schritt 23 PID- geregelt.
Der digitalen TRMS-Ermittlung in den Schritten 17 bis 20 wird also ein ebenfalls digitaler PID-Regler nachgeschaltet, der einige weitere Vorteile gegenüber den konventionellen Reg- lern aufweist. Entscheidend ist jedoch, dass wie oben beschrieben der Istwert der Momentanspannung digitalisiert wird und die Vollwelleninformation für die Regelung verwendet wird.
Die in den relevanten Anwendungsbereichen Spiralrohrschweißen konventionell, Spiralrohrschweißen mit Heftnaht, Längsnahtschweißen innen und Längsnahtschweißen außen durchgeführten Versuche haben gezeigt, dass das erfindungsgemäße Verfahren einen erheblichen Vorteil gegenüber den Reglern nach dem Stand der Technik bietet und sowohl die Nahtqualität als auch die Prozesssicherheit verbessert. Typische Regelgüten liegen in der Größenordnung von +/-1V und +/-10A bezogen auf ein 1 s gleitendes Mittel.
Durch Anwendung der Erfindung lässt sich ferner das Problem des Startes des Schweißprozesses lösen. Grundprinzip des Drahtvorschubreglers ist es, eine zu hohe Schweißspannung durch ein Vergrößern des Drahtvorschubes und eine zu geringe Schweißspannung durch ein Verkleinern des Drahtvorschubes auszugleichen. In der Zündphase ist dies jedoch nicht möglich, da die Leerlaufspannung der Schweißtransformatoren um ca. 100% über der gewünschten Schweißspannung liegt und somit bis zum Zünden der I -Anteil des PID-Reglers einen zu großen Wert annehmen würde. Aus diesem Grund wird in allen Schweißanlagen nach Stand der Technik bis zum Moment des Zündens mit einem konstanten Vorschub gefahren, im Moment des Zündens wird üblicherweise über ein Stromrelais der Drahtvorschubregler zugeschaltet. Dieses Umschalten ist naturgemäß mit einer gewissen Verzögerung verbunden und trägt so zur Verschlechterung des Zündvorgangs bei . Bei dem erfindungsgemäßen zwei-stufigen Regler wird der Drahtvorschubregler bis zum Moment des Zündens nur in negativer Richtung freigegeben und der Ausgang des Reglers mit dem Zündvorschub überlagert. Im Moment des Zündens ist der Regler bereits aktiv und kann den Draht abfangen. Erst danach wird die zweite Stufe freigegeben, d.h. auch ein positives Ergebnis des Drahtvorschubreglers wird dem Zündvorschub überlagert und der I-Anteil wird ab diesem Zeitpunkt aktualisiert. Ferner kann durch die Digitalisierung der erfassten Momentanspannung die Regelung besser gegen ein unbeabsichtigtes Schwingen geschützt werden. PID-Regler nach dem Stand der Technik lassen sich entweder hart oder weich einstellen, d.h. ihre Reaktion auf kurzfristige Änderungen des Istwertes erfolgt schnell und mit einer großen Änderung der Stellgröße oder entsprechend langsamer und mit einer geringeren Änderung. Dies führt dazu, dass ein für den normalen Schweißprozess optimal eingestellter Regler auf ein kurzes Aussetzen der Schweißspan- nung (z.B. beim Überschweißen der Quernaht am Spiralrohr) überreagiert und den Draht bis zum Kurzschluss beschleunigt. Der dadurch entstehende Schweißfehler ist größer, als es durch das auslösende Ereignis erforderlich wäre. Der erfindungsgemäße Regler ermittelt aus dem Drahtvorschub der letzten x-Sekunden (wobei x in der Größenordnung von 5 Sekunden liegt) mit korrekter Schweißspannung eine obere Schranke für den Drahtvorschub, die bei kurzfristigen Abweichungen der Schweißspannung nicht überschritten werden darf. Dies trägt erheblich zur Stabilität des Schweißprozesses bei plötzlichen Störungen von außen beige- tragen. Somit wird durch die Erfindung eine adaptive Reglerbegrenzung während des Schweißprozesses geschaffen.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung ergibt sich dadurch, dass der Spannungs- und Stromregler in integrierter Form verwendet wird. Beim Regelungsverfahren nach dem Stand der Technik erfolgt die Regelung des Stromes unabhängig von der Spannungsregelung bzw. dem Drahtvorschub. Dies führt dazu, dass man den Stromregler nur so hart auslegen kann, dass er nicht durch spannungsbedingte Abweichung des Schweißstromes zum Schwingen gebracht wird. Der erfindungsgemäße integrierte Regler berücksichtigt durch Spannungsabweichungen hervorgerufene Schwankungen des Schweißstromes bei konstanter Leistung der Quelle jedoch nicht, und somit ist eine wesentlich härtere Nachführung der Stromquellenleistung zur Erzielung des gewünschten Soll- Schweißstroms möglich.
Die erfindungsgemäße Steuerung kann auf einfache Art in ein stationäres System zur Regelung, Visualisierung, Bedienung und Langzeitarchivierung integriert werden, das vorzugsweise in drei Funktionsblöcke aufgeteilt ist. Auf jedem Block läuft jeweils ein Teil des Verfahrens ab. Hierbei handelt es sich um 1) Messwertaufnahme, Visualisierung und Bedienung sowie Konfiguration des Messsystems, 2) Daten-Verarbeitung und 3) Messwertdar- Stellung, Konfiguration des Messsystems und zur Langzeitarchivierung der gespeicherten Daten.
Die Regelung des Lichtbogens und der Schweißspannung wird über den Schweißstrom im Außenregelkreis nachgeführt. Die Nach- führung des Stromwertes erfolgt als adaptive, kennliniengestüt- ze Intensitätsregelung. Typisch wird eine Regelgüte von besser als +/-1V und +/-10A erreicht. Die zur Regelung benötigten Messdaten werden an den Analogeingängen als Spannungswerte von -5V bis +5V und an den Digitaleingängen als potentialfreie Kon- takte eingespeist. Ein Umformer übernimmt die Wandlung der verschiedenen Eingangsgrößen auf das Normpotential. Dort erfolgt auch deren galvanische Trennung. An diesem Umformer stehen z.B. bei einer Maschine mit einer DC- und 4 AC-Stromquellen die im folgenden beschriebenen Eingänge zur Verfügung.
Ein erster Eingang ist für die Schweißspannung Vlst mit einem Spannungseingang +120VDC vorgesehen, wobei die Berechnung der jeweiligen Effektivwerte digital als True-RMS erfolgt und ein eventuell vorhandener DC-Offset mit in die Berechnung eingeht. Für die Stromermessung von Ilst ist ein Spannungseingang (DC) sowie ein Stromeingang (AC) vorgesehen. Die Schweißgeschwindigkeit wird über einen Spannungseingang eingelesen, der Drahtvorschub wird über einen Spannungseingang eingelesen, und der Strom durch den Drahtvorschubmotor wird über den Spannungsein- gang erfasst. Für die Regelung der Drahtvorschubgeschwindigkeit und des Stromes stehen zehn Analogausgänge zur Verfügung, nämlich fünf Spannungsausgänge für die Drehzahl des Drahtvorschubmotors und fünf Spannungsausgänge für die Intensität der Stromquelle. Die Spannungsausgänge steuern direkt die Umrichter der Servomotoren 4, 5 bzw. den Remote-Eingang Uref der Stromquelle 1 an.
Als Führungsgrößen des Verfahrens nach Fig. 3 werden die folgenden Werte eingegeben: Schweißgeschwindigkeit in Metern pro Minute mit zulässiger Abweichung nach unten und oben in cm/Minute, Schweißspannung in Volt mit zulässiger Toleranz nach unten und oben, Schweißstrom Isoll in Ampere mit zulässiger Toleranz nach unten und oben. Weitere Parameter sind Zündvorschub und eine Reduktion der Schweißgeschwindigkeit am Schweißende.
Werden die Grenzwerte über einen vorgegebenen Zeitraum nicht eingehalten, wird der Schweißprozess in dieser Ausführungsform automatisch abgebrochen. Durch die automatische und kontinuier- liehe Überwachung des Schweißprozesses wird neben der verbesserten Regelgüte eine Qualitätsverbesserung und Erzielung einer für verschiedene Bediener gleichbleibenden Fertigungsgüte ermöglicht .
Eine Kalibrierung der Messaufnehmer ist nicht erforderlich, da das System nahezu driftfrei und unabhängig von der Kurvenform der Ströme und Spannungen präzise TRMS-Werte ermittelt.
Bezugszeichen
1 Stromquelle
2 Werkstück
3 Schweißelektrode
4 Vortriebsvorrichtung (Motor)
5 Antriebsrollen 6 Erfassungsvorrichtung für Schweißspannung mit Abtasthalteglied 6a und A/D-Wandler 6b
7 Recheneinheit für Mittelung der Schweißspannung
8 Eingabevorrichtung für Führungsspannung
9 Treiberelektronik für Vortriebsvorrichtung 10 TRMS-Berechnungsstufe für Schweißspannung
11 PID-Regler
12 Ablaufsteuerung
13 Begrenzereinrichtung
14 TRMS-Berechnungsstufe für Schweißstrom 15 Kennlinienberechnung der Stromquelle
16 Leistungssollwertberechnung
17 Erfassen der Momentanspannung zwischen Schweißelektrode und Werkstück
18 Abtasten und Halten der Momentanspannung 19 Digitalisieren der Momentanspannung 0 Berechnen der Mittelwertspannung Folge von digitalisierten Momentanspannungen 1 Abfrage, ob Zündung bereits erfolgt ist 2 PD-Abstandsregelung, wenn Zündung noch nicht erfolgt 3 PID-Abstandsregelung, wenn Zündung bereits erfolgt

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Lichtbogenschmelzschweißen, bei dem mindestens einer Schweißelektrode (3) und/oder mindestens einem Werkstück
(2) von einer Stromquelle (1) elektrische Leistung zugeführt wird, so dass sich zwischen der mindestens einen Schweißelektro- de (3) und/oder dem mindestens einen Werkstück (2) ein Lichtbogen ausbildet, mit den Schritten:
Erfassen (17) der Kurvenform einer elektrischen Führungsgröße (Vlst) durch eine Erfassungsvorrichtung (6) , Ermitteln eines Effektivwerts der elektrischen Führungsgröße durch eine Recheneinheit (7) , wobei der Effektivwert dem Abstand zwischen der mindestens einen Schweißelektrode (3) und dem mindestens einen Werkstück (2) entspricht,
Anpassen des Abstandes zwischen der mindestens einen Schweißelektrode (3) und dem mindestens einen Werkstück (2) durch eine Vortriebsvorrichtung (4, 5), so dass der Effektivwert einen vorgegebenen Wertebereich nicht verlässt, wobei das Erfassen der Kurvenform der elektrischen Führungsgröße (Vlst) die Schritte umf sst: Abtasten (18) der Kurvenform der elektrischen Führungsgröße
(Vlst) für eine vorgegebene Dauer durch ein Abtasthalteglied (6a) mit einer vorgegebenen Abtastfrequenz, so dass sich eine Folge von Abtastwerten ergibt, und
Digitalisieren (19) der Folge von Abtastwerten durch einen Ana- log-Digital -Wandler (6b) , g e k e n n z e i c h n e t d u r c h Zerlegen der Kurvenform der elektrischen Führungsgröße (Vlst) in Wellen und
Berechnen (20) des Effektivwerts der elektrischen Führungsgröße (V1SC) in einer Zentralprozessoreinheit aus den Abtastwerten, die einer vorgegebenen ganzen Zahl von Wellen entsprechen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die elektrische Führungsgröße eine Momentanspannung (Vist) zwi- sehen der mindestens einen Schweißelektrode (3) und dem mindestens einen Werkstück (2) ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die elektrische Führungsgröße ein Momentanstrom ist, der durch die mindestens eine Schweißelektrode (3) und das mindestens eine Werkstück (2) fließt.
4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der vorgegebene Wertebereich für den Effektivwert einem vorgegebenen Intervall um eine veränderbaren Sollwert entspricht.
5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass das Anpassen des Abstandes zwischen der mindestens einen Schweißelektrode (3) und dem mindestens einen Werkstück (2) durch einen PID- Regelkreis erfolgt .
6. Verfahren nach Anspruch 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die I-Regelung des PID- Regelkreises erst nach dem Zünden des
Lichtbogens zugeschaltet wird.
7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Steuerung der Leistung der Stromquelle in Abhängigkeit von einer Führungsleistung erfolgt.
8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass das Ausgangssignal des Regelkreises durch eine Begrenzereinrichtung (13) begrenzt ist.
9. Steuerungsvorrichtung zum Lichtbogenschmelzschweißen, bei dem mindestens einer Schweißelektrode (3) und/oder mindestens einem Werkstück (2) von einer Stromquelle (1) elektrische Leistung zugeführt wird, so dass sich zwischen der mindestens einen Schweißelektrode (3) und/oder dem mindestens einen Werkstück (2) ein Lichtbogen ausbildet, die umfasst: eine Erfassungsvorrichtung (6) zum Erfassen einer elektrischen Führungsgröße , eine Recheneinheit (7) zum Ermitteln eines Effektivwerts aus der elektrischen Führungsgröße (V1Ξt) , wobei der Effektivwert der e- lektrischen Führungsgröße (Vlst) dem Abstand zwischen der mindestens einen Schweißelektrode (3) und dem mindestens einen Werkstück (2) entspricht, eine Vortriebsvorrichtung (4, 5) zum Anpassen des Abstandes zwi- sehen der mindestens einen Schweißelektrode (3) und dem mindestens einen Werkstück (2), so dass der Effektivwert einen vorgegebenen Wertebereich nicht verlässt, wobei die Erf ssungsvorrichtung (6) zum Erfassen einer elektrischen Führungsgröße umfasst: ein Abtasthalteglied (6a) zum Abtasten der elektrischen Führungsgröße mit einer vorgegebenen Abtastfrequenz über eine vorgegebene Dauer, so dass sich eine Folge von Abtastwerten ergibt, und einen Analog-Digital-Wandler (6b) zum Digitalisieren der Abtastwerte, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Recheneinheit (7) zum Ermicteln des Effekeivwerts eine Zenc- ralprozessoreinheic zum Zerlegen der Kurvenforir der elektrischen Führungsgröße (Vist) in Wellen und zum Berechnen (20) des Effektivwerts der elektrischen Führungsgrδße (Vist) aus den Abtastwerten, die einer vorgegebenen ganzen Zahl von Wellen entsprechen, umfasst .
10. Steuerungsvorrichtung nach Anspruch 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Erfassungsvorrichtung (6) zum Erfassen der elektrischen Füh¬ rungsgröße eine Momentanspannung zwischen der mindestens einen Schweißelektrode (3) und dem mindestens einen Werkstück (2) erfasst .
11. Steuerungsvorrichtung nach Anspruch 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Erfassungsvorrichtung (6) zum Erfassen der elektrischen Führungsgröße einen Momentanstrom erfasst, der durch die mindestens eine Schweißelektrode (3) und das mindestens eine Werkstück (2) fließt.
12. Steuerungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h eine Sollspannungseingabevorrichtung (8) für die Eingabe einer veränderbaren Sollspannung als elektrischer Führungsgröße.
13. Steuerungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h einen PID- Regler für das Anpassen des Abstandes zwischen der mindestens einen Schweißelektrode (3) und dem mindestens einen Werkstück (2) .
14. Steuerungsvorrichtung nach Anspruch 13, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h eine Schaltvorrichtung zum Zuschalten des I -Reglers nach dem Zünden des Lichtbogens.
15. Steuerungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 14, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h eine Leistungseingabevorrichtung zur Eingabe einer Führungsleis- tung und eine Stromquellenleistungssteuerung (14, 15, 16) zum Steuern der Leistung der Stromquelle (1) in Abhängigkeit von der Führungsleistung .
16. Steuerungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 15, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h eine Begrenzereinrichtung (13) zum Begrenzen des Vorschubsignals für den Drahtvorschub.
GEÄNDERTE ANSPRUCHE
[Am 11. April 2001 eingegangen ursprüngliche Ansprüche 1-16 geändert ; durch neue
Ansprüche 1 -20 ersetzt ; (5 Seiten)]
1. Verfahren zum Lichtbogenschweißen, vzw. zum Lichtbogen- schmelzschweißen oder zum Plasmaschweißen, bei dem mindestens einer Schweißelektrode (3) und/oder mindestens einem Werkstück
(2) von einer Stromquelle (1) elektrische Leistung zugeführt wird, so dass sich zwischen der mindestens einen Schweißelektrode (3) und/oder dem mindestens einen Werkstück (2; ein Lichtbogen ausbildet, mit den Schritten: Erfassen (17) der Kurvenform einer elektrischen Führungsgröße
(Vls ) durch eine Erfassungsvorrichtung (6),
Ermitteln eines Sffektivwerts der elektrischen Führungsgröße durch eine Recheneinheit (7) , wobei der Ξffεktivwert dem Abstand zwischen der mindestens einen Schweißelektrode (3) und dem mindestens einen Werkstück (2) entspricht,
Anpassen des Abstandes zwischen der mindestens einen Schweißelektrode (3) und dem mindestens einen Werkstück (2), so dass der Effektivwert einen vorgegebenen Wertebereich nicht verlässt, wobei das Erfassen der Kurvenform der elektrischer. Führungsgröße (Vlst) die Schritte umfasst: Abtasten (18) der Kurvenform der elektrischen Führungsgröße
(Vlst) durch ein Abtasthaltegiied (6a) mit einer vorgegebenen Abtastfrequenz, so dass sich eine Folge von Abtastwerten ergibt, und
Digitalisieren (19) der Folge von Abtastwerten durch einen Analog-Digital-Wandler (6b) , g e e n z e i c h n e t d u r c h Zerlegen der Kurvenform der elektrischen Führungsgröße (V1SC) in Wellen und Berechnen (20) des Ef ektivwerts der elektrischen Führungsgröße
(Vlsc) in einer Zentralprozessoreinheit aus der. Abtastwerter., die einer vorgegebenen g e Zahl vcn Wellen entsorec en.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die elektrische Führungsgröße eine Momentanspannung (Vlst) zwischen der mindestens einen Schweißelektrode (3) und dem mindestens einen Werkstück (2) ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die elektrische Führungsgröße ein Momentanstrom ist, der durch die mindestens eine Schweißelektrode (3) und das mindestens eine Werkstück (2) fließt.
4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der vorgegebene Wertebereich für den Effektivwert einem vorgegebenen Intervall um eine veränderbaren Sollwert entspricht.
5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass das Anpassen des Abstandes zwischen der mindestens einen Schweißelektrode (3) und dem mindestens einen Werkstück (2) durch einen PID- Regelkreis erfolgt.
6. Verfahren nach Anspruch 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die I-Regelung des PID- Regelkreises erst nach dem Zünden des
Lichtbogens zugeschaltet »vird.
7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Steuerung der Leistung der Stromquelle m Abhängigkeit von einer Führungsleis ung erfolgt
8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass das Ausgangssignal des Regelkreises durch eine Begrenzereinrichtung (13) begrenzt ist.
9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der Lichtbogen - beim Lichtbogenschmelzschweißen - sich zwischen einem vorschiebbaren Schweißdraht und dem Werkstück ausbildet.
10. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der Lichtbogen - beim Plasmaschweißen - sich als ein zumindest teilübertragender Lichtbogen im wesentlichen zwischen einer Düse und dem Werkstück ausbildet .
11. Steuerungsvorrichtung zum Lichtbogenschweißen, vzw. zum Lichtbogenschmelzschweißen oder zum Plasmaschweißen, bei dem mindestens einer Schweißelektrode (3) und/oder mindestens einem Werkstück (2) von einer Stromquelle (1) elektrische Leistung zugeführt wird, so dass sich zwischen der mindestens einen Schweißelektrode (3) und/oder dem mindestens einen Werkstück (2) ein Lichtbogen ausbildet, die umfasst: eine Erfassungsvorrichtung (6) zum Erfassen einer elektrischen Führungsgröße , eine Recheneinheit (7) zum Ermitteln eines Effektivwerts aus der elektrischen Führungsgröße (V1SC) , wobei der Effektivwert der e- lektrischen Führungsgröße (V1SC) dem Abstand zwischen der mindestens einen Schweißelektrode (3) und dem mindestens einen Werkstück (2) entspricht, eine Vortriebsvorrichtung (4, 5) zum Anpassen des Abstandes zwischen der mindestens einen Schweißelektrode (3) und dem mindestens einen Werkstück (2), so dass der Effektivwert einen vorgegebenen Wertebereich nicht verlässt, wobei die Erfassungsvorrichtung (6) zum Erfassen einer elektrischen Führungsgröße umfasst: ein Abtasthalteglied (6a) zum Abtasten der elektrischen Füh- rungsgrόße mit einer vorgegebenen Abtastfrequenz, so dass sich eine Folge von Abtastwerten ergibt, und einen Analog-Digital-Wandler (6b) zum Digitalisieren der Abtastwerte, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Recheneinheit (7) zum Ermitteln des Effektivwerts eine Zent- ralprozessoremheit zum Zerlegen der Kurvenform der elektrischen Führungsgrόße (Vlst) m Wellen und zum Berechnen (20) des Effek- tivwerts der elektrischen Fuhrungsgrόße (V1S-) aus den Abtastwerten, die einer vorgegebenen ganzen Zahl von Wellen entsprechen, aufweist .
12. Steuerungsvorπchtung nach Anspruch 11, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Erfassungsvorrichtung (6) zum Erfassen der elektrischen Führungsgröße eine Momentanspannung zwischen der mindestens einen Schweißelektrode (3) und dem mindestens einen Werkstück (2) erfasst .
13. Steuerungsvorrichtung nach Anspruch 11, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Erfassungsvorrichtung (6) zum Erfassen der elektrischen Führungsgrόße einen Momentanstrom erfasst, der durch die mindestens eine Schweißelektrode (3) und das mindestens eine Werkstück (2) fließt.
14. Steuerungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13 , g e k e n n z e i c n n e t d u r c h eine Sollspannungseingaoevorrichtung (8) f r die Ξmgaoe einer ver nderbarer. Sollspannung als eiektπscner Fuhrungsgroße
15. Steuerungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 14, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h einen PID- Regler für das Anpassen des Abstandes zwischen der mindestens einen Schweißelektrode (3) und dem mindestens einen Werkstück (2) .
16. Steuerungsvorrichtung nach Anspruch 15, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h eine Schaltvorrichtung zum Zuschalten des I -Reglers nach dem Zünden des Lichtbogens .
17. Steuerungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 16, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h eine Leistungseingabevorrichtung zur Eingabe einer Führungsleis- tung und eine Stromquellenleistungssteuerung (14, 15, 16) zum Steuern der Leistung der Stromquelle (1) in Abhängigkeit von der Führungsleistung .
18. Steuerungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 17, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h eine Begrenzereinrichtung (13) zum Begrenzen des Vorschubsignals für den Drahtvorschub .
19. Steuervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 11 bis 18, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass - beim Lichtbogenschmelzschweißen - die Schweißelektrode durch einen vorschiebbaren Schweißdraht gebildet ist.
20. Steuervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 11 bis 18, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass - beim Plasmaschweißen - die Schweißelektrode durcn eine mnernalb einer Düse angeordnete Wolframele trode geoildet ist.
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