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    公开号:WO1988007430A1
    申请号:PCT/EP1988/000280
    申请日:1988-03-31
    公开日:1988-10-06
    发明作者:Ulrich Matuschek；Martin Zimmermann
    申请人:Ulrich Matuschek；Martin Zimmermann；
    IPC主号:B23K9-00
    专利说明:
    [0001] Bezeichnung: Verfahren und Vorrichtung zur Regelung von
    [0002] Widerstands- oder Lichtbogen-Schweißvorgängen
    [0003] Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Regelung von Widerstands-Schweißvorgängen, bei dem durch Messen der Stro - stärke des Schweißstromes und der Spannung an den Schweißelek¬ troden der dynamische Widerstand des zu verschweißenden Werk¬ stücks während des Schweißvorganges bestimmt, abgespeichert und im Vergleich mit einer empirisch ermittelten Stell- oder Führungsgröße ausgewertet wird.
    [0004] Bei Verfahren und Geräten mit Messung des dynamischen Wider¬ standes wird während des Schweißvorganges der Widerstand des Werkstückes wiederholt ermittelt und mit der zu erwartenden Güte der Verbindung in Beziehung gesetzt. Aufgrund des gerin- gen meßtechnischen Aufwandes - es werden nur physikalische
    [0005] Größen (Spannung und Strom) gemessen, die beim Punktschweißen mit abfallen - wird dieses Verfahren zur Punktschweißregelung bevorzugt benutzt. Bei allen bisher bekannten Regelverfahren dieser Art werden aus jeweils einer halben oder ganzen Schweißperiode besonders ausgezeichnete Größen bestimmt, wie zum Beispiel der Widerstand zum Zeitpunkt des Strommaximums oder eine widerstandsähnliche Größe, die sich aus dem Quotien¬ ten von integrierter Spannung zu integriertem Strom (Methode MIACHY) ergibt. Der Verlauf dieser ausgezeichneten Größen über die gesamte Schweißzeit wird bestimmt, und bei Erreichen ei¬ nes Abschaltkriteriums wird die Schweißung beendet. Die Ab¬ schaltkriterien werden empirisch ermittelt.
    [0006] Diese bekannten Verfahren benutzen für die Regelung die Schweißzeit beziehungsweise die Anzahl der Schweißperioden je Schweißpunkt als Stellgröße. Auch die in den Schweißpunkt eingebrachte Energie, die sich durch den Phasenanschnitt der Primärspannung variieren läßt, kann als zusätzliche Stell¬ größe verwendet werden.
    [0007] Aus der DE-OS 33 01 039 ist ein Verfahren bekannt, bei dem das der Schweißstelle zugeflossene Arbeitsintegral bestimmt wird, wobei innerhalb jeder Netzhalbperiode die Energiezu¬ fuhr zur Schweißstelle nach Erreichen eines einem Sollwert für die betreffende Netzhalbperiode entsprechenden Arbeits¬ integrales abgeschaltet wird. Zum Steuern der elektrischen Arbeit werden vorzugsweise abschaltbare Thyristoren verwen¬ det.
    [0008] Bei den- bekannten Verfahren ist aufgrund unzureichender In¬ formationsdichte und Informationsauswertung ein vorausschau- endes Erkennen einer Störung im Schweißvorgang nicht möglich.
    [0009] Bei dem Verfahren nach der Erfindung wird der Verlauf von Stromstärke und Elektrodenspannung einer Schweißstrom-Halb¬ periode mit hoher Auflösung gemessen, fehler-korrigiert ab- gespeichert und durch mathematische Aufarbeitung die Aus¬ wirkung der Schweißeinflußgröße Leistung oder/und Energie oder/und Ladungsmenge oder/und • Elektrodenspannung oder/und Stromstärke auf den dynamischen- Widerstand quantitativ (zahlenmäßig) und mit hoher Auflösung (z.B. Meßpunktabstand 10 Microsec.) bestimmt und durch Vergleich mit der entsprechenden Stell¬ oder Führungsgrσße "on-line" ausgewertet. Vorzugsweise wer- den die Auswirkungen mehrerer Schweißeinflußgrößen quantita¬ tiv bestimmt und einzeln oder in Kombination miteinander be¬ nutzt und mit empirisch ermittelten Eckwerten der Stell- und Führungsgröße verglichen.
    [0010] Bei dem Verfahren nach der Erfindung wird die Beurteilung der Güte der Schweißpunkte während einer Schweiß-Halbperiode sofort, das heißt "on-line", vorgenommen. Weil die quantita- l tiv erfaßten Auswirkungen der Schweißeinflußgrößen als Stell¬ oder Führungsgrößen in hoher Dichte oder Auflösung erfaßt und auf ihre Charakteristika untersucht werden, läßt sich jeder Schweißvorgang so regeln, daß eine sich anbahnende
    [0011] 5 Störung vermieden wird.
    [0012] Das Auftreten von Störungen, wie Spritzer, kündigt sich durch charakteristische Eckwerte der ausgewerteten Meßgrößen, die mit den abgespeicherten Stell- oder Führungsgrößen verglichen 0 werden, so rechtzeitig an, daß durch Veränderung von Strom¬ stärke oder Spannung bzw. durch Veränderung von Phasenan¬ schnittswinkeln und damit bedingter Veränderung der Lei¬ stungszufuhr die Störung vermieden und der Schweißvorgang optimal beendet werden kann. 5
    [0013] Das zur Durchführung dieses Verfahrens notwendige Gerät be¬ steht aus einem Meßwertaufnehmer, einer Auswerteinheit und einer Stelleinheit. Der Meßwertaufnehmer detektiert mittels eines Stromsensors, z.B. ein Rogowski-Gürtel, und eines Q Spannungssensors den Schweißstrom und den über das Werkstück auftretenden Spannungsabfall, gemessen an den Schweißelek¬ troden, digitalisiert die Meßwerte und speichert sie ab. Der Meßwertaufnehmer muß so schnell sein, daß er den zeitlichen Verlauf der Meßgrößen während einer Schweiß-Halbperiode mit 5 genügender Genauigkeit aufzeichnen kann.
    [0014] In der Auswerteinheit werden die abgespeicherten Meßwerte ei¬ ner Schweißhalbperiode mittels eines schnellen Signalpro¬ zessors "on-line" ausgewertet. Dabei wird der genaue zeit- Q liehe Verlauf von Schweißstrom und Elektrodenspannung während einer Schweißhalbperiode auf seinen Informationsgehalt hin ausgewertet.
    [0015] Der Auswertevorschrift liegt das folgende mathemati sch-physi- 5 kaiische Modell zugrunde. Ausgangspunkt ist die Annahme einer funktionalen Abhängigkeit des Schweißstückwiderstandes während einer Schweißhalbperio¬ de von anderen, ebenfalls aus Strom und Spannung ableitbaren Größen, wie zum Beispiel Leistung und Energie. Diese Annahme läßt eine mögliche Rückkopplung von Widerstand auf Einflu߬ größen implizit zu. Die in den 'Schweißprozeß eingebrachte elektrische Leistung P übernimmt dabei die Funktion, die instantanten Abhängigkeiten des Widerstandes von den elek¬ trischen Größen darzustellen. Die in den Schweißprozeß ein- gebrachte elektrische Energie E hat die Aufgabe, bevorzugt zeitverzögerte Abhängigkeiten zusammenzufassen und die elek¬ trische und thermische Vorgeschichte des Schweißprozesses bzw. des Schweißpunktes zu berücksichtigen. Äußere Einflüsse, wie zum Beispiel die Elektrodenbewegung, verursacht durch schlech- te Passungen oder durch Einsinken der Elektroden in das Werk¬ stück, werden durch die explizite Zeitabhängigkeit beschrie¬ ben.
    [0016] R(t) = R(P(t), E(t),t,..). (D Diese Gleichung beinhaltet eine Beschreibung der Wider- Standsabhängigkeit aus heuristischen Überlegungen heraus und nicht eine in sich geschlossene, analytisch beschreibbare Modellvorstellung.
    [0017] Aus diesem Ansatz werden Leistungs-, Energie- und Zeitpara- eter wie folgt bestimmt:
    [0018] Da die funktionale Abhängigkeit des Widerstandes unbekannt ist, wird die Funktion in einer Reihe um die Nullpunkte der Zeit entwickelt. R(t) = Rp*(P(t)-P(0))+Re*(E(t)-E(0))+Rt*(t) + Rpet,
    [0019] = Rp*P(t) + Re*E(t) + Rt*t + Ro (2) wobei Rp, Re, Rt partielle Ableitungen nach P, E, t an der Stelle P(0), E(0), t=0 bedeuten. Die Reihenentwic lung wird bis zu Termen erster Ordnung aus¬ geführt und die partiellen Ableitungen Rp, Re, Rt stellen in dieser Näherung das Maß für die Einflüsse von Leistung, Energie und Zeit auf den Widerstand dar. Im folgenden werden Rp, Re, Rt als Leistungs-, Energie- und Zeitkoeffizienten bezeichnet. Dieser Datensatz wird für jede Schweißhalbwelle mindestens einmal bestimmt. Bei mehrmaliger Bestimmung be¬ z ieht sich die Auswertung jedes Datensatzes auf ein ent¬ sprechend kleines Zeitintervall innerhalb der Schweißhalb¬ periode. Mittels dieser Datensätze wird die Regelung nach noch zu bestimmenden Eckwerten der Regelkoeffizienten durch Veränderung des Phasenanschnittwinkels der Primärspannung vorgenommen .
    [0020] Es wurde festgestellt, daß beim überschreiten bestimmter Eck¬ werte bei den Koeffizienten in der jeweils folgenden Schwei߬ halbwelle Spritzer auftraten. Diese Sensibilität der Ko¬ effizienten wird dazu genutzt, die Schweißvorgänge, insbeson¬ dere das Punktschweißen, zu regeln.
    [0021] Im folgenden sind die mathematischen Manipulationen der Me߬ werte, die zur Bestimmung der Leistungs-, Energie- und Zeit¬ koeffizienten notwendig sind, dargestellt.
    [0022] Innerhalb eines Auswertezeitraumes lassen sich die Verläufe von Widerstand und Einflußgrößen durch Polynome darstellen, deren Koeffi-zienten aus den Meßwertefeldern mittels eines geeigneten Verfahrens (z.B. mittlere quadratische Approxima¬ tion) zu ermitteln sind.
    [0023] Möge der Widerstand als Funktion der Zeit durch ein Polynom 3. Grades dargestellt werden, so sind wegen der als linear betrachteten Abhängigkeit, dessen Einflußgrößen ebenfalls als Funktion der Zeit durch Polynome maximal 3. Grades dar- zustel len . Seien E0,E1,E2,E3 die Koeffizienten des Energiepolynoms
    [0024] PO,P1 ,P2,(P3) die Koeffizienten des Leistungspolynoms R0,R1,R2,R3 die Koeffizienten des Widerstandspolynoms
    [0025] E(t) = E0 + E1 * t + E2*t~2 + E3*t~3 P(t) = PO + P1 * t + P2*t 2 + P3*t~3 R(t) = RO + R1 * t + R2*t~2 + R3*t~3 (3)
    [0026] so führt (2) -durch Einsetzen von (3) auf ein Gleichungssystem zur Bestimmung von Energie-, Leistung- und Zeitkoeffizienten und Konstantterm Ro, unter Ausnutzung der linearen Unabhängig¬ keit der Zeitfunktionen 1,t, t~2, t~3:
    [0027] R(t) = Rp*P(t) + Re*E(t) + Rt*t + Ro
    [0028] RO = Rp*PO + Re*EO + Ro
    [0029] R1 = Rp*P1 + Re*E1 + Rt
    [0030] R2 = Rp*P2 + Re*E2
    [0031] R3 = Rp*P3 + Re*E3 (4) ,
    [0032] Die Auflösung dieses Gleichungssystems von vier Gleichungen zu vier Unbekannten führt auf die Gewinnung der Regel¬ koeffizienten Rp, Re, Rt, Ro.
    [0033] Auch bei einer anderen Wahl nicht linear abhängiger Einflu߬ größen gelangt man zu einem Gleichungssystem, dessen Auflö¬ sung gesuchte Regelkoeffizienten liefern.
    [0034] Das hier erläuterte Verfahren setzt den Komplexitätsgrad des Widerstandsverlaufes (z.B. Polynom 3. Grades) direkt mit der Anzahl der Einflußgrößen (z.B. 3) in Beziehung.
    [0035] Sinnvollerweise wird der Widerstandsverlauf durch ein Polynom, dessen Grad nicht höher ist als die Anzahl der linear unab- hängig angenommenen Einflußgrößen, approximiert. Auf diese Weise erfolgt eine Reduktion des Widerstandsverlau¬ fes auf jenen Anteil, der sich als eine Reaktion von aus elektrischen Größen ableitbaren Einflußgrößen erklären läßt.
    [0036] Die Zeichnungen zeigen in
    [0037] Fig. 1 Datei original U (t)
    [0038] Fig. 2 Datei original dl(t)
    [0039] Fig. 3 Datei Strom I(t) Fig. 4 Datei Leistung P(t)
    [0040] Fig. 5 Datei Widerstand R(t) und
    [0041] Fig. 6 Datei Widerstand-fit R(t) für vier Schweißperioden bzw. acht Schweißhalbperioden.
    [0042] Alle diese Kurven erstrecken sich über eine Zeit t von vier
    [0043] Schweißperioden, d.h. bei einem Wechselstrom von 50 Hertz, über 80 Millisekunden. Diese sind in viertausend Meßpunkte untertei lt.
    [0044] Die Fig. 1 und 2 zeigen in relativen Größen den Verlauf der gemessenen Spannung U(t) und der gemessenen Stromstärke dl.
    [0045] Fig. 3 zeigt den Verlauf des Schweißstromes I(t) = Integral von dl gemäß Fig. 2.
    [0046] Fig. 4 zeigtden Verlauf der Leistung P(t), der aus den Me߬ werten der korrigierten Elektrodenspannung U(t) und den Werten des Schweißstromes I(t) gemäß Fig. 3 durch Produkt¬ bildung U(t) * I(t) ermittelt ist.
    [0047] Fig. 5 zeigt den Verlauf des Widerstandes R(t) , der aus den korrigierten Meßwerten, der Elektrodenspannung U(t) und den Werten des Schweißstromes durch Quotientenbildung U(t)/I(t) ermittelt ist. Die Lücken ergeben sich durch die Strompausen während der Phasenanschn ittzeit der Primärspan¬ nung am Schweißtransformator. Fig. 6 zeigt den geglätteten Verlauf des Widerstandes R(t) der nach Gleichung (4) aus den Koeffizienten berechnet ist, die mittels Least-Square-Verfahren aus dem Widerstandsver¬ lauf gemäß Fig. 5 berechnet wurden.
    [0048] Die mathematische Aufarbeitung der Meßdaten ermöglicht es, die komplexen physikalischen Vorgänge beim Schweißen in für die Auswerteeinheit leicht identifizierbare Signalverläufe, z.B. Vorzeichenwechsel, abzubilden.
    [0049] Durch Einsatz der erfindungsgemäßen Regelvorrichtung können Punktschweißverbindungen hergestellt werden, die Punkt für Punkt auf die äußeren Randbedingungen durch Regelung der elektrischen Leistung optimal angepaßt sind. Dadurch kann die Anzahl der Schweißpunkte pro Werkstück verringert werden. Ferner können Verletzungen verursachende Grate sowie optische Beeinträchtigungen der Schweißpunkte vermieden werden. Dieses Regelgerät kann darüber hinaus objektive Aussagen über die Güte der Pun.ktschweißverbindung liefern und dokumentieren, es arbeitet "on-line" und automatisch und kann leicht an be¬ stehenden Anlagen und Ausrüstungen adaptiert werden. Die Leistungsf higkeit des Regelgerätes hängt ab von der Güte¬ relevanz und Präzision der aus den Meßwerten abgeleiteten Datensätze sowie der Fähigkeit des Gerätes, diese Datensätze in Echtzeit zu bestimmen, um entsprechend regelnd eingreifen zu können.
    [0050] Das quantitative Erfassen der Auswirkung von. Schweißeinflu߬ größen auf den dynamischen Widerstand als Stell- oder Füh- rungsgröße, das kontinuierliche Erfassen der Meßdaten sowie das gleichzeitige Eliminieren der Störfaktoren ermöglicht eine Echtzeitregulierung innerhalb einer Schweiß-Halbperiode. Wegen der großen Dichte der Informationen und den analysier¬ baren Charakteristiken genügen unter Verwendung des beschrie- benen mathematisch-physikalischen Modells als Meßdaten über die Zeit lediglich die einfach abzugreifende, fehlerkompen¬ sierte Elektrodenspannung sowie die z.B. mittels Rogowski- Gürtel erfaßbare Stromstärke des Schweißstromes.
    [0051] Beim Lichtbogenschweißverfahren kann ein Verlassen- der Band¬ breitenbereiche ein Verlassen der Schweißnahtsollkurve signalisieren und eine Korrektur der Schweißnahtistkurve auf die Schweißnahtsollkurve bewirken. Die Regelvorrichtung weist vorteilhafterweise eine aus elektronischen Bauteilen in Digitaltechnik, z.B. Halbleiterspeicher, zusammengesetzte Einrichtung auf, die ein Nichteinhalten der Bandbreiten einer oder mehrerer der quantitativen Auswirkungen von Einflu߬ größen auf den dynamischen Widerstand des Werkstückes über Display, Drucker, Signallampe oder dergleichen anzeigt oder ausdruckt.
    权利要求:
    Claims χ PATENTAN S PRÜCH E :
    1. Verfahren zur Regelung von Widerstands- oder Lichtbogen¬ schweißvorgängen, bei dem durchmessen der Stromstärke des Schweißstromes und der Spannung an den Schweißelektroden der Widerstand des zu verschweißenden Werkstücks während des Schweißvorganges bestimmt, abgespeichert und im Vergleich mit einer empirisch ermittelten Stell- oder Führungsgröße ausge¬ wertet wird. 0 dadurch gekennzeichnet, daß aus den Meßwerten die Auswirkung der Schweißeinflußgröße Leistung oder/und Energie oder/und Ladungsmenge oder/und Elektrodenspannung 5 oder/und . Stromstärke auf den dynamischen Widerstand quantitativ (zahlenmäßig) und mit hoher Auflösung bestimmt wird.
    2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die 0 Auswirkung der Schweißeinflußgrößen: Leistung, Energie,
    Ladungsmenge und Stromstärke als Stell- oder Führungsgrößen quantitativ erfaßt sind und einzeln oder in Kombination miteinander benutzt werden.
    25. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zeitlich sich ändernde Verlauf von Stromstärke und Elektrodenspannung jeder Schweißstrom-Halbperiode gemessen, abgespeichert, mathematisch aufgearbeitet und durch Vergleich mit der oder den Stell- oder Führungsgrößen "on-line" aus-
    30 gewertet wird.
    4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die quantitativen Auswirkungen der Schweißeinflußgrößen einer Schweißhalbperiode zur Regelung einer der folgenden 35 Schweißhalbperioden benutzt werden. l
    5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die quantitativen Auswirkungen der Schweißeinflußgrößen einer Schweißhalbperiode zur Regelung dieser Schweißhalbperiode benutzt werden.
    6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge¬ kennzeichnet ,daß Bandbreitenbereiche der quantitativen Aus¬ wirkungen der Schweißeinflußgrößen auf den dynamischen Wider¬ stand vorgegeben sind und regelnderwe i se eingehalten werden, wobei ein Verlassen der Bandbreitenbereiche aufgrund zu hoher Leistung ein Herausspritzen des Schmelzgutes und ein Verlas¬ sen der Bandbreitenbereiche aufgrund zu niedriger Leistung eine ungenügende Schweißpunktqualität zur Folge hat.
    7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge¬ kennzeichnet, daß die durch den Schweißstrom in die Sensor¬ leitung für die Elektrodenspannung hineininduzierte Störung kompensiert bzw. korrigiert wird.
    8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die notwendige Stärke der Kompensation oder Korrektur automatisch für jede Schweißung neu ermittelt und berücksichtigt wird.
    9. Vorrichtung zur Regelung von Widerstands- oder Lichtbogen- Schweißvorgängen nach dem Verfahren .nach einem der Ansprüche 1 bis 8 mit einem Meßwertaufnehmer, einer Auswerteinheit, mit elektronischen Bauteilen der Digital- und Analogtechnik und einer Stelleinheit, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßwertaufnehmer die Meßsig- nale von Elektrodenspannung und Schweißstromstärke quasi kontinuierlich der Auswerteinheit zur Verfügung stellt und die Αuswerteinheit einen "on-line" auswertenden schnellen Signalprozessor enthält, in dem die Stell- und Führungs¬ größen abgespeichert sind und durch Vergleich der aufgenom- menen und mathematisch aufgearbeiteten Meßwerte mit den
    Stell- und Führungsgrößen auswertet und bei Abweichung um eine gewisse Bandbreite Signale an die Stelleinheit gibt.
    10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß zur Kompensation einer Störung, die durch den Schweißstrom in die Elektrodenspannungssensorleitung hineininduziert wird, eine elektronische Subtraktionsschaltung in Analogtechnik (z.B. unter Verwendung von Operationsverstärkern , Widerstän¬ den etc.) vorgesehen ist.
    11. Vorrichtung nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch einen Potentiometer zur Einstellung der Stärke der Kompensation.
    12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, gekennzeichnet durch elektronische Arithmetikbausteine in Digitaltechnik, die durch Subtraktion der Störgröße von dem gestörten Elektroden¬ spannungssignal das ungestörte Elektrodenspannungssignal be¬ rechnen.
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