DE19756445C2 - Verfahren zur Überwachung des Verschleißzustandes einer Plasmabrennerdüse - Google Patents
Verfahren zur Überwachung des Verschleißzustandes einer PlasmabrennerdüseInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung des Verschleißzustandes
einer Düse eines Plasmabrenners mit rotierendem Plasmagas.
Plasmabrenner sind bekannte Werkzeuge in der thermischen Materialbearbeitung. Sie werden
unter anderem zum Schneiden, Schweißen und Schmelzen eingesetzt. Das am weitesten
verbreitete Verfahren ist das Plasmaschneiden. Plasmabrenner im Stand der Technik bestehen
im wesentlichen aus einer Elektrode (Kathode), einer Düse, einer Einrichtung zur Kühlung
der Düse und der Elektrode sowie einer Einrichtung zur Zuführung von Plasmagas. Darüber
hinaus kann ein Plasmabrenner unter anderem eine Einrichtung zur Zuführung eines Wirbel
gases sowie eine äußere Gaskappe z. B. zum Schneiden in Wasser umfassen. Das Plasmagas
strömt an der Elektrode vorbei durch die gekühlte Düse und bildet in einer Lichtbogenentla
dung das Plasma.
Nach der Lichtbogenführung unterscheidet man zwischen direkter und indirekter Betriebswei
se des Plasmabrenners. In der direkten Betriebsweise (Plasmabrenner mit übertragenem
Lichtbogen) brennt der Lichtbogen (Hauptlichtbogen) zwischen der Elektrode und einem als
Anode gepolten Werkstück. Die Düse und Gasströmung dienen der Einschnürung des Plas
malichtbogens zum gezielten Energieeintrag in das Werkstück. Zum Durchzünden des Plas
malichtbogens ist ein Pilotlichtbogen von der Elektrode zur Anode erforderlich. Der Pilot
lichtbogen brennt mit geringer Leistung zwischen der Elektrode und der kurzzeitig als Anode
geschalteten Düse des Plasmabrenners und tritt als Plasmastrahl aus. Der Pilotlichtbogen wird
oft durch das Anlegen einer durch ein Zündgerät kurzzeitig erzeugten Hochspannung zwi
schen Elektrode und Düse gezündet. Der Strom des Pilotlichtbogens kann durch einen Vor
widerstand begrenzt werden. Die direkte Betriebsweise im Gleichstrombetrieb wird wegen
der Ausnutzung des hohen auf die Anode übergehenden Leistungsanteils hauptsächlich zum
Plasmaschmelzen und Plasmaschneiden verwendet.
Bei der indirekten Betriebsweise (Plasambrenner mit nicht übertragenem Lichtbogen) ist die
Düse die Anode. Aus der Anode tritt ein elektrisch nicht stromführender Plasmastrahl (nicht
übertragener Lichtbogen) aus, der durch die Gasströmung geführt wird. Das Betriebsgas wird
im Lichtbogen aufgehalten und verläßt die Düse im allgemeinen als stromfreier Plasmastrahl.
Hauptanwendungsgebiet der indirekten Betriebsweise sind das Plasmaspritzen und das Plas
maschmelzen nicht-leitender Materialien.
Neben der Elektrode stellt die Düse ein wesentliches Verschleißteil eines Plasmabrenners dar.
Da die Düse die Aufgabe hat, den Plasmastrahl einzuschnüren, um eine hohe Stromdichte zu
erreichen, hat die Geometrie des Düsenkanals einen entscheidenden Einfluß auf die Schneid-
bzw. Schweißleistung und die Qualität der Schnittfläche und -kante bzw. Schweißnaht. Eine
Aufweitung des Düsenkanals bewirkt eine Auffächerung des Lichtbogens und somit eine Reduzierung
der Energiedichte und führt z. B. zur Verringerung der Schneidleistung und zur
Vergrößerung der Schnittfugenbreite.
In DD 300 003 wird ein Verfahren zur Prozeßsteuerung an Plasmabrennern beschrieben, bei
dem innerhalb eines höchstens 20 ms dauernden Meßzyklus mehrmals die Teilspannungen
zwischen Elektrode und Düse und zwischen Düse und Werkstück und die Gesamtspannung
zwischen Elektrode und Werkstück gemessen und der jeweiligen Stromstärke des Pilot-
und/oder Hauptbogens zugeordnet gespeichert werden, die gespeicherten Teilspannungen
zwischen Elektrode und Düse sowie zwischen Düse und Werkstück untereinander und sum
marisch sowie einzeln mit der Gesamtspannung und Spannungsgrenzwerten verglichen wer
den, die Vergleichsergebnisse mehrerer aufeinanderfolgender Meßzyklen miteinander und mit
den dazugehörigen gespeicherten logischen Größen der Prozeßsteuergrößen, z. B. "Plasma
gasmenge", "Entladungsraumdruck" und "Vorschub" verglichen und die Ausgabegrößen
durch Signalisation oder Steuerbefehle verwertet werden. Der in der vorgenannten Druck
schrift beschriebenen Überwachung des Verschleißzustandes einer Düse liegt die Erkenntnis
zugrunde, daß sich das Ausbrennen der Düse in wesentlich stärkerem Maße auf die Teilspan
nung zwischen der Elektrode und der Düse als auf die Gesamtspannung zwischen der Elek
trode und dem Werkstück auswirkt. Das Ausbrennen der Düse kann an kurzzeitigen größeren
negativen Spannungsgradienten zwischen der Elektrode und der Düse sowie gleichzeitigen
positiven Spannungsgradienten an niedrigen Spannungen an der Elektrode und dem Werk
stück registriert werden. Eine Verschleißgrenze kann durch das Unterschreiten einer Grenz
spannung nach dem Auftreten eines solchen Spannungsgradienten registriert werden. Bei dem
Verfahren werden Parameter des übertragenen Lichtbogens gemessen und ausgewertet. Es
weist die Nachteile auf, daß es erstens den Zustand der Düse nicht bereits vor dem eigentli
chen Bearbeitungsprozeß (mit übertragenem Lichtbogen) bestimmt und zweitens nicht für
Plasmaverfahren mit nicht übertragenem Lichtbogen verwendet werden kann.
Aus DD 132 607 ist ein Verfahren und eine Einrichtung zum Schutz der Düsen von werk
stückgepolten Plasmabrennern bekannt. Mit dem Verfahren soll das Auftreten von Doppellichtbögen,
die zur Beschädigung der Düse führen, verhindert werden. Dazu wird die Kon
densatorwirkung des zwischen der Düse und dem Plasmastrahl liegenden Kaltgasmantels als
Dielektrikum derart ausgenutzt, daß die Kapazität, der Verlustwinkel oder beide als komplexe
Größe(n) laufend kontrolliert und mit dem eingestellten Grenzwert verglichen wird/werden.
Eine Verringerung des Kaltgasmantels, die die Gefahr von Doppellichtbögen durch Düsen
kurzschluß, Gasmangel oder zu hohe Strombelastung signalisiert, wird erkannt und signali
siert. Da auch bei dem Verfahren Parameter des übertragenen Lichtbogens gemessen und aus
gewertet werden, liegen auch hier die bereits oben beschriebenen Nachteile vor. Weiterhin
wird der Verschleiß, der sich in der Vergrößerung des Durchmessers der Düsenbohrung zeigt,
nicht erkannt.
Aus der SU 1660894 ergibt sich ein Verfahren, bei dem die Schneidspannung (Hauptlichtbo
genspannung) mit einer Referenzspannung verglichen wird. Unterschreitet die Schneidspan
nung die Referenzspannung, wird ein Düsenverschleiß signalisiert und der Schneidprozeß
gestoppt. Als Ursache für die Spannungsänderung wird der Zusammenhang zwischen dem
Durchmesser der Düsenbohrung und der Spannung als U ~ 1/d2 angegeben. Das Verfahren
weist auch den Nachteil auf, daß erst während des Schneidens ein Düsenverschleiß erkannt
wird. Weiterhin wird vorausgesetzt, daß der Abstand zwischen einem Plasmabrenner und ei
nem Werkstück konstant bleibt. Üblicherweise wird die Abstandsregelung für Plasmabrenner
jedoch über die Erfassung der Hauptlichtbogenspannung vorgenommen. Diese wird durch
eine Korrektur des Brennerabstandes konstant gehalten, d. h. eine Veränderung der Haupt
lichtbogenspannung durch eine Vergrößerung des Durchmessers der Düsenbohrung würde
wegen des nachgeregelten Abstandes gar nicht registriert werden. Damit ist dieses Verfahren
für automatisierte Prozesse ungeeignet.
Aus der WO 95/26251 A1 ist ein Verfahren zur Überwachung des Düsenverschleißes mit
Hilfe einer Druckmessung und des Elektrodenverschleißes mit Hilfe der Auswertung der
Spannung des Pilotlichtbogens bekannt. Das Verfahren liefert zwei Prozeßsignale für zwei
voneinander abhängige Verschleißparameter. Mit Hilfe zweier Gleichungen, die z. B. aus
einer nichtlinearen Regression gewonnen werden können, können der Grad des Düsen- bzw.
Elektrodenverschleißes eindeutig bestimmt werden. Zum eindeutigen Bestimmen des Vorlie
gens eines Verschleißes der Plasmabrennerdüse muß neben dem Spannungsmittelwert bzw.
dem Spannungseffektivwert der Druck ermittelt werden.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Überwachung des Ver
schleißzustandes einer Plasmabrennerdüse bereitzustellen, mit dem der Verschleißzustand der
Plasmabrennerdüse bereits vor dem eigentlichen Einsatz des Plasmabrenners bei der Werk
stückbearbeitung ermittelt und signalisiert wird, um eine hohe Qualität der nachfolgenden
Werkstückbearbeitung sicherzustellen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß das Verfahren die folgenden
Schritte umfaßt:
- a) Ermittlung eines Spannungsmittelwertes U und/oder Spannungseffektivwertes UEff eines zeitlichen Verlaufes einer Spannung eines Lichtbogens zwischen einer Elektrode (Kathode) und der Düse (Anode) des Plasmabrenners bzw. einem Werkstück (Anode) vor einer Bear beitung des Werkstückes mit dem Plasmabrenner und Ermittlung der Standardabweichung s und/oder der Varianz v der Lichtbogenspannung;
- b) Anzeigen des ermittelten Spannungsmittelwertes U und/oder des ermittelten Spannungs effektivwertes UEff oder einer Funktion des jeweiligen Wertes und eines jeweiligen Referenz parameters und Anzeigen der ermittelten Standardabweichung s und/oder ermittelten Varianz v der Lichtbogenspannung.
Die Standardabweichung bzw. Varianz ist ein Maß für die Glattheit der Lichtbogenspannung.
Je kleiner diese Parameter sind, desto glatter ist die Lichtbogenspannung. Die Bestimmung
der Standardabweichung bzw. der Varianz stellt nur ein Beispiel für eine statistische Auswertung
der Lichtbogenspannung im Hinblick auf eine Aussage über die Glattheit der Licht
bogenspannung dar.
Der Spannungsmittelwert U und/oder Spannungseffektivwert UEff kann dabei sowohl anhand
des analogen Lichtbogenspannungssignals als auch anhand des digitalisierten Lichtbogen
spannungssignals ermittelt werden.
Eine Lichtbogenspannung zwischen einer Elektrode und einem Werkstück ist dabei nur ein
Beispiel für eine zu der Lichtbogenspannung zwischen der Elektrode und der Düse proportio
nale Spannung, die auch zur Überwachung des Verschleißzustandes gemäß dem vorliegenden
Verfahren verwendet werden kann.
Dabei kann vorgesehen sein, daß der Spannungsmittelwert U ein arithmetischer Mittelwert ist.
Alternativ kann auch vorgesehen sein, daß der Spannungsmittelwert U ein geometrischer
Mittelwert ist.
Gemäß einer besonderen Ausführungsform der Erfindung umfaßt der Schritt (a):
Messung und Speicherung von n Meßwerten Uk des zeitlichen Verlaufes einer Spannung ei nes Lichtbogens, mit
Messung und Speicherung von n Meßwerten Uk des zeitlichen Verlaufes einer Spannung ei nes Lichtbogens, mit
n ∈ {2, 3 . . .},
k ∈ {0, 1, . . ., n-1} und
(n - 1).Δt = T,
k ∈ {0, 1, . . ., n-1} und
(n - 1).Δt = T,
wobei Δt der zeitliche Abstand zwischen zwei Messungen und T die Gesamtmeßzeit ist; und
Berechnung des Spannungsmittelwertes U oder Spannungseffektivwertes UEff aus den n
Spannungsmeßwerten Uk. Die Meßwerte Uk können sowohl äquidistant als auch nicht
äquidistant sen. Diese Ausführungsform stellt nur ein Beispiel für die Ermittlung des Span
nungsmittelwertes U und/oder Spannungseffektivwertes UEff durch Digitalisieren des zeitli
chen Verlaufes der Lichtbogenspannung und nachfolgenden Auswertung dar.
Dabei kann vorgesehen sein, daß das Verfahren umfaßt:
Auslösen eines Warnsignals und/oder Abschalten der Spannungsversorgung für den Plasmab renner, wenn der Spannungsmittelwert U und/oder der Spannungseffektivwer UEff einen je weiligen festlegbaren Grenzwert unterschreitet/unterschreiten bzw. mindestens eine der be sagten Funktionen einen jeweiligen festlegbaren Grenzwert unterschreitet/unterschreiten bzw. überschreitet/überschreiten. Je nach der gewählten Funktion muß das Auslösen bzw. Ab schalten bei Unter- bzw. Überschreiten eines Grenzwertes geschehen. Das Abschalten der Spannungsversorgung kann durch ein Plasmabrenner-Führungssystem erfolgen.
Auslösen eines Warnsignals und/oder Abschalten der Spannungsversorgung für den Plasmab renner, wenn der Spannungsmittelwert U und/oder der Spannungseffektivwer UEff einen je weiligen festlegbaren Grenzwert unterschreitet/unterschreiten bzw. mindestens eine der be sagten Funktionen einen jeweiligen festlegbaren Grenzwert unterschreitet/unterschreiten bzw. überschreitet/überschreiten. Je nach der gewählten Funktion muß das Auslösen bzw. Ab schalten bei Unter- bzw. Überschreiten eines Grenzwertes geschehen. Das Abschalten der Spannungsversorgung kann durch ein Plasmabrenner-Führungssystem erfolgen.
Günstigerweise wird/werden der Spannungsmittelwert U und/oder der Spannungseffektivwert
UEff ausgedruckt.
Darüber hinaus kann vorgesehen sein, daß der Spannungsmittelwert U und/oder der Span
nungseffektivwert UEff gespeichert wird/werden.
Vorzugsweise beträgt die Gesamtmeßzeit T 0,2 bis 1,5 s.
Ferner beträgt der zeitliche Abstand Δt vorzugsweise 1 bis 100 µs.
Dabei kann gemäß einer weiteren besonderen Ausführungsform vorgesehen sein, daß der
Schritt (a) außerdem umfaßt:
Berechnung der Standardabweichung s und/oder der Varianz v aus den n Spannungsmeßwer ten Uk und dem Spannungsmittelwert U, und daß der Schritt (b) zusätzlich umfaßt:
Anzeigen der berechneten Standardabweichung s und/oder der Varianz v oder einer Funktion des jeweiligen Wertes und eines jeweiligen Referenzparameters.
Berechnung der Standardabweichung s und/oder der Varianz v aus den n Spannungsmeßwer ten Uk und dem Spannungsmittelwert U, und daß der Schritt (b) zusätzlich umfaßt:
Anzeigen der berechneten Standardabweichung s und/oder der Varianz v oder einer Funktion des jeweiligen Wertes und eines jeweiligen Referenzparameters.
Günstigerweise umfaßt das Verfahren: Auslösen eines Warnsignals und/oder Abschalten der
Spannungsversorgung für den Plasmabrenner, wenn die berechnete Standardabweichung s
und/oder die berechnete Varianz v einen jeweiligen festlegbaren Grenzwert unterschrei
tet/unterschreiten bzw. mindestens eine der besagten Funktionen einen jeweiligen festlegba
ren Grenzwert unterschreitet/unterschreiten bzw. überschreitet/überschreiten. Unter den be
sagten Verhältnissen sind die in dem vorangehenden Absatz genannten Verhältnisse zu ver
stehen.
Vorzugsweise wird/werden die Standardabweichung s und/oder die Varianz v ausgedruckt.
Ferner kann dabei vorgesehen sein, daß die Standardabweichung s und/oder die Varianz v
gespeichert wird/werden.
Außerdem kann vorgesehen sein, daß das Warnsignal ein optisches Warnsignal umfaßt.
Alternativ kann auch vorgesehen sein, daß das Warnsignal ein akustisches Warnsignal um
faßt.
Außerdem kann vorgesehen sein, daß der Grenzwert oder mindestens einer der Grenzwerte
vorab festgelegt wird.
Darüber hinaus kann der Grenzwert oder mindestens einer der Grenzwerte ein Absolut
wert/Absolutwerte sein.
Andererseits kann auch vorgesehen sein, daß der Grenzwert oder mindestens einer der
Grenzwerte ein auf den jeweiligen Refernzparameter bezogener Wert ist.
Gemäß einer weiteren besonderen Ausführungsform der Erfindung ist/sind der Referenzpa
rameter der Referenzspannungsmittelwert URef und/oder der Referenzspannungseffektivwert
UEff,Ref und wird/werden er/sie anhand von Referenzmessungen an einer unbeschädigten
Plasmabrennerdüse unter denselben Betriebsbedinungen, wie Plasmagas, Plasmagasvolumen
strom, Leistung, ermittelt.
Außerdem kann vorgesehen sein, daß als zusätzlicher Referenzparameter bzw. als zusätzliche
Referenzparameter die Referenzstandardabweichung sRef und/oder die Referenzvaraianz vRef
ermittelt wird/werden.
Günstigerweise wird ein automatischer Wechsel zumindest der Plasmabrennerdüse vorge
nommen, wenn zumindest ein berechneter Parameter einen jeweiligen Grenzwert unter
schreitet. Der automatische Wechsel kann auch z. B. den Wechsel des Plasmabrennerkopfes
oder des kompletten Plasmabrenners umfassen.
Weiterhin kann der Lichtbogen zur nachfolgenden Werkstückbearbeitung in indirekter Be
triebsweise des Plasmabrenners dienen. Der über die Spannung eine Aussage über den Ver
schleißzustand der Plasmabrenndüse liefernde Lichtbogen wird in diesem Fall nachfolgend
auch zur Werkstückbearbeitung verwendet.
Alternativ kann der Lichtbogen als Pilotlichtbogen zur nachfolgenden Werkstückbearbeitung
in direkter Betriebsweise des Plasmabrenners dienen. In diesem Fall wird eine Überwachung
des Verschleißzustandes einer Plasmabrennerdüse über den zur nachfolgenden Zündung des
Hauptlichtbogens notwendigen Pilotlichtbogen vorgenommen.
Wiederum alternativ kann der Lichtbogen zusätzlich zu einem Pilotlichtbogen gezündet wer
den. Ein derartiger Lichtbogen dient dann einzig und allein zur Überwachung des Verschleiß
zustandes einer Plasmabrennerdüse.
Schließlich kann auch vorgesehen sein, daß der Lichtbogen mit einem anderen Plasmagas
und/oder einem anderen Plasmagasvolumenstrom und/oder einer geringeren Leistung als der
Pilotlichtbogen betrieben wird. Dies weist den Vorteil auf, daß immer definierte Verhältnisse
hinsichtlich des Plasmagasvolumenstroms und des Plasmagases bestehen. Beim Pilotlichtbo
gen zur Erregung des Hauptlichtbogens besteht dagegen die Möglichkeit, da je nach Schneid
aufgabe unterschiedliche Plasmagase und -volumenströme verwendet werden.
Der Erfindung liegt somit die überraschende Erkenntnis zugrunde, daß es durch die zusätzli
che Ermittlung der Standardabweichung s und/oder der Varianz v der Lichtbogenspannung
neben der Ermittlung eines Spannungsmittelwertes U und/oder Spannungseffektivwertes Ueff
möglich ist, eindeutig auf den Verschleißzustand der Plasmabrennerdüsen zu schließen.
Der zeitliche Verlauf der Lichtbogenspannung wird nämlich mit zunehmender einseitiger
Beschädigung des Düsenkanals glatter. Während sich ein Verschleiß in Form einer gleichmä
ßigen Aufweitung des Düsenkanals stärker auf den Mittelwert der Lichtbogenspannung aus
wirkt, wirkt sich eine einseitige Beschädigung des Düsenkanals stärker auf die Glattheit der
Lichtbogenspannung aus. Bei einer unbenutzten bzw. unbeschädigten Plasmabrennerdüse
treten Lichtbogenspannungsänderungen um einen Spannungsmittelwert auf, da der anode
Düsenansatzpunkt des Lichtbogens am Düsenmund rotiert. Tritt eine einseitige Beschädigung
des Düsenkanals z. B. durch Schneiden in nur einer Richtung oder durch hochspritzendes
Material, das zur Ausbildung eines Lichtbogens führen kann, der zwischen der Düse und dem
Werkstück brennt (Doppellichtbogen), oder durch Werkstückberührung der Plasambrennerdüse
ein, so rotiert der anodische Düsenansatzpunkt des Pilotlichtbogens nicht mehr so stark
am Düsenmund wie bei einer unbenutzten oder unbeschädigten Plasmabrennerdüse. Diese
Form des Verschleißes kann den Düsenkanal auch nur teilweise beschädigen, so daß es zu
keiner Änderung des Düsendurchmessers kommt. Derartige Düsenkanaldefekte werden bei
den Verfahren gemäß den in der Beschreibungseinleitung zitierten Druckschriften nicht er
kannt. Eine einseitige Aufweitung des Düsenkanals führt zu einer seitlichen Auslenkung des
Plasmastrahls und damit zu einer deutlichen Verringerung der Schnittqualität, die durch die
Kenngrößen Form- und Lagetoleranz, die Rechtwinkligkeits- und Neigungstoleranz und die
gemittelte Rauhtiefe der Schnittfläche beschrieben wird. Beim Betreiben eines Plasmabren
ners verschleißt üblicherweise die Düse in Form eines Kombination beider Verschleißarten,
so daß sich sowohl der Mittelwert der Lichtbogenspannung als auch ihre Glattheit ändern.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Gefahr einer fehlerhaften Bearbeitung des
Werkstückes verringert und die Qualität der Werkstückbearbeitung wesentlich erhöht. Außer
dem werden Verschleißteilkosten gesenkt, da die Verschleißteile erst zum spätmöglichsten
Zeitpunkt gewechselt werden können.
Darüber hinaus weist das Verfahren den Vorteil auf, daß beide oben beschriebenen Düsenver
schleißformen vor der eigentlichen Materialbearbeitung mit dem Plasmabrenner erkannt und
signalisiert werden und darauf erforderlichenfalls reagiert wird.
Die Auswertung der Lichtbogenspannung kann analog, digital oder in einer Kombination der
beiden Auswertungsarten erfolgen. Eine analoge Ermittlung des Spannungsmittelwertes U
und/oder des Spannungseffektivwertes UEff kann im einfachsten Fall über elektrische Meß
werke erfolgen. So besteht die Möglichkeit, den Spannungsmittelwert U über ein Drehspul
meßwerk und den Spannungseffektivwert UEff über ein quadratbildendes Meßwerk, z. B. ein
Dreheisen- bzw. elektrostatisches Meßwerk, zu ermitteln. Der Wechselspannungsanteil kann
durch Vorschalten eines Kondensators vor das quadratbildende Meßwerk ermittelt werden.
Bei Unterschreiten eines zuvor festgelegten Grenzwertes kann durch einen Grenzwertgeber
ein Warnsignal gegeben werden.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und der
nachstehenden Beschreibung, in der ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung an
hand der beigefügten Zeichnungen erläutert ist, in denen
Fig. 1 eine Anordnung zur Durchführung einer Ausführungsform des erfin
dungsgemäßen Verfahrens schematisch zeigt;
Fig. 2 Einzelheiten einer analogen Lichtbogenspannungsauswerteeinrichtung
zeigt,
Fig. 3 Einzelheiten einer digitalen Lichtbogenspannungsauswerteeinrichtung
zeigt, und
Fig. 4a) bis 4d) die gemessenen zeitlichen Verläufe der Lichtbogenspannung für unter
schiedlich stark verschlissene Plasmabrennerdüsen zeigen.
Fig. 1 zeigt einen Plasmabrenner 10, mit dem ein Werkstück (nicht gezeigt) geschnitten wer
den soll. Der Plasmabrenner 10 wird dazu direkt betrieben. Zum Durchzünden eines für die
Werkstückbearbeitung verwendeten Hauptlichtbogens ist ein Pilotlichtbogen 12 von der
Elektrode (Kathode) 14 zu der Düse (Anode) 16 des Plasmabrenners 10 erforderlich. Die Pi
lotlichtbogenspannung zwischen der Elektrode 14 und der Düse 16 wird an einer Plasma
schneidstromquelle 18 über eine Lichtbogenspannungsauswerteeinrichtung 19 abgegriffen. Es
wäre aber auch möglich, eine der Pilotlichtbogenspannung proportionale Spannung, z. B. die
Spannung zwischen der Elektrode 14 und einem Werkstück auszuwerten. Der Pilotlichtbogen
12 wird durch das Anlegen einer von einem Pilotlichtbogenzündgerät 20 kurzzeitig erzeugten
Hochspannung zwischen der Elektrode 14 und der Düse 16 gezündet. Der Strom des Pilotlichtbogens
12 wird durch einen Pilotlichtbogen-Widerstand 22 begrenzt und brennt mit einer
geringen Leistung.
Die Lichtbogenspannung kann über eine Auswerteeinrichtung in Form einer analogen elek
tronischen Schaltung, wie sie z. B. in Fig. 2 gezeigt ist, vorgenommen werden. In Fig. 2 wird
die Lichtbogenspannung über einen Meßwandler 24 und eine galvanische Trennung 26 ent
sprechenden analogen Auswertegruppen, und zwar für den Spannungsmittelwert U einem
Mittelwertbildner (Integrator) 28 und für den Spannungseffektivwert UEff einem Effektivwert
bildner 30, zugeführt.
Die Ergebnisse werden über eine jeweilige Anzeigeeinrichtung 32, 34, die analog oder digital
sein kann, ausgegeben. Referenzspannungsmittelwerte URef und Referenzspannungsmittel
werte UEff,Ref können in einer jeweiligen Analogwertspeichereinrichtung 36, 38 gespeichert
und einstellbar mit den laufenden Spannungsmeßwerten mit Hilfe eines jeweiligen Span
nungsvergleichers (Komparator) 40, 42 verglichen werden. Bei Unterschreiten des jeweiligen
eingestellten Referenzwertes wird ein Warnsignal abgegeben. Weiterhin besteht auch die
Möglichkeit, den Wechselspannungsanteil auszuwerten. Hierzu wird die Lichtbogenspannung
über einen Hochpaßfilter 44 einem Gleichrichter und einer Anzeigeeinrichtung 46 zugeführt.
Auch hier kann ein Referenzspannungsmittelwert in einer Analogwertspeichereinrichtung 48
gespeichert und einstellbar mit den laufenden Spannungsmeßwerten mit Hilfe eines Span
nunsvergleichers (Komparator) 50 verglichen werden.
Die modernste und komfortabelste Anordnung zur Ermittlung des Düsenverschleißzustandes
ist jedoch die digitale Auswertung der Lichtbogenspannung unter Verwendung eines Mikro
prozessors.
Fig. 3 zeigt Einzelheiten einer digitalen Lichtbogenspannungsauswerteeinrichtung. Die Licht
bogenspannungsauswerteeinrichtung umfaßt einen Meßwandler 24, eine galvanische Tren
nung 26, einen A/D-Wandler 52, eine Speichereinrichtung 54 und einen Mikrokontroller 56
mit einer Speichereinrichtung 58 in Form eines EPROM sowie mit einer Anzeigeeinrichtung
60. Darüber hinaus steht der Mikrokontroller 58 mit einem Verschleißteilwechselsystem 62 in
Verbindung.
Der Meßwandler 24 wandelt die gemessene Lichtbogenspannung, die im vorliegenden Fall
der Pilotlichtbogenspannung entspricht und typischerweise im Bereich von 0 bis 250 Volt
liegt, in Werte im Bereich von 0 bis 10 Volt um. Gleichzeitig dient der Meßwandler 24 der
Bedämpfung der zur Zündung des Pilotlichtbogens 12 erforderlichen Hochspannung auf die
Lichtbogenspannungsauswerteeinrichtung 19. Die galvanische Trennung 26 realisiert eine
galvanische Trennung des Elektronikpotentials vom Potential des Plasmaschneidkreises. In
dem A/D-Wanlder 52 wird die analoge Lichtbogenspannung in ein digitales Signal mit n dis
kreten Spannungswerten Uk umgewandelt und in der Speichereinrichtung 54 in Form eines
RAM gespeichert. Der Mikrokontroller 54 übernimmt die Steuerung der Abläufe und die Be
rechnung von statistischen Kennwerten des zeitlichen Verlaufes der (Pi
lot)Lichtbogenspannung wie folgt:
Zur Auswertung des Verschleißzustandes einer Plasmabrennerdüse wird zunächst der zeitli
che Verlauf einer Referenzlichtbogenspannung einer neuen Plasmabrennerdüse aufgenommen
und deren Referenzspannungsmittelwert URef, Referenzstandardabweichung sRef und Refe
renzvarianz vRef berechnet und abgespeichert.
Vor dem eigentlichen Einsatz des Plasmabrenners zum Plasmaschneiden wird während der
Pilotlichtbogenphase der zeitliche Verlauf der Pilotlichtbogenspannung gemessen und deren
Spannungsmittelwert U, die Standardabweichung s und die Varianz v gespeichert und mit den
Referenzwerten verglichen sowie als Absolutwert oder als prozentualer Wert der Referenz
werte angezeigt. Wenn festgelegte Grenzwerte unterschritten werden, wird ein optisches oder
akustisches Warnsignal ausgelöst und das Verschleißteilwechselsystem 62 über den Mikro
kontroller 54 veranlaßt, einen automatischen Verschleißteilwechsel vorzunehmen.
Fig. 4a) und 4d) zeigen beispielhaft Ergebnisse von Untersuchungen an Plasmabrennerdüsen,
die vier unterschiedlichen Verschleißgruppen angehören:
Fig. 4a) neue Plasmabrennerdüse
Fig. 4b) leicht verschlissene Plasmabrennerdüse
Fig. 4c) durchschnittlich verschlissene Plasmabrennerdüse
Fig. 4d) stark verschlissene Plasmabrennerdüse
Die Auswirkungen des Düsenverschleißzustandes wurden hinsichtlich der Schnittqualität un
tersucht. Hierbei sind folgende Parameter relevant:
- - Schnittfugenbreite
- - Schnittkantenqualität, Schlacke
- - Bartgewicht und Bartvolumen
- - Schnittflächenqualität
- - Schnittoberflächenqualität
Die Untersuchungen ergaben, daß sich alle Parameter mit zunehmendem Düsenverschleiß
verschlechtern. Wie die Untersuchungen weiterhin zeigten, ist ein Erkennen des Verschleiß
zustandes von Plasmabrennerdüsen gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren eindeutig
möglich. Dies wird auch anhand der nachfolgenden Tabelle deutlich.
Die relative Änderung des Spannungsmittelwertes U der Pilotlichtspannung zwischen einer
neuen und einer stark verschlissenen Plasmabrennerdüse beträgt 27% und die relative Ände
rung der Standardabweichung s beträgt 53%. Es haben sich sowohl der Spannungsmittelwert
U als auch die Standardabweichung s geändert, da sich bei real verschlissenen Plasmab
rennerdüsen meist eine Vergrößerung des Durchmessers der Düsenbohrung und teilweise
Düsenkanaldefekte ergeben. Die Standardabweichung s ändert sich prozentual stärker als der
Spannungsmittelwert U mit dem Düsenverschleiß. Wie sich aus dem Vorangegangenen er
gibt, kann durch die Messung der Pilotlichtbogenspannung und deren statistische Auswertung
mit großer Sicherheit der Verschleißzustand einer Plasmabrennerdüse ermittelt werden.
Die in der vorangehenden Beschreibung, in der Zeichnung sowie in den Ansprüchen offen
barten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebigen Kombinationen
für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich
sein.
10
Plasmabrenner
12
Pilotlichtbogen
14
Elektrode
16
Düse
18
Plasmaschneidstromquelle
19
Lichtbogenspannungsauswerteeinrichtung
20
Pilotlichtbogenzündgerät
22
Pilotlichtbogen-Widerstand
24
Meßwandler
26
galvanische Trennung
28
Mittelwertbildner
30
Effektivwertbildner
32
,
34
Anzeige
36
,
38
Analogwertspeicher
40
,
42
Spannungsvergleicher
44
Hochpaßfilter
46
Anzeige
48
Analogwertspeicher
50
Spannungsvergleicher
52
A/D-Wandler
54
Speichereinrichtung
56
Mikrokontroller
58
Speichereinrichtung
60
Anzeigeeinrichtung
62
Verschleißteilwechselsystem
Claims (25)
1. Verfahren zur Überwachung des Verschleißzustandes einer Düse eines Plasmabrenners
mit rotierendem Plasmagas, das die folgenden Schritte umfaßt:
- a) Ermittlung eines Spannungsmittelwertes U und/oder Spannungseffektivwertes UEff eines zeitlichen Verlaufes einer Spannung eines Lichtbogens zwischen einer Elektrode (Kathode) und der Düse (Anode) des Plasmabrenners bzw. einem Werk stück (Anode) vor einer Bearbeitung des Werkstückes mit dem Plasmabrenner und Ermittlung der Standardabweichung s und/oder der Varianz v der Lichtbogenspan nung;
- b) Anzeigen des ermittelten Spannungsmittelwertes U und/oder des ermittelten Spannungseffektivwertes UEff oder einer Funktion des jeweiligen Wertes und eines jeweiligen Referenzparameters und Anzeigen der ermittelten Standardabweichung s und/oder ermittelten Varianz v der Lichtbogenspannung.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungsmittelwert U
ein arithmetischer Mittelwert ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungsmittelwert U
ein geometrischer Mittelwert ist.
4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der
Schritt (a) umfaßt:
Messung und Speicherung von n Meßwerten Uk des zeitlichen Verlaufes einer Span nung eines Lichtbogens, mit
n ∈ {2, 3, . . . .},
k ∈ {0, 1, . . ., n - 1} und
(n - 1).Δt = T,
wobei Δt der zeitliche Abstand zwischen zwei Messungen und T die Gesamtmeßzeit ist; und
Berechnung des Spannungsmittelwertes U oder Spannungseffektivwertes UEff aus den Spannungsmeßwerten Uk.
Messung und Speicherung von n Meßwerten Uk des zeitlichen Verlaufes einer Span nung eines Lichtbogens, mit
n ∈ {2, 3, . . . .},
k ∈ {0, 1, . . ., n - 1} und
(n - 1).Δt = T,
wobei Δt der zeitliche Abstand zwischen zwei Messungen und T die Gesamtmeßzeit ist; und
Berechnung des Spannungsmittelwertes U oder Spannungseffektivwertes UEff aus den Spannungsmeßwerten Uk.
5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es
umfaßt:
Auslösen eines Warnsignals und/oder Abschalten der Spannungsversorgung für den Plasmabrenner, wenn der Spannungsmittelwert U und/oder der Spannungsef fektivwert UEff einen jeweiligen festlegbaren Grenzwert unterschreitet/unterschreiten bzw. mindestens eine der besagten Funktionen einen jeweiligen festlegbaren Grenz wert unterschreitet/unterschreiten bzw. überschreitet/überschreiten.
Auslösen eines Warnsignals und/oder Abschalten der Spannungsversorgung für den Plasmabrenner, wenn der Spannungsmittelwert U und/oder der Spannungsef fektivwert UEff einen jeweiligen festlegbaren Grenzwert unterschreitet/unterschreiten bzw. mindestens eine der besagten Funktionen einen jeweiligen festlegbaren Grenz wert unterschreitet/unterschreiten bzw. überschreitet/überschreiten.
6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der
Spannungsmittelwert U und/oder der Spannungseffektivwert UEff ausgedruckt wird/werden.
7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der
Spannungsmittelwert U und/oder der Spannungseffektivwert UEff gespeichert wird/werden.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamt
meßzeit T 0,2 bis 1,5 s beträgt.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der zeitliche
Abstand Δt 1 bis 100 µs beträgt.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt
(a) außerdem umfaßt:
Berechnung der Standardabweichung s und/oder der Varianz v aus den n Span nungsmeßwerten Uk und dem Spannungsmittelwert Uk, und daß der Schritt (b) zu sätzlich umfaßt:
Anzeigen der berechneten Standardabweichung s und/oder der Varianz v oder einer Funktion des jeweiligen Wertes und eines jeweiligen Referenzparameters.
Berechnung der Standardabweichung s und/oder der Varianz v aus den n Span nungsmeßwerten Uk und dem Spannungsmittelwert Uk, und daß der Schritt (b) zu sätzlich umfaßt:
Anzeigen der berechneten Standardabweichung s und/oder der Varianz v oder einer Funktion des jeweiligen Wertes und eines jeweiligen Referenzparameters.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß es umfaßt:
Auslösen eines Warnsignals und/oder Abschalten der Spannungsversorgung für den Plasmabrenner, wenn die berechnete Standardabweichung s und/oder die berechnete Varianz v einen jeweiligen festlegbaren Grenzwert unterschreitet/unterschreiten bzw. mindestens eine der besagten Funktionen einen jeweiligen festlegbaren Grenzwert unterschreitet/unterschreiten bzw. überschreitet/überschreiten.
Auslösen eines Warnsignals und/oder Abschalten der Spannungsversorgung für den Plasmabrenner, wenn die berechnete Standardabweichung s und/oder die berechnete Varianz v einen jeweiligen festlegbaren Grenzwert unterschreitet/unterschreiten bzw. mindestens eine der besagten Funktionen einen jeweiligen festlegbaren Grenzwert unterschreitet/unterschreiten bzw. überschreitet/überschreiten.
12. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die
Standardabweichung s und/oder die Varianz v ausgedruckt wird/werden.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Stan
dardabweichung s und/oder die Varianz v gespeichert wird/werden.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Warn
signal ein optisches Warnsignal umfaßt.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Warn
signal ein akustisches Warnsignal umfaßt.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der
Grenzwert oder mindestens einer der Grenzwerte vorab festgelegt wird.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß der
Grenzwert oder mindestens einer der Grenzwerte ein Absolutwert/Absolutwerte ist.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß der
Grenzwert oder mindestens einer der Grenzwerte ein auf den jeweiligen Referenzparameter
bezogener Wert ist.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß der/die Re
ferenzparameter der Referenzspannungsmittelwert URef und/oder der Referenzspannungseffektivwert
UEff,Ref ist/sind und anhand von Referenzmessungen an einer unbeschädigten
Plasmabrennerdüse unter denselben Betriebsbedingungen, wie Plasmagas, Plasmagas
volumenstrom, Leistung, ermittelt wird/werden.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß als zu
sätzlicher Referenzparameter bzw. als zusätzliche Referenzparameter die Referenzstandar
dabweichung sRef und/oder die Referenzvarianz vRef ermittelt wird/werden.
21. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein
automatischer Wechsel zumindest der Plasmabrennerdüse vorgenommen wird, wenn zu
mindest ein berechneter Parameter einen jeweiligen Grenzwert unterschreitet.
22. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der
Lichtbogen zur nachfolgenden Werkstückbearbeitung in indirekter Betriebsweise des Plas
mabrenners dient.
23. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß der Licht
bogen als Pilotlichtbogen zur nachfolgenden Werkstückbearbeitung in direkter Betriebs
weise des Plasmabrenners dient.
24. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß der Licht
bogen zusätzlich zu einem Pilotlichtbogen gezündet wird.
25. Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtbogen mit einem
anderen Plasmagas und/oder einem anderen Plasmagasvolumenstrom und/oder einer gerin
geren Leistung als der Pilotlichtbogen betrieben wird.
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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ID=7838345
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- 1997-12-18 DE DE19756445A patent/DE19756445C2/de not_active Expired - Fee Related
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OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
D2 | Grant after examination | ||
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