DE202007019701U1

DE202007019701U1 - Nicht-lineares adaptives Steuerungssystem zum Schweissen

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Publication number: DE202007019701U1
Application number: DE202007019701.2U
Authority: DE
Original assignee: LLNCOLN GLOBAL LNC
Current assignee: LLNCOLN GLOBAL LNC
Priority date: 2006-09-19
Filing date: 2007-03-19
Publication date: 2016-02-22
Anticipated expiration: 2017-03-20
Also published as: US20080078812A1; WO2008036433A3; US8963045B2; WO2008036433A2; EP2064018A2; WO2008036433A8; EP2064018A4

Abstract

Schweißsystem, das Folgendes umfasst: eine Stromquelle mit einem Ausgang, der ein Schweißsignal als eine Reihe von Wellenformen an einen Schweißvorgang ausgibt; ein Rückkopplungssystem, das mit der Stromquelle wirkgekoppelt ist und mindestens einen Rückkopplungswert abfühlt, der mit dem Schweißvorgang verknüpft ist; und einen Controller, der mit dem Rückkopplungssystem und mit der Stromquelle wirkgekoppelt ist, wobei der Controller mindestens ein Steuersignal in die Stromquelle einspeist, um selektiv mindestens einen Wellenformparameter des Schweißsignals in nicht-linearer Weise mindestens teilweise auf der Basis des mindestens einen Rückkopplungswertes von dem Rückkopplungssystem anzupassen, um den Ausgang von der Stromquelle zu regeln.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein das Lichtbogenschweißen, und betrifft insbesondere adaptive Schweißgeräte, Stromquellensteuerungen zum Regulieren eines Schweißprozesses.
AUFNAHME IN DEN VORLIEGENDEN TEXT DURCH BEZUGNAHME
Beispiele höherentwickelter wellenformgesteuerter Schaltschweißgeräte und zugehöriger Werkzeuge sind offenbart in: Shutt 4,246,463; Blankenship 5,278,390, Hsu 6,002,104; Stava 6,111,216, Stava 6,207,929; Stava 6,291,798; Houston 6,472,634; Spear 6,486,439; Fulmer 6,498,321; Blankenship 6,624,368; Hsu 6,700,097; Hsu 6,717,108; Hsu 6,734,394; und Blankenship 6,940,039, die jeweils in vollem Umfang durch Bezugnahme in den vorliegenden Text aufgenommen werden.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gas-Metall-Lichtbogenschweißen (GMAW) und Metall-Kern-Lichtbogenschweißen (MCAW) sind Lichtbogenschweißprozesse, die weithin in der Industrie verwendet werden. Es werden verschiedene Modi des Metalltransfers durch diese Prozesse bereitgestellt, wie zum Beispiel Impulssprühtransfer, mitunter als Impulsschweißen bezeichnet. Impulssprühtransfer bietet viele Vorteile gegenüber anderen Transferarten, wie zum Beispiel geringe Wärmezufuhr, Arbeiten mit geringer Spritzneigung sowie die Fähigkeit, über einen breiten Verfahrensbereich zu arbeiten. Gemäß der klassischen Impulsschweißtheorie ist der Schweißgerätausgang durch eine Reihe von Hochamplitudenimpulsen gekennzeichnet, die über ein Hintergrundausgangssignal von niedrigerer Amplitude gelegt werden, wobei jeder Impuls im Idealfall ein einzelnes Tröpfchen schmelzflüssigen Metalls durch den Schweißlichtbogen von einem aufzehrbaren Draht zu dem Werkstück transferiert. Im Zuge der technischen Weiterentwicklung der industriellen Hochgeschwindigkeits-Controller und Leistungswandler können Impulsschweißparameter justiert werden, um den Metalltransfer für eine bestimmte Schweißanwendung zu optimieren. Die meisten modernen Impulsschweißmaschinen bieten verschiedene synergetische Impulsschweißmodi, wobei jeder Modus ein Protokoll aus Betriebsimpulsparametern auf der Basis der Drahtzufuhrgeschwindigkeit für einen speziellen Drahttyp, eine spezielle Drahtgröße, einen speziellen Gastyp usw. bereitstellt. Die elektrische Impulsschweißwellenform ist allgemein durch vier Parameter gekennzeichnet, darunter Impulsamplitude, Impulsdauer, Hintergrundamplitude und Zyklusperiode oder Frequenz, die zusammen die dem Lichtbogen zugeführte Leistung bestimmen. Für ein bestimmtes Schweißverbrauchsmaterial steht der Impulsschweißleistungspegel zu einer Metallabschmelzrate in Beziehung, und falls der Prozess so gesteuert wird, dass die Abschmelzrate gleich der Drahtzufuhrgeschwindigkeit (Wire Feed Speed, WFS) ist, so hat die Länge des entstandenen Lichtbogens einen optimalen Wert. Impulsschweißprozesse können somit Niedrigwärmeprozesse bereitstellen, bei denen die aufzehrbare Elektrode im Idealfall nicht die Schweißpfütze berührt, wobei der Prozess in der Regel durch eine Hochgeschwindigkeitssteuerung des Schweißausgangssignals in Verbindung mit einer Steuerung der Drahtzufuhrgeschwindigkeit ausgeführt wird, um einen schweißspritzerfreien Prozess bereitzustellen, der bei einer geringeren Wärmezufuhr ausgeführt werden kann als Sprüh- oder Tröpfchentransferverfahren.
Für einen bestimmten Impulsschweißprozess wird die Impulswellenform im Idealfall auf einen speziellen Drahttyp und eine spezielle Drahtgröße, eine spezielle Drahtzufuhrgeschwindigkeit, eine spezielle Abscheidungsrate und andere Prozessspezifikationen abgestimmt, um die Qualität der fertigen Schweißnaht zu optimieren und die Schweißzeit zu verkürzen. Moderne Impulsschweißmaschinen sind mit einem adaptiven Rückkopplungsschaltkreis ausgestattet, der die Lichtbogenlänge abfühlt und einen oder mehrerer Impulsparameter modifiziert oder angepasst, um die erforderliche Leistungsbalance für die zugeführte Leistung zu wahren und dadurch die gewünschte Lichtbogenlänge aufrecht zu erhalten, wobei der adaptive Steuerungsbetrieb der Stromquelle allgemein vorprogrammiert ist und anderen Rückkopplungssystemen oder -algorithmen ähnelt. In der Praxis wird die tatsächliche Lichtbogenlänge in der Regel gemessen und mit einer gewünschten Lichtbogenlänge verglichen, woraus ein Fehlerterminus gebildet wird. Auf der Basis dieses Fehlerterminus und eines Multiplikationsfaktors angepasst das Rückkopplungssystem die Impulsparameter, um die gewünschte Lichtbogenlänge aufrecht zu erhalten. Diese adaptive Steuerung funktioniert, solange die adaptive Routine nicht versucht, die Impulsparameter über die physikalischen Beschränkungen hinaus zu modifizieren. Wenn zum Beispiel die Impulsamplitude zu niedrig ist, so kann der Strom unter den Impulsübergangsstrom abfallen, und es werden keine Tröpfchens mehr zu der Pfütze transferiert. Wenn in einem anderen Fall die Hintergrundamplitude zu niedrig ist, so springt der Lichtbogen heraus und geht verloren. Zu anderen Beispielen gehören Situationen, in denen die Impulsperiode zu lang ist, wobei herkömmliche adaptive Impulsschweißsteuerungen bewirken, dass die schmelzflüssigen Tröpfchen zu groß werden, um ordnungsgemäß transferiert zu werden, sowie Bedingungen, unter denen die Impulsperiode zu kurz wird, wobei zum Stand der Technik gehörende adaptive Techniken bewirken, dass die Spitzenprofile ineinander laufen, wodurch den Effekt der Pulsationswirkung verloren geht. Aufgrund dieser Beschränkungen ist das Sortiment an herkömmlichen adaptiven Impulsschweißsteuerungen begrenzt, so dass Bedarf an verbesserten adaptiven Schweißsystemen und -verfahren besteht.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Es werden nun ein oder mehrere Aspekte der Erfindung zusammengefasst, um ein Grundverständnis der Erfindung zu vermitteln, wobei diese Kurzdarstellung keine umfassende Übersicht der Erfindung ist und weder bestimmte Elemente der Erfindung herausheben noch ihren Schutzumfang umreißen soll. Der Hauptzweck der Kurzdarstellung ist es vielmehr, einige Konzepte der Erfindung in vereinfachter Form vorzustellen, bevor anschließend zu einer detaillierteren Beschreibung übergegangen wird. Die vorliegende Erfindung betrifft die adaptive Steuerung von wellenformbasierten Schweißprozessen, wie zum Beispiel Impulsschweißen, Kurzschlussschweißen usw., und kann erfolgreich dafür verwendet werden, die Fähigkeit zu verbessern, Schweißsignalwellenformen an einen bestimmten Schweißprozess anzupassen. Die nichtlineare Anpassung eines oder mehrerer Wellenformparameter dient zum Regulieren des Ausgangssignals einer Schweißstromquelle beim Erzeugen eines Schweißsignals, das als eine Reihe von Wellenformen ausgebildet wird, und die Erfinder haben erkannt, dass eine solche nicht-lineare adaptive Steuerung die Steuerung beim Einspeisen wellenformbasierter Schweißsignale in einen bestimmten Schweißprozess verbessern kann. Diese wiederum erlaubt es Schweißprozessingenieuren, die Schweißzeiten weiter zu verkürzen und die Schweißkosten zu senken, während die Qualität der fertigen Schweißnaht verbessert wird.
Gemäß einem oder mehreren Aspekten der Erfindung werden Schweißsysteme und Steuerungssysteme bereitgestellt. Die Schweißsysteme enthalten eine Stromquelle mit einem Ausgang, der ein Schweißsignal als eine Reihe von Wellenformen in einen Schweißvorgang einspeist, sowie ein Rückkopplungssystem und einen Controller, der ein oder mehrere Steuersignale gemäß einem oder mehreren durch das Rückkopplungssystem abgefühlten Schweißbetriebswerten in die Stromquelle einspeist. Der Controller stellt das Steuersignal für eine selektive nicht-lineare Anpassung mindestens eines Wellenformparameters mindestens teilweise auf der Basis des Wertes oder der Werte aus dem Rückkopplungssystem bereit, um das Ausgangssignal der Stromquelle zu regeln.
Andere Aspekte der Erfindung stellen Verfahren zum Regulieren eines Schweißprozesses bereit, das umfasst, mindestens einen Rückkopplungswert, der dem Schweißprozess zugeordnet ist, abzufühlen und mindestens einen gesteuerten Wellenformparameter des Schweißsignals in nicht-linearer Weise mindestens teilweise auf der Basis des Rückkopplungswertes von dem Rückkopplungssystem selektiv anzupassen. Die selektive Parameteranpassung kann Folgendes enthalten: Vergleichen des Rückkopplungswertes mit einem Sollpunktwert, um einen Fehlerwert abzuleiten, Bestimmen eines Parameterskalierungsfaktors für den mindestens einen gesteuerten Wellenformparameter auf der Basis eines momentanen Arbeitspunktwertes und des Fehlerwertes, wobei der Parameterskalierungsfaktor nicht-linear als eine Funktion des Fehlerwertes variiert, und selektives Anpassen des gesteuerten Wellenformparameters gemäß dem Fehlerwert und gemäß dem Parameterskalierungsfaktor.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die folgende Beschreibung und die Zeichnungen legen bestimmte veranschaulichende Implementierungen der Erfindung im Detail dar, die verschiedene beispielhafte Möglichkeiten aufzeigen, wie die Prinzipien der Erfindung ausgeführt werden können. Die veranschaulichten Beispiele sind jedoch keine vollständige Aufzählung der vielen möglichen Ausführungsformen der Erfindung. Weitere Aufgaben, Vorteile und neuartige Merkmale der Erfindung gehen aus der folgenden detaillierten Beschreibung der Erfindung hervor, wenn sie in Verbindung mit den Zeichnungen betrachtet werden, in denen Folgendes dargestellt ist:
1 ist ein teilweiser Seitenaufriss in einer Schnittansicht, der schematisch ein Schweißsystem mit einem nicht-linearen adaptiven Controller gemäß einem oder mehreren Aspekten der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
2A ist ein Kurvendiagramm, das eine adaptive Regelkreissteuerung des Spitzenstromwertes eines GMAW-Schweißimpulses unter Verwendung eines relativ schmalen adaptiven Steuerbereichs veranschaulicht;
2B ist ein Kurvendiagramm, das eine Steuerung des Spitzenstromwertes eines GMAW-Impulses unter Verwendung eines größeren adaptiven Steuerbereichs veranschaulicht, der sich in einer Steuerrichtung unterhalb eines Sprühübergangsstroms erstreckt;
3 ist ein detailliertes schematisches Systemschaubild, das ein Schweißsystem mit einem nicht-linearen adaptiven Stromquellen-Steuerungssystem in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht;
4 ist ein Flussdiagramm, das ein beispielhaftes Verfahren zum Regulieren eines Schweißprozesses gemäß weiteren Aspekten der Erfindung veranschaulicht;
5 ist ein Kurvendiagramm, das eine beispielhafte nicht-lineare adaptive Steuerungsbeziehung zeigt, die mittels der Verfahren und Systeme der Erfindung implementiert werden kann, wobei Spitzenstrom und Impulsfrequenz in nicht-linearer Weise als eine Funktion der Kontakt-zu-Werkstück-Distanz (Contact-to-Work-Distance, CTWD) geändert werden;
6 ist ein Kurvendiagramm, das ein weiteres beispielhaftes nicht-lineares adaptives Steuerungsregime mit nicht-linearer Anpassung des Spitzenstroms mit Bezug auf einen globalen Skalierungsfaktor (GSF) gemäß einem oder mehreren Aspekten der Erfindung veranschaulicht;
7 ist ein Kurvendiagramm, das eine weitere beispielhafte Steuerungsbeziehung veranschaulicht, bei der der Spitzenstrom und die Wellenformperiode in nicht-linearer Weise angepasst werden;
8 ist ein Kurvendiagramm, das eine weitere mögliche Ausführungsform mit selektiver nicht-linearer Anpassung des Spitzenstroms, des Hintergrundstrom und der Periode veranschaulicht; und
9 ist eine detaillierte Illustration einer Zustands-Daten-Tabelle in dem nicht-linearen adaptiven Stromquellen-Controller von 3.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Wenden wir uns nun den Figuren zu. Im Folgenden werden verschiedene Ausführungsformen oder Implementierungen der vorliegenden Erfindung in Verbindung mit den Zeichnungen beschrieben, in denen stets gleiche Bezugszahlen zum Bezeichnen gleicher Elemente verwendet werden und in denen die veranschaulichten Strukturen nicht unbedingt maßstabsgetreu gezeichnet sind. Im Folgenden werden verschiedene nicht-lineare Schweißwellenformparametersteuerungskonzepte im Kontext gepulster GMAW- oder gepulster MIG-Schweißvorgänge veranschaulicht und beschrieben. Es versteht sich jedoch, dass die Erfindung nicht auf die Verwendung in Verbindung mit den veranschaulichten Prozessen beschränkt ist und alternativ auch in jeder beliebigen Art von wellenformbasierten Schweißvorgängen verwendet werden kann.
Ein beispielhaftes Schweißsystem 10 ist in einer Ausführungsform in 1 gezeigt, das eine Stromquelle 20 mit einem Ausgang 22 enthält, der ein Schweißsignal in eine Schweißelektrode E über eine leitfähige Kontaktstruktur C in einem gepulsten GMAW-Schweißvorgang einspeist. Dem GMAW-Schweißvorgang wird ein Schutzgas G über eine Düse N zugeführt, die von dem Kontakt C und der Elektrode E beabstandet ist und diese umgibt und einen Durchgang bereitstellt, durch den das Gas G transportiert wird, um den Schweißvorgang abzuschirmen. Die Stromquelle 20 gibt das Schweißsignal als eine Reihe von Wellenformen aus, indem eine gesteuerte Spannung zwischen der Elektrode E und einem geerdeten Werkstück W/P erzeugt wird, um einen Schweißlichtbogen A zwischen dem unteren Ende der Elektrode E und dem Werkstücks W/P und/oder einer darauf befindlichen Schweißpfütze W zu erzeugen. Der Schweißstrom stellt den Schweißlichtbogen A her, der eine Lichtbogenlänge 24 hat, und schmilzt das untere Ende der Elektrode E, wobei die Elektrode E mit einer gesteuerten Drahtzufuhrgeschwindigkeit (Wire Feed Speed, WFS) durch eine (nicht gezeigte) Drahtzuführvorrichtung als Teil des Schweißsystems 10 in Richtung der Schweißnaht W vorangeschoben wird. In einer typischen Impulsschweißimplementierung fließt der Schweißstrom vom Kontakt C durch die Elektrode zum unteren Elektrodenende, wodurch den Schweißlichtbogen A aufrecht erhalten wird und außerdem die untere Spitze der Elektrode erwärmt wird, wodurch ein knollen- oder kugelförmiges schmelzflüssiges Elektrodentröpfchen am unteren Ende der Elektrode E entsteht, das schließlich durch den Lichtbogen A zu der Schweißnaht W transferiert wird, im Idealfall ohne elektrisches Kurzschließen der Elektrode E mit dem Werkstück W/P. Dieser Prozess wird durch die Stromquelle 20 wiederholt, wodurch eine Abfolge von Schweißstromwellenformen zu der Elektrode E über den Kontakt C übermittelt wird, wobei in jedem Wellenformzyklus ein einzelnes Tröpfchen gebildet und zu der Schweißnaht W übertragen wird. Der Prozess kann darüber hinaus so geregelt werden, dass ein oder mehrere gewünschte Leistungsmessgrößen erreicht werden, um zum Beispiel eine bestimmte Abscheidungsrate oder eine bestimmte Sollpunkt-Drahtzufuhrgeschwindigkeit oder einen bestimmten Schweißspannungspegel usw. aufrecht zu erhalten, wobei eine oder mehrere Prozesssteuerungsschleifen hergestellt werden können, um die gewünschte Leistung zu erhalten. In einem Beispiel kann der Betrieb des Schweißsystems 10 oder bestimmter seiner Komponenten so geregelt werden, dass eine bestimmte Kontakt-zu-Werkstück-Distanz (CTWD) erreicht wird, die als die Distanz vom unteren Ende des Elektrodenkontakts C zu dem Werkstück W/P definiert ist, wie in 1 gezeigt.
Das Schweißsystem 10 enthält außerdem ein Rückkopplungssystem 40, das Prozessrückkopplungsinformationen 42 auf der Basis eines oder mehrerer Betriebswerte ausgibt, die in dem Schweißprozess abgefühlt wurden. Außerdem ist ein Stromquellen-Controller 30 vorhanden, der gekoppelt ist, um Prozessinformationen 42 von dem Rückkopplungssystem 40 zu empfangen und ein oder mehrere Steuersignale 32 an die Stromquelle 20 zu übermitteln, um das Schweißsignal in Regelkreismanier zu regulieren. Das Rückkopplungssystem 40 kann jede geeignete Messungs-, Detektions- oder Abfühlvorrichtung sein, durch die ein oder mehrere Rückkopplungswerte 42, wie zum Beispiel Schweißstrom, Schweißspannung usw., abgefühlt und/oder abgeleitet werden, und die den Wert oder die Werte 42 an den Controller 30 übermittelt. In einer möglichen Ausführungsform enthält das Rückkopplungssystem eine Abfühlvorrichtung (beispielsweise Messwandler, Nebenschlüsse, Signalaufbereitungselemente usw.) zum Messen von Prozessspannungen und/oder -strömen. Wie mit Bezug auf 3 unten ausführlicher veranschaulicht und beschrieben, kann das Rückkopplungssystem 40 eine separate Komponente oder ein separates System sein oder kann auch in eine andere Systemkomponente integriert sein, wie zum Beispiel in die Stromquelle 20. Im Allgemeinen kann das Rückkopplungssystem 40 jede geeignete Hardware, Software, Firmware oder Kombinationen davon sein, die mit der Stromquelle 20 und mit dem Controller 30 wirkgekoppelt sind, um mindestens einen Rückkopplungswert abzufühlen, der mit dem Schweißvorgang zu tun hat, und ein oder mehrere Rückkopplungssignale 42 an den Controller 30 zu übermitteln (beispielsweise elektrische Signale, ob analog oder digital, leitungsgebunden oder drahtlos usw.), die mindestens teilweise für den oder die abgefühlten Prozessrückkopplungswerte repräsentativ sind.
Gemäß einem oder mehreren Aspekten der vorliegenden Erfindung führt der Stromquellen-Controller 30 darüber hinaus eine selektive nicht-lineare Anpassung eines oder mehrerer Schweißsignalwellenformparameter zum Regulieren des Schweißsignals gemäß dem oder den Prozessrückkopplungswerten 42 vom System 40 aus. Der Controller 30 ist mit dem Rückkopplungssystem 40 und mit der Stromquelle 20 über beliebige geeignete Betriebskommunikationsmittel wirkgekoppelt, wobei der Controller 30 jede beliebige geeignete Hardware, Software, Firmware, Logik usw. oder Kombination davon sein kann, die dafür ausgelegt ist, Rückkopplungsinformationen oder -werte 42 von dem Rückkopplungssystem 40 zu empfangen, und die ein oder mehrere Steuersignale 32 an die Schweißstromquelle 20 übermittelt, um in nicht-linearer Form einen oder mehrere Wellenformparameter mindestens teilweise anhand des oder der Rückkopplungswerte 42 anzupassen. In dieser Hinsicht kann der Stromquellen-Controller 30 eine separate Komponente sein, oder er kann in eine andere Systemkomponente integriert sein, wie zum Beispiel die Stromquelle 20 selbst, einen automatischen Drahtzuführer oder einen Systemsequenzcontroller (in 1 nicht gezeigt) oder irgend eine andere Komponente, die mit dem Rückkopplungssystem 40 und der Stromquelle 20 kommunizieren kann, direkt damit wirkgekoppelt sein kann oder über ein leitungsgebundenes oder drahtloses Netz oder ein anderes Kommunikationsmittel damit kommunizieren kann. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der nicht-lineare adaptive Controller 30 zusammen mit dem Rückkopplungssystem 40 in die Stromquelle 20 in einem wellenformgesteuerten Schweißgerät integriert und ist mit einer geeigneten Benutzerschnittstelle und/oder Netzkommunikationsvorrichtung ausgestattet, die es einem Nutzer erlaubt, eine Feinabstimmung der im vorliegenden Text beschriebenen nicht-linearen Steuerungsmerkmale vorzunehmen, um die Schweißsignalwellenformparameter an einen bestimmten Schweißvorgang anzupassen.
Wie unten weiter veranschaulicht und beschrieben ist, bilden der Controller 30 und das Rückkopplungssystem 40 zusammen ein Steuerungssystem zum Regulieren des Ausgangsschweißsignals der Stromquelle 20, das einen Rückkopplungswert 42 abfühlt und selektiv einen oder mehrere Wellenformparameter mindestens teilweise anhand des Rückkopplungswertes 42 in nicht-linearer Weise angepasst. Insbesondere gibt der Stromquellen-Controller 30 das oder die nötigen Steuersignale 32 aus, mit denen der oder die Wellenformparameter angepasst werden, um eine gewünschte Prozessleistung zu erreichen, wobei die Beziehung zwischen der Rückkopplung 42 vom System 40 und dem angepassten Parameter nicht-linear ist. In dieser Hinsicht kann der Controller 30 jede geeignete Technik zum Generieren des oder der Steuersignale 32 verwenden, um den gesteuerten Parameter in nicht-linearer Weise mindestens teilweise anhand des oder der Rückkopplungswerte 42 selektiv anzupassen (beispielsweise zu ändern). In einer Ausführungsform kann der Controller 30 eine oder mehrere nichtlineare Gleichungen oder Formeln enthalten, zusammen mit einer Verarbeitungsvorrichtung, mit deren Hilfe eine Formel für einen bestimmten gemessenen Rückkopplungswert 42 ausgewertet oder gelöst werden kann, um einen Steuerungswert 32 zu erhalten, der dann an die Stromquelle 20 übermittelt wird. Eine weitere geeignete Implementierung kann Nachschlagetabellen-artige Systeme zum Indexieren eines bestimmten gemessenen Rückkopplungswertes 42 verwenden, um den entsprechenden Steuerungswert 32 zu erhalten, wobei die Tabelleneinträge eine nicht-lineare Anpassung eines oder mehrerer Wellenformparameter auf der Basis der Rückkopplung 42 darstellen. In solchen Implementierungen kann (aber muss nicht) außerdem Interpolation zum Indexieren der Tabelleneinträge verwendet werden.
Durch diese Beispiele oder andere geeignete Implementierungen übermittelt der Controller 30 mindestens ein Steuersignal 32 an die Stromquelle 20, um mindestens einen Wellenformparameter des Schweißsignals in nicht-linearer Weise mindestens teilweise anhand des mindestens einen Rückkopplungswertes 42 von dem Rückkopplungssystem 40 selektiv anzupassen, um den Ausgang der Stromquelle 20 zu regeln. Außerdem wird angemerkt, dass der Controller 30 und das oder die durch ihn ausgegebenen Steuersignale 32 dergestalt sein können, dass irgend ein bestimmter Parameter, der mit der Ausgangsschweißsignalwellenform verknüpft ist, nicht-linear modifiziert oder angepasst werden kann, wie zum Beispiel die Anpassung von Spitzenstrom, Hintergrundstrom, Spitzenspannung, Hintergrundspannung, Periode, Frequenz, Spitzendauer, Anstiegsrate, Anstiegszeit, Anstiegsziel, Abstiegsrate, Abstiegszeit und Abstiegsziel. Des Weiteren können mehrere Parameter über den adaptiven Controller 30 angepasst werden, wobei bestimmte Implementierungen (beispielsweise 5, 7 und 8 unten) ein selektives Anpassen zweier oder mehrerer Wellenformparameter in nicht-linearer Weise ermöglichen können.
Wir wenden uns auch den 2A und 2B zu. Die Erfinder haben erkannt, dass herkömmliche adaptive Steuerungsanordnungen zum Schweißen schwerwiegenden betrieblichen Beschränkungen unterliegen können, die oft aus den physikalischen Gegebenheiten im Zusammenhang mit dem Beibehalten oder Erreichen einer bestimmten Art von Schweißmaterialabscheidung resultieren. In der Vergangenheit haben Regelkreis-Schweißstromquellensteuerungen im Wesentlichen einen oder mehrere Wellenformparameter (beispielsweise Impulsparameter für gepulstes GMAW) linear skaliert, um eine Regelung um einen Schweißsollpunktwert herum vorzunehmen, um beispielsweise den Betrieb der Stromquelle anhand der Rückkopplung vom Schweißsystem zu ändern, bis eine gewünschte Lichtbogenlänge oder CTWD erhalten wird. Jedoch begrenzt die Art einer linearen Antwortskalierung oft den Betriebsbereich der adaptiven Antwort, was mindestens teilweise auf die physikalischen Gegebenheiten des Prozesses zurückzuführen ist. Wenn zum Beispiel im Kontext des gepulsten GMAW der Bereich des adaptiven Spitzenstroms zu groß ist, so kann die adaptive Steuerung ihn zwingen, unter einen Sprühübergangsstrom zu sinken, woraufhin der tröpfchenartige Transfer physikalisch nicht länger aufrecht erhalten werden kann.
Um dieses Konzept zu veranschaulichen, zeigen die 2A und 2B Kurvendiagramme 50 bzw. 60, die Impulsschweißstromwellenformen als eine Funktion der Zeit zeigen, wobei die Pegel des Hintergrundstroms I_B, des Sprühübergangsstroms I_T und des Nennspitzenstroms I_P auf der vertikalen Achse für den Fall eines gepulsten MIG-Schweißens angegeben sind. In 2A zeigt das Kurvendiagramm 50 eine adaptive Regelkreissteuerung des Spitzenstromwertes einer GMAW-Impulswellenform unter Verwendung eines relativ schmalen adaptiven Steuerbereichs 58 um einen Nennspitzenstromwert 52 (I_P) von etwa 350 A. In diesem Beispiel anpassen Regelkreis-Schweißgerätesteuerungen einen oder mehrere Wellenformparameter, um die gewünschte Lichtbogenlänge (beispielsweise Länge 24 in 1) aufrecht zu erhalten, wobei der Sprühübergangsstrompegel I_T für eine bestimmte Prozessanwendung (beispielsweise eine spezielle Schweißelektrode E und Schutzgas G) 270 A beträgt. Das Kurvendiagramm 50 in 2A veranschaulicht eine Betriebsbedingung nahe der Mitte oder dem oberen Ende der Drahtzufuhrgeschwindigkeits(WFS)-Einstellungen, bei der der definierte Nennspitzenstrom I_P signifikant über dem Übergangsstrom I_T liegt. Im Fall eines Skalierungsfaktors (SF) von 15% für den Spitzenstrom einer linearen adaptiven Steuerung kann der Spitzenimpulsstrom innerhalb des Bereichs 58 um etwa 50 A über oder unter den Nennwert 52 angepasst werden, wobei die äußersten Enden dieses beispielhaften adaptiven Bereichs grafisch als Wellenform 54, die den höchsten angepassten Spitzenstrom zeigt (beispielsweise etwa 400 A), und Wellenform 56, die den niedrigsten angepassten Spitzenstrom (beispielsweise etwa 300 A) an diesem Prozesssteuerungspunkt zeigt, veranschaulicht sind.
Während des Betriebes wird der spezifische Spitzenstrom zu jedem beliebigen Zeitpunkt auf der Basis der Rückkopplung (beispielsweise der gemessenen Spannung, des gemessenen Stroms, der gemessenen Drahtzufuhrgeschwindigkeit usw.), die skaliert und mit einem Sollpunktwert verglichen werden kann, um einen Fehlerwert, der die Differenz zwischen der gewünschten und der tatsächlichen Prozessleistung darstellt, zu erhalten, und eines Controller-Skalierungsfaktors bestimmt. In dieser Hinsicht können die Skalierungsfaktor(SF)-Werte für die angepassten Parameter (in diesem Fall beispielsweise der Spitzenstrom) zum Beispiel mit der Drahtzufuhrgeschwindigkeit variieren, wobei der vorherrschende Skalierungsfaktor in der Regel die Impulswellenformperiode für niedrige WFS-Werte ist (beispielsweise ist der Skalierungsfaktor für die Periodensteuerung für niedrige WFS-Werte hoch), und der Spitzenstrom-Skalierungsfaktor wird zur vorherrschenden adaptiven Steuerung für mittlere oder hohe Drahtzufuhrgeschwindigkeiten (beispielsweise ist der Skalierungsfaktor für den Spitzenstrom bei hoher WFS höher). In der Situation von 2A kann der Spitzenstrom im Bereich 58 zwischen den größten und kleinsten Spitzenpegeln 54 bzw. 56 angepasst werden, wobei diese beiden Extreme über dem Sprühübergangsstrom I_T bleiben, wodurch ein stabiles Impuls-GMAW-Schweißen über den gesamten adaptiven Bereich 58 beibehalten werden kann.
Jedoch kann bei Verwendung lediglich einer linearen Anpassung die Fähigkeit zur Verwendung größerer Skalierungsfaktoren oder anderer Nennspitzenstrom-Einstellungen durch die Probleme eingeschränkt werden, auf die man trifft, wenn man mit den äußersten Werten des adaptiven Bereichs arbeitet. Zum Beispiel können – mit Bezug auf die Spitzenstromanpassung – niedrigere Nennspitzenwerte I_P und/oder breitere adaptive Bereiche den tatsächlichen Spitzenstrom auf unterhalb des Übergangsstroms I_T anpassen. Das Kurvendiagramm 60 in 2B veranschaulicht die Steuerung des Spitzenstromwertes eines GMAW-Impulses unter Verwendung eines größeren adaptiven Steuerbereichs 68, der sich in einer Steuerrichtung unter den Sprühübergangsstrom I_T erstreckt. In dem Beispiel von 2B wird der Spitzenstrom-Skalierungsfaktor auf 30% erhöht, wobei der Sprühübergangsstrom I_T bei etwa 270 A bleibt und die Nennspitzenstrom-Einstellung 62 weiterhin 350 A ist. In diesem Fall kann die adaptive Steuerung den Spitzenstrom innerhalb eines breiteren adaptiven Bereichs 68 um etwa +/–100 A vom Nennwert 62 ändern, wodurch den maximale Spitzenpegel 64 nun etwa 450 A beträgt, aber der minimale Spitzenstrom 66 nur 250 A beträgt – weit unter dem Übergangsstrom I_T für die ausgewählte Schweißdraht- und Schutzgas-Kombination. Bei diesem neuen unteren Ende des Bereichs 68 endet das normale Impuls-Tröpfchentransfer-Schweißen aufgrund der physikalischen Gegebenheiten des Schweißvorgangs. An diesem Punkt wird man feststellen, dass das Beschränken des adaptiven Bereichs zwar diesen physikalischen Zusammenbruchs der Impulstransferbedingung verhindern kann; doch die Erfinder haben erkannt, dass ein solcher simplistischer Ansatz eine optimale Steuerung des Schweißprozesses insgesamt verhindern kann. In dieser Hinsicht können größere Spitzenstrom-Anpassungsbereiche (beispielsweise Bereich 68 im Kurvendiagramm 60 von 2B) verbesserte Abscheidungsraten, Schweißraten, verkürzte Schweißzeiten usw. ermöglichen, indem man sich höhere maximale Spitzenstrompegel (beispielsweise Spitzenpegel 64) zunutze macht, wodurch die Gesamtsystemleistung in einer bestimmten Schweißanwendung gesteigert wird.
Ähnliche physikalische Prozessbeschränkungen können zu Beschränkungen des adaptiven Bereichs mit Bezug auf anderen Schweißwellenformparameter führen. Im Kontext des gepulsten MIG-Schweißens zum Beispiel unterliegen die Impulswellenformfrequenzparameter ähnlichen Einschränkungen durch die physikalischen Gegebenheiten des Tröpfchentransferprozesses, wobei extreme Erhöhungen der Wellenformfrequenz dazu führen können, dass die Impulsspitzen zu dicht beieinander liegen, um den gewünschten Tröpfchentransfervorgang aufrecht zu erhalten. Wenn also der Bereich der adaptiven Frequenz zu groß ist, so kann die Frequenz so hoch getrieben werden, dass die Impulse praktisch ineinander getrieben werden, was zu einem Zusammenbrechen der normalen Impulsschweiß-Tröpfchentransferbedingung und praktisch zu einer Eliminierung der Hintergrundsegmente der Impulswellenform führt, was ebenfalls eine Folge der physikalischen Gegebenheiten des Prozesses selbst ist. Weitere physikalische Beschränkungen ergeben sich aus den physikalischen Gegebenheiten der Aufrechterhaltung des Schweißlichtbogens A zwischen der Elektrode E und dem Werkstück W/P. Wenn beispielsweise der Hintergrundstrompegel zu stark reduziert wird (beispielsweise I_B in den 2A und 2B), so kann dies zu einem Verlust des Lichtbogens A führen (1). In einem weiteren Beispiel kann das zu starke Verkleinern des Spitzendauer-Wellenformparameters im Fall des Impulsschweißens den normalen Tröpfchentransfer beenden. Dies sind einige wenige Beispiele der physikalischen Beschränkungen im Fall einfacher linearer adaptiver Steuerungstechniken, die die Fähigkeit zur optimalen Steuerung von Impulsschweißprozessen beschränken, wobei andere wellenformbasierte Schweißprozesse ähnliche Beschränkungen hinsichtlich des Ausmaßes haben, in dem sich ein oder mehrere Wellenformparameter praktisch anpassen lassen. Darum ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, große adaptive Bereiche bei Impuls- und anderen Wellenform-Schweißprozessen zu gestatten, während gleichzeitig auch die Beschränkungen aufgrund der physikalischen Gegebenheiten eines bestimmten Prozesses beseitigt werden.
3 veranschaulicht eine weitere Ausführungsform eines Schweißsystems 110, das nicht-lineare adaptiven Steuerungsmerkmale gemäß bestimmten Aspekte der vorliegenden Erfindung bereitstellt, die auch hier wieder zur Vereinfachung der Illustration im beispielhaften Kontext eines Impuls-GMAW-Schweißvorgangs gezeigt sind. Das Schweißsystem 110 umfasst eine Stromquelle 120, die Eingangsstrom (beispielsweise dreiphasigen Wechselstrom) empfängt und einen Ausgang an den Ausgangsanschlüssen 122a und 122b bereitstellt, wobei in dem veranschaulichten Beispiel der Anschluss 122a mit dem Elektrodenkontakt C gekoppelt ist und der Anschluss 122b mit dem geerdeten Werkstück W/P gekoppelt ist. Die Stromquelle 120 ist vom wellenformgesteuerten Schalttyp, der einen Eingangsgleichrichter 124 hat, der einen Gleichstrombus in einen Wechselrichter 126 einspeist, der wiederum einen Ausgangschopper 128 speist, der einen Ausgang an den Anschlüssen 128a und 128b an ein Rückkopplungssystem 140 und dann an die letztendlichen Ausgangsanschlüsse 122 ausgibt. Der Stromquellenausgang 122 speist ein Schweißsignal in die Schweißelektrode E über einen Elektrodenkontakt C ein, und Schutzgas (nicht gezeigt) kann dem Prozess zugeleitet werden, wie es oben allgemein mit Bezug auf 1 beschrieben wurde. Wie in dem beispielhaften gepulsten GMAW-Prozess gezeigt, ist die Stromquelle 120 in wellenformbasierten Schweißvorgängen dafür ausgelegt, das Schweißsignal in Form einer Reihe von Impulswellenformen bereitzustellen, indem eine gesteuerte Spannung zwischen der Elektrode E und einem geerdeten Werkstücks W/P aufgebaut wird, um einen Schweißlichtbogen A zu erzeugen, wobei die Elektrode E in Richtung des Werkstücks W/P mit einer gesteuerten Rate durch einen Drahtzuführer 150 des Systems 110 vorangeschoben wird.
Das System 110 enthält des Weiteren einen Stromquellen-Controller 130 mit einer nicht-linearen Wellenformparameteranpassungsfunktion, wie im vorliegenden Text beschrieben, wobei das Rückkopplungssystem 140 einen Stromnebenschluss 144 und eine Spannungsabfühlkomponente 146 hat, die Schweißstrom- und Spannungsrückkopplungswerte oder -signale 142a bzw. 142b an den Controller 130 übermittelt, wobei der Stromquellen-Controller 130 und das Rückkopplungssystem 140 zusammen ein nicht-lineares adaptives Steuerungssystem zum Regulieren des Stromquellenausgangs bilden. Der Controller 130 enthält einen Mikroprozessor 131 und einen Analog-Digital(A/D)-Wandler 133 zum Empfangen der Rückkopplungswerte 142 vom Rückkopplungssystem 140 und Umwandeln dieser Werte in digitale Werte. Der Prozessor 131 betreibt einen Wellenformgenerator 162 und einen Impulsbreitenmodulator (PWM), der in Software 160 implementiert ist, wobei der Software-gestützte Wellenformgenerator 162 eine nicht-lineare adaptive Steuerungskomponente 163 umfasst, die ein oder mehrere Anpassungssignale oder -werte (AV₁ bis AV_N) an die PWM-Komponente 168 übermittelt, um ein oder mehrere Steuersignale 132 an die Stromquelle 120 zu senden, wodurch ein oder mehrere Wellenformparameter in nicht-linearer Weise mindestens teilweise auf der Basis des Rückkopplungswertes 142 angepasst werden.
In der veranschaulichten Ausführungsform können der oder die Rückkopplungswerte 142 unter Verwendung eines oder mehrerer Verstärkungsfaktoren, die nach der Umwandlung durch den A/D 133 über ein Verstärkungselement 166 angelegt werden, skaliert werden, und die skalierten Werte werden mit einem oder mehreren entsprechenden Sollpunkten 167 verglichen, um ein Fehlersignal oder einen Fehlerwert zu generieren, das bzw. der im vorliegenden Text auch als ein globaler Skalierungsfaktor (GSF) bezeichnet wird. Die Skalierung kann die Umwandlung zwischen messbaren Prozessvariablen-Einheiten und Einheiten eines bestimmten Sollpunktes ermöglichen, zum Beispiel die Umwandlung einer gemessenen Spannung zum Vergleich mit einem CTWD-Sollpunkt; und mehrere GSF-Werte können in verschiedenen Ausführungsformen berechnet werden. Der GSF wird zusammen mit einer vom Nutzer ausgewählten Wellenformdatei 164 und einem momentanen Systemarbeitspunkt 170 verwendet, um in einer Zustands-Daten-Tabelle 169 einen Index zu setzen, um momentane Skalierungsfaktoren SF₁ bis SF_N für einen oder mehrere angepasste Wellenformparameter sowie einen oder mehrere definierte (Nenn-) Werte (DV₁ bis DV_N) zu erhalten, die dann zusammen mit dem GSF an das nicht-lineare adaptive Steuerungselement 163 übermittelt werden. Die verschiedenen Systemkomponenten, einschließlich der Stromquelle 120, des Controllers 130, des Rückkopplungssystems 140, des Drahtzuführers 150 und einer optionalen Gasversorgung 160, können separate Komponenten sein, oder eine oder mehrere dieser Komponenten von System 110 können integriert sein. Außerdem können eine oder mehrere der veranschaulichten Komponenten des Schweißsystems 110 in dezentraler Weise in mehr als einer Vorrichtung implementiert werden.
Es kann jede beliebige Art von Schweißstromquelle 120 verwendet werden, die dafür ausgelegt ist, ein wellenformbasiertes elektrisches Schweißsignal bereitzustellen, und die eine gesteuerte Anpassung eines oder mehrerer Wellenformparameter gemäß einem oder mehreren Steuersignalen 132 erlaubt. In der veranschaulichten Ausführungsform ist die Stromquelle 120 ein wellenformgesteuerte Schalt-Schweißstromquelle 120, die eine ankommende dreiphasige Versorgungsspannung umwandelt, um ein elektrisches Schweißsignal am Ausgang 122 gemäß einem oder mehreren impulsbreitenmodulierten Schaltsignalen 132 bereitzustellen. Die veranschaulichte Stromquelle 120 enthält einen Gleichrichter 124, der einen Gleichstrombusausgang in einen Schalt-Wechselrichter 126 einspeist. Der Wechselrichter 126 wiederum steuert einen Ausgangschopper 128 an, wobei der Chopper 128 und/oder der Wechselrichter 126 gemäß Schaltsignalen von der Impulsbreitenmodulationskomponente 168 betrieben werden (in einer Ausführungsform in Controller-Software 160 implementiert), um ein Schweißausgangssignal an den Anschlüssen 122 bereitzustellen, das dafür geeignet ist, in einen wellenformbasierten Schweißprozess oder -vorgang eingespeist zu werden. In der Praxis können einer oder beide der Ausgangsanschlüsse 122 über ein Stromquellenkabel (nicht gezeigt) an den Drahtzuführer 150 angeschlossen werden, um das Schweißsignal über einen Brenner und ein Kabel (nicht gezeigt) letztendlich in den Schweißvorgang einzuspeisen, obgleich diese Verbindungen zur Vereinfachung der Illustration in 3 schematisch gezeichnet sind.
Strom- und Spannungssensoren 144 und 146 werden in dem Rückkopplungssystem 140 bereitgestellt, das in dieser Ausführungsform in die Stromquelle 120 integriert ist, um Rückkopplungswerte oder -signale 142a und 142b zur Regelkreissteuerung der angelegten Schweißsignalwellenform zu erzeugen. Der Controller 130 kann ebenfalls in die Stromquelle 120 integriert sein, wobei das Wellenformerzeugungssystem 162 entsprechende Schaltsignale 132 in den Chopper 126 und/oder den Wechselrichter 126 über den Impulsbreitenmodulator 168 gemäß Anpassungswerten AV von dem adaptiven Steuerungselement 163 gemäß einer ausgewählten gewünschten Wellenform 164, die in einem Beispiel als eine Datei gespeichert ist, sowie gemäß dem GSF-Fehlerwert, dem Systemarbeitspunkt 170 und einem Sollpunkt 167, der aus der Zustands-Daten-Tabelle 169 abgeleitet wurde, einspeist. Während des Betriebes kann der Systemarbeitspunkt 170 jeder beliebige Prozessparameter sein, wie zum Beispiel Drahtzufuhrgeschwindigkeit, Schweißspannung usw., der von einer anderen Systemkomponente abgeleitet oder erhalten werden kann (beispielsweise einer Benutzerschnittstelle, einem Sequenz-Controller, einem anderen Schweißgerät oder einer anderen Vorrichtung, die kommunikativ mit dem Controller 130 gekoppelt ist), und die ausgewählte Wellenform 164 wird mit einer oder mehreren tatsächlichen Schweißprozessbedingungen 142 aus dem Rückkopplungssystem 140 über die Tabelle 169, den Sollpunkt 167, den Komparator 166 und das adaptive Steuerungselement 163 verglichen. Der Vergleich wird dann dafür verwendet, den PWM 168 über den oder die Anpassungswerte AV zu steuern, um dadurch das Schweißsignal gemäß der gewünschten Wellenform zu regeln, womit ein oder mehrere Wellenformparameter in nicht-linearer Weise gemäß dem oder den Rückkopplungswerten 142 angepasst werden.
Das Wellenformerzeugungssystem 162 und verschiedene andere Komponenten des Stromquellen-Controllers 130 werden bevorzugt als Software- oder Firmware-Komponenten implementiert, die auf einer Mikroprozessor-gestützten Hardware-Plattform laufen, obgleich beliebige geeignete programmierbare Hardware, Software, Firmware, Logik usw. oder Kombinationen davon verwendet werden können, mit deren Hilfe ein oder mehrere Schaltsignale 132 gemäß einer gewünschten Wellenform oder Wellenformdatei 164 erzeugt werden, wobei die Schalt-Stromquelle 120 ein Schweißsignal gemäß dem oder den Schaltsignalen 132 ausgibt. In der veranschaulichten Ausführungsform ist darüber hinaus der Controller 130 eine Zustandstabellen-gestützte Schaltstromquelle, die als Eingänge ein oder mehrere Ausgangssignale von anderen Systemkomponenten empfangen kann, wie zum Beispiel den Arbeitspunkt 170 von einem Sequenz-Controller usw., wobei die veranschaulichten Wellenformerzeugungssystemkomponenten 163, 165, 166, 167 und der PWM 166 als ein Wellenformsteuerungsprogramm implementiert werden können, das in Verbindung mit einer oder mehreren Wellenformdateien 164 und Zustands-Daten-Tabellen 169 auf dem Mikroprozessor 131 abläuft oder durch den Mikroprozessor 131 ausgeführt wird, wobei das Wellenformsteuerungsprogramm dafür ausgelegt ist, die Ausgangswellenform von der Stromquelle 120 zu definieren und zu regeln, indem Steuersignale 132 über den PWM 168 ausgegeben werden, und wobei das Schweißausgangssignal ein Impulstyp sein kann, wie im vorliegenden Text veranschaulicht und beschrieben, oder irgend ein sonstiges wellenformbasiertes Signal sein kann, das als eine Reihe oder Sequenz von Wellenformen aufgebaut ist, sei es Wechselstrom oder Gleichstrom.
Das Rückkopplungssystem 140 kann eine beliebige geeignete Mess-, Detektions- oder Abfühlvorrichtung sein, durch die ein oder mehrere Rückkopplungswerte, wie zum Beispiel Schweißstrom, Schweißspannung usw., abgefühlt und/oder abgeleitet werden, und die den Wert oder die Werte 142 an den Controller 130 übermittelt. In dem beispielhaften System 140 erfühlt ein Stromnebenschluss 144 den an die Elektrode E angelegten Schweißstrom und speist ein geeignetes Signal 142a in den A/D-Wandler 133 ein. Ein Spannungsmesswandler 146 speist ein Signal 142b in den A/D 133 ein, das für die Lichtbogenspannung repräsentativ ist. Der A/D 133 wird unter der Steuerung des Prozessors 131 betrieben, um die Rückkopplungswerte 142 in digitale Werte umzuwandeln, die dann in Software 160 über die Skalierungskomponente 165 skaliert werden können, wodurch ein Vergleich der Rückkopplung mit dem Sollpunkt 167 in entsprechenden Einheiten ausgeführt werden kann. Zum Beispiel kann eine Skalierung 165 verwendet werden, um Lichtbogenspannungs- oder -stromwerte 142 in Abhängigkeit von der Art des Sollpunktes 167, auf den der Schweißvorgang gesteuert wird, so zu übersetzen, dass sie mit der CTWD oder einer anderen Prozessmessgröße korrelieren. Der Prozessor 131 und die Wellenformsteuerungssoftware 160 können auch funktional zusammen mit der Gasversorgung 150 und mit dem Drahtzuführer 150 operieren. Der Drahtzuführer 150 enthält in dieser Ausführungsform einen Prozessor 152 und entsprechende Software (nicht gezeigt) zum Implementieren eines Drahtzufuhrgeschwindigkeitssteuerungsalgorithmus im Zusammenspiel mit der Stromquellenwellenformsteuerung unter Verwendung eines motorgetriebenen Drahtantriebssystems, das einen Motor M aufweist, der eine oder mehrere Rollen 154 antreibt, um die Schweißelektrode E von einer Versorgungsspule 156 durch den Kontakt C und zu dem Schweißvorgang zu führen.
Der Stromquellen-Controller 130 vollführt eine selektive nicht-lineare Steuerung (Anpassung) eines oder mehrerer Schweißsignalwellenformparameter, wie zum Beispiel Spitzenstrom, Hintergrundstrom, Spitzenspannung, Hintergrundspannung, Periode, Frequenz, Spitzendauer, Anstiegsrate, Anstiegszeit, Anstiegsziel, Abstiegsrate, Abstiegszeit und Abstiegsziel usw., mindestens teilweise anhand des oder der Rückkopplungswerte 142 und übernimmt allgemein die Funktion des Controllers 30, der oben in Verbindung mit 1 beschrieben wurde. Wie oben besprochen, bilden der beispielhafte Controller 130 und das Rückkopplungssystem 140 ein Steuerungssystem zum Regulieren des Schweißsignals gemäß der Prozessrückkopplung in nicht-linearer Weise, obgleich eines oder beide getrennte Vorrichtungen sein können. Im Allgemeinen ist der Controller 130 mit dem Rückkopplungssystem 140 und mit der Stromquelle 120 durch ein beliebiges geeignetes Betriebskommunikationsmittel, ob Hardware und/oder Software, wirkgekoppelt und ist dafür ausgelegt, einen oder mehrere Wellenformparameter nicht-linear anzupassen, indem das oder die PWM-Steuersignale 132 entsprechend ausgegeben werden, obgleich die Erfindung nicht auf PWM-Steuersignale oder -Werte beschränkt ist.
Wir wenden uns nun sowohl 3 als auch 9 zu. Die nicht-lineare Beziehung zwischen dem oder den Rückkopplungswerten 132 und dem oder den angepassten Wellenformparametern kann durch beliebige geeignete Mittel erreicht werden. In der veranschaulichten Ausführungsform enthält der Controller 130 eine oder mehrere nicht-lineare Gleichungen oder Formeln (beispielsweise in den Zustands-Daten-Tabellen 169 von 1 und 9), die den Skalierungsfaktor SF, der für einen bestimmten angepassten Wellenformparameter verwendet wird, zu einem bestimmten Rückkopplungswert 142 oder Ableitungen davon in Beziehung setzen (beispielsweise im Hinblick auf den globalen Skalierungsfaktor GSF in dieser Implementierung gekennzeichnet). Der Controller 130 stellt des Weiteren eine Verarbeitungsvorrichtung bereit (in diesem Fall beispielsweise die adaptive Steuerungssoftware-Komponente 163), durch die eine Formel oder Gleichung der Tabelle 169 für den momentanen GSF ausgewertet oder gelöst werden kann. Der Controller 130 arbeitet im Wesentlichen kontinuierlich, um einen momentanen GSF zu erhalten und um ein oder mehrere entsprechende Steuersignale 132 abzuleiten, wobei mindestens ein Wellenformparameter durch das oder die Signale 132 in einer nicht-linearen Weise mit Bezug auf den momentanen GSF angepasst wird. In einer weiteren geeigneten Implementierung kann ein Nachschlagetabellen-artiges System alternativ oder in Kombination mit Gleichungs- oder Algorithmus-gestützten Tabellen 169 bereitgestellt werden, um den momentanen GSF abzubilden, um das oder die Steuersignale 132 bereitzustellen, wofür Interpolationstechniken verwendet werden können, aber nicht müssen.
Wie in 9 gezeigt, ist die beispielhafte Zustands-Daten-Tabelle als ein indexierbarer Datenspeicher mit einer Anzahl von Einträgen oder Reihen organisiert, die einzeln einem zuvor festgelegten Arbeitspunktwert oder Bereich von Arbeitspunkten 170 entsprechen. Für einen bestimmten momentanen Arbeitspunktwert wird daher der entsprechende Tabelleneintrag durch die nicht-lineare adaptive Steuerungskomponente 163 beim Abbilden des GSF auf Skalierungsfaktoren SF für einen oder mehrere gesteuerte angepasste Wellenformparameter verwendet. Die Zustands-Daten-Tabelle 169 liefert auch gewünschte oder Nennwerte (DV₁–DV_N), die im Wesentlichen die Mitte des adaptiven Bereichs für einen bestimmten Systemarbeitspunkt und eine bestimmte Wellenformdatei identifizieren, wie zum Beispiel den Nennspitzenstromwert 52 in dem adaptiven Bereich 58, wie in 2A oben gezeigt. In dieser adaptiven Hinsicht kann zum Beispiel der Nennwert des Spitzenstroms als eine Funktion der Zeit variieren, während der Stromquellenausgang einen bestimmten Wellenformzyklus gemäß der ausgewählten Wellenform durchläuft. Wie in 9 gezeigt, enthält die Tabelle 169 eine Anzahl von Einträgen, die gemäß dem Arbeitspunkt 170 indexiert sind. Außerdem kann die Tabelle 169 gemäß der aktuell ausgewählten Wellenformdatei 164 partitioniert sein, wodurch ein unterschiedliches gesteuertes Verhalten für verschiedene ausgewählte Wellenformen definiert werden kann. Alternativ können mehrere auswählbare Zustands-Daten-Tabellen 169 bereitgestellt werden, die jeweils einer ausgewählten der Wellenformdateien entsprechen, oder die Wellenformdateien und Zustands-Daten-Tabellen können integriert werden, wobei die Details der konkreten Partitionierung im Interesse der Kürze weggelassen werden. Die Einträge in der beispielhafte Tabelle 169 von 9 sind darüber hinaus in einzelne Spalten segmentiert, die jeweils eine GSF-zu-SF-Beziehung oder -Abbildung für einen entsprechenden anpassbaren Wellenformparameter definieren, wobei in 9 drei beispielhafte angepasste Parameter gezeigt sind, und zwar Spitzenimpulsstrom (I_P), Impulsperiode (T) und Hintergrundstrom I_B.
Auf diese Weise kann jede beliebige Anzahl solcher Wellenformparameter angepasst werden, mit entsprechenden dafür definierten Eintragssegmenten, durch die das Stromquellenausgangssignal so geregelt werden kann, dass es einer gewünschten Wellenform aus der Datei 164 entspricht. Jeder Reiheneintrag enthält eine Anzahl von Spalten mit Formeln oder Gleichungen oder einen Satz von Gleichungskoeffizienten, die eine Funktionsbeziehung zwischen einem bestimmten angepassten Parameter und dem GSF definieren, wobei eine oder mehrere dieser Beziehungen nicht-linear sind. In verschiedenen Ausführungsformen, die unten in Verbindung mit den 5, 7 und 8 besprochen werden, wird mehr als ein Wellenformparameter nicht-linear angepasst, um eine verbesserte Steuerbarkeit für das Schweißsystem 110 als Ganzes bereitzustellen. In dem Beispiel von 9 sind die Parameteranpassungsbeziehungen als Funktionen „f” für jeden Arbeitspunktbereich gezeigt (beispielsweise f₁ für den ersten Arbeitspunktbereich), wobei eine ganzzahlige Anzahl M solcher Bereiche in der Figur gezeigt ist, und wobei die Anzahl M von Intervallen oder Arbeitspunktbereichen speziell angepasst werden kann, um jeden gewünschten Grad von Steuerbarkeit oder Granularität bereitzustellen. In dieser Hinsicht können mehr Bereiche (Reihen) erstellt werden, um nach Wunsch einen höheren Grad an Nichtlinearität für einen oder mehrere angepasste Parameter zu ermöglichen. Für den Spitzenimpulsstrom I_P zum Beispiel wird ein Skalierungsfaktor SF_IP als eine Funktion f_IP,1 des Arbeitspunktes 170 und des GSF definiert (zum Beispiel f_IP,1(WP, GSF)), wobei I den Arbeitspunktbereich von 1 bis M angibt. Weitere Funktionen werden auf ähnliche Weise für die anderen veranschaulichten Parameter bereitgestellt, um Impulsperiodenskalierungsfaktoren SF_T und Hintergrundstromskalierungsfaktoren SF_IB usw. zu definieren, von denen beliebige oder alle nicht-lineare Funktionen enthalten können.
Wir wenden uns auch 4 zu. Das beispielhafte Stromquellen-Steuerungssystem, das durch den Controller 130 und das Rückkopplungssystem 140 gebildet wird, kann gemäß einem beispielhaften Verfahren 200 zum Regulieren eines Schweißprozesses betrieben werden. Obgleich die verschiedenen Verfahren der Erfindung nachstehend in Form einer Reihe von Handlungen oder Ereignissen veranschaulicht und beschrieben sind, versteht es sich, dass sie nicht durch die veranschaulichte Reihenfolge solcher Handlungen oder Ereignisse beschränkt werden. In dieser Hinsicht können, sofern im Folgenden nicht ausdrücklich anders ausgesagt, einige Handlungen oder Ereignisse in einer anderen Reihenfolge und/oder gleichzeitig mit anderen Handlungen oder Ereignissen stattfinden, als im vorliegenden Text gemäß der Erfindung veranschaulicht und beschrieben ist. Es versteht sich des Weiteren, dass nicht alle veranschaulichten Schritte zum Implementieren eines Prozesses oder Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung erforderlich sein müssen und dass eine oder mehrere solcher Handlungen kombiniert werden können. Die veranschaulichten Verfahren und andere Verfahren der Erfindung können in Hardware, Software, oder Kombinationen davon implementiert werden, um eine nicht-lineare Anpassung eines oder mehrerer Schweißwellenformparameter bereitzustellen, und sie können in beliebigen wellenformbasierten Schweißvorgängen und in Verbindung mit jeglicher Schweißausrüstung verwendet werden, wobei die Erfindung nicht auf die im vorliegenden Text veranschaulichten und beschriebenen konkreten Anwendungen und Ausführungsformen beschränkt ist.
Das veranschaulichte Verfahren 200 wird im Wesentlichen in Form einer kontinuierlichen Schleife ausgeführt, die bei 202 beginnt, wo ein oder mehrere Rückkopplungswerte, die mit dem Schweißprozess verknüpft sind, abgefühlt werden, wie zum Beispiel Schweißstrom und Schweißspannung, die in 3 als Werte 142a und 142b gezeigt sind. In diesem Beispiel wird darüber hinaus der momentane Arbeitspunktwert 170 bei 202, zusammen mit den definierten Wellenformparameterwerten DV₁ bis DV_N in 9 (beispielsweise Nennwerte), auf der Basis der ausgewählten Wellenformdatei 164 und dem momentanen Punkt in der Wellenform (die momentane Zeit) erhalten. Das Verfahren 200 enthält des Weiteren das selektive Anpassen mindestens eines gesteuerten Wellenformparameters des Schweißsignals in nicht-linearer Weise mindestens teilweise auf der Basis des oder der Rückkopplungswerte 142 aus dem Rückkopplungssystem 140. Wie oben beschrieben, können jegliche Wellenformparameter angepasst werden, wie zum Beispiel Spitzenstrom, Hintergrundstrom, Spitzenspannung, Hintergrundspannung, Periode, Frequenz, Spitzendauer, Anstiegsrate, Anstiegszeit, Anstiegsziel, Abstiegsrate, Abstiegszeit, Abstiegsziel oder sonstige Parameter, die dafür verwendet werden können, eine Schweißsignalwellenform zu kennzeichnen. In dem veranschaulichten Verfahren 200 wird die nicht-lineare Anpassung bewerkstelligt durch: eine Digital-zu-Analog-Wandlung bei 204 (beispielsweise unter Verwendung des A/D 133 in 3), und die Anwendung aller zweckmäßigen Rückkopplungsverstärkungen 166 bei 206, sowie durch Vergleichen des umgewandelten und skalierten Rückkopplungswertes mit einem oder mehreren Sollpunktwerten (beispielsweise über die Vergleichskomponente 166), um einen Fehlerwert oder GSF bei 208 abzuleiten, der in einer Implementierung im Bereich von –1,00 bis +1,00 liegt.
Bei 210 wird ein Parameterskalierungsfaktor (SF) für jeden angepassten oder gesteuerten Wellenformparameter auf der Basis des momentanen Arbeitspunktwertes 170 und des Fehlerwertes GSF bestimmt, wobei ein oder mehrere der Parameterskalierungsfaktoren nicht-linear als eine Funktion des Fehlerwertes GSF variieren. Danach werden bei 212 und 214 die gesteuerten Wellenformparameter selektiv gemäß dem Fehlerwert GSF und gemäß den Parameterskalierungsfaktoren SF angepasst. In der veranschaulichten Ausführungsform werden die Parameterskalierungsfaktoren SF₁ bis SF_N durch die nicht-lineare adaptive Steuerungskomponente 163 für eine ganzzahlige Anzahl N angepasster Parameter P₁ bis P_N bei 210 unter Verwendung der Tabelle 169 (3 und 9) auf der Basis dem momentanen Arbeitspunktwertes 170, der ausgewählten Wellenformdatei 164 und des momentanen GSF bestimmt. In dem Beispiel von 9 werden die Skalierungsfaktoren durch Lösen der Gleichungen oder Funktionen bestimmt, obgleich auch andere Berechnungsmittel, wie zum Beispiel Nachschlagetabellen, mit oder ohne Interpolation usw. verwendet werden können. Bei 212 werden Wellenformanpassungswerte AV₁–AV_N in der nicht-linearen adaptiven Steuerungskomponente 163, die den angepassten oder gesteuerten Parametern P₁–P_N entsprechen, auf der Basis des GSF, der definierten Werte DV₁–DV_N und auf der Basis der Parameterskalierungsfaktoren SF₁–SF_N berechnet. In der veranschaulichten Ausführungsform werden die Anpassungswerte AV in der Komponente 163 gemäß der Gleichung AV_I = DV_I × (1 + SF_I + GSF) für I = 1 bis N berechnet. Die berechneten Anpassungswerte AV₁–AV_N werden dann durch die Steuerungskomponente 163 auf die PWM-Komponente 168 bei 214 angewendet, um das oder die Steuersignale 132 an die Stromquelle 120 zu senden, woraufhin der Prozess 200 wie oben beschrieben wiederholt wird.
Durch das obige Verfahren 200 oder andere geeignete Implementierungen übermittelt der Controller 130 von 3 mindestens ein Steuersignal 132 an die Stromquelle 120, um mindestens einen Wellenformparameter des Schweißsignals in nicht-linearer Weise mindestens teilweise auf der Basis des oder der Rückkopplungswerte 142 vom Rückkopplungssystem 140 selektiv anzupassen, um den Ausgang der Stromquelle 120 zu regeln. Außerdem wird angemerkt, dass der Controller 130 und das oder die durch ihn bereitgestellten Steuersignale 132 dergestalt sein können, dass jeder bestimmte Parameter, der mit der Ausgangsschweißsignalwellenform verknüpft ist, nicht-linear modifiziert oder angepasst werden kann, wie zum Beispiel Spitzenstrom, Hintergrundstrom, Spitzenspannung, Hintergrundspannung, Periode, Frequenz, Spitzendauer, Anstiegsrate, Anstiegszeit, Anstiegsziel, Abstiegsrate, Abstiegszeit und Abstiegsziel. Des Weiteren kann mehr als ein Parameter über den adaptiven Controller 130 angepasst werden, wobei bestimmte Implementierungen in Abhängigkeit von den GSF-zu-SF-Beziehungen (beispielsweise Formeln), die in den Tabellen 169 definiert sind, ein selektives Anpassen von zwei oder mehr Wellenformparametern in nicht-linearer Weise bereitstellen können.
Wir wenden uns nun den 5–8 zu, wo verschiedene beispielhafte nicht-lineare adaptive Steuerungsbeziehungen oder -regimes (für einen bestimmten Systemarbeitspunkt) grafisch veranschaulicht sind, die unter Verwendung der Verfahren und Systeme der Erfindung implementiert werden können, insbesondere durch zweckmäßige Definition der Einträge der Tabellen 169 in den obigen Ausführungsformen. Wie zuvor in Verbindung mit den 2A und 2B besprochen, haben die Erfinder erkannt, dass die oben beschriebenen nicht-linearen adaptiven Steuerungstechniken vorteilhaft zum Anpassen einer Impulswellenform in Abhängigkeit davon, wo in dem adaptiven Bereich der tatsächliche Ausgang liegt, verwendet können, wodurch der Bereich der adaptiven Steuerung signifikant vergrößert werden kann, ohne die Beschränkungen zu überschreiten, die durch die physikalischen Eigenschaften des Schweißprozesses selbst gegeben sind. Zum Beispiel kann der adaptive Bereich des Spitzenstroms signifikant vergrößert werden, während eine Schwelle oder ein Mindestwert (oberhalb des Übergangsstroms I_T) durchgesetzt wird, um den Tröpfchentransfer unter Verwendung nicht-linearer relationaler Einträge in der Tabelle 169 aufrecht zu erhalten, wie anschließend beschrieben.
5 enthält ein Kurvendiagramm 300, das ein beispielhaftes nicht-lineares Anpassungsregime zeigt, das über zweckmäßige Einträge in den Zustands-Daten-Tabellen 169 des Controllers 130 in 3 oben implementiert wird und bei dem der Spitzenstrom I_P und die Impulsfrequenz F in nicht-linearer Weise als eine Funktion der Kontakt-zu-Werkstück-Distanz (CTWD) geändert werden, wobei wir auch hier das Beispiel verwenden, bei dem der Sprühübergangsstrom etwa 270 A für eine ausgewählte Schweißelektrode E und einen ausgewählten Schutzgastyp beträgt. In diesem Fall wird der Spitzenstrom I_P nicht-linear für den momentanen Arbeitspunktwert 170 gemäß der Beziehung SF_IP = f_IP(WP, CTWD) angepasst und dadurch oberhalb eines Mindestspitzenstroms von etwa 300 A gehalten, um eine Degradation des Tröpfchentransferprozesses zu verhindern. In diesem Beispiel werden darüber hinaus auch ein oder mehrere weitere Wellenformparameter (beispielsweise die Frequenz) als eine Funktion der CTWD angepasst, um wenigstens teilweise die nicht-lineare adaptive Antwort des Spitzenstroms I_P zu kompensieren, wodurch die Systemleistung selbst dann gesteigert wird, wenn sich der Spitzenstrom auf dem kleinsten Pegel befindet. Darüber hinaus wird in diesem Fall die Impulswellenformfrequenz F ebenfalls in nicht-linearer Weise angepasst, und ihre Antwort wird bei niedrigen CTWD-Werten minimiert, um übermäßig hohe Frequenzen zu verhindern. Somit erlaubt die veranschaulichte nicht-lineare adaptive Steuerung des Spitzenstroms I_P und der Wellenformfrequenz F eine verbesserte Steuerbarkeit und Justierbarkeit der Systemleistung, was dafür verwendet werden kann, einen oder mehrere Gesamtsystemleistungsmessgrößen unter Verwendung der breitest-möglichen adaptiven Steuerbereiche zu optimieren, während erfolgreich die nachteiligen Effekte von Beschränkungen, die den physikalischen Gegebenheiten des Prozesses zuzurechnen sind, vermieden oder gemindert werden. Somit erlaubt die vorliegende Erfindung vorteilhafterweise den Schweißingenieuren und Prozessgestaltern viel mehr Freiheit bei der Prozessoptimierung, als es unter Verwendung herkömmlicher linearer Anpassungstechniken möglich war.
6 enthält ein Kurvendiagramm 310, das ein weiteres Beispiel zeigt, bei dem die nicht-lineare Anpassung des Spitzenstroms I_P mit Bezug auf einen globalen Skalierungsfaktor (GSF) bereitgestellt wird. In diesem Fall ist die nicht-lineare adaptive Beziehung innerhalb zweier Sektionen des GSF-Bereichs stückweise linear, einschließlich eines ersten Bereichs für den GSF minus einem Wert –k, für den der Spitzenstrom-Skalierungsfaktor SF_IP im Wesentlichen null ist. Für den Rest des GSF-Bereichs ist SF_IP = ΔY/ΔX, wodurch eine Doppelgefälle-artige nicht-lineare Anpassung des Spitzenstroms I_PI zusammen mit einer allgemein linearen Anpassung für die Wellenformperiode T und den Hintergrundstrom I_B bereitgestellt wird. Wie beim Vergleich von 3 mit der Situation in den 2A und 2B oben zu sehen, haben die Erfinder erkannt, dass die nicht-lineare Spitzenstromanpassung oder -steuerung es in diesem Fall erlaubt, den Skalierungsfaktor SF_IP für den Spitzenstrom auf 30% zu erhöhen (wohingegen beispielsweise SF = 15% in 2A verwendet wurde), ohne dass das Risiko besteht, dass der Strom unter den Sprühübergangsstrom I_T = 270 A abfällt (die Verwendung von 30% SF in 2B bewirkt, dass der adaptive Bereich Werte unterhalb des Übergangsstroms I_T enthält).
Wir wenden uns auch 7 zu, wo das Kurvendiagramm 320 eine Steuerungsbeziehung zeigt, bei der sowohl der Spitzenstrom I_P als auch die Impulswellenformperiode T in nicht-linearer Weise mit Bezug auf den GSF angepasst werden, wobei die Periode T oberhalb etwa 4,6 ms gehalten wird (beispielsweise eine Frequenz von unter etwa 220 Hz), zusammen mit recht niedrigen Hintergrundstromwerten (I_B), um die oben angesprochene Degradation des Impulströpfchentransfers für hohe GSF-Werte zu verhindern. Außerdem wird der Spitzenimpulsstrom I_P selbst bei niedrigen GSF-Werten unter Verwendung der nicht-linearen Anpassung zweier Wellenformparameter weit oberhalb des Sprühübergangspegels (beispielsweise 270 A) gehalten. In diesem Beispiel beträgt der Nennspitzenstrom I_P etwa 330 A (bei GSF = 0), und der Spitzenstrom-Skalierungsfaktor SF_IP wird auf 50% erhöht, wodurch ziemlich hohe maximale Spitzenströme für hohe GSF-Werte gestattet werden. Die nominale Periode T in dieser Ausführungsform beträgt etwa 6,1 ms mit einem Skalierungsfaktor SF_T von –35%, der nicht-linear auf ein Limit von etwa 5 ms für höhere GSF-Werte ausklingt, um die Wahrscheinlichkeit zu verringern, dass die Wellenformimpulse zu dicht zusammenstehen.
Eine weitere Ausweitung des adaptiven Spitzenstrombereichs wird in der Ausführungsform, die in dem Kurvendiagramm 330 von 8 gezeigt ist, erreicht, indem der Hintergrundstrom I_B ebenfalls in nicht-linearer Weise in Kombination mit der selektiven nicht-linearen Anpassung des Spitzenstroms I_P und der Periode T selektiv angepasst wird. In diesem Beispiel wurde der Periodenskalierungsfaktor SF_T signifikant auf 80% erhöht, wodurch viel längere Impulswellenformen für niedrige GSF-Werte ermöglicht werden, während der Hintergrundstrom I_B schneller (nicht-linear) für GSF-Werte oberhalb etwa 0,4 ansteigt, wobei das Limit für die Wellenformperiode T und die entsprechende Zunahme des Hintergrundstroms I_B wirkungsvoll das Risiko beseitigen, dass die Impulse einander zu nahe kommen. Im Ergebnis des aus mehreren Parametern bestehenden nicht-linearen Steuerungsregimes stellt diese Ausführungsform einen signifikant erweiterten adaptiven Betriebsbereich bereit und ist in der Lage, eine gute Schweißleistung durch ihren gesamten Rückkopplungs(GSF)-Bereich hindurch zu erbringen, wobei der Nichtlinearitätsgrad so eingestellt werden kann (beispielsweise durch Bereitstellen einer ausreichenden Anzahl von Einträgen in einer Nachschlagetabellenimplementierung oder eines angemessenen Auflösungsgrades in den Gleichungsdefinitionen für algorithmische Implementierungen der Tabellen 169), dass, wenn der GSF variiert, die Änderungen des Skalierungsfaktors nicht abrupt sind. Zum Beispiel hat in dem veranschaulichten Beispiel von 8 keine der adaptiven Parameterantwortkurven für I_P, I_B oder T scharfe Merkmale, wodurch die adaptive Steuerung über den gesamten Betriebsbereich hinweg gleichmäßig ist. Unter Verwendung dieses Steuerungsregimes ist das Schweißsystem 110 in der Lage, sich an sehr große Änderungen der CTWD sowie an große Änderungen der Drahtzufuhrgeschwindigkeit anzupassen. Die Konzepte der Erfindung können darüber hinaus in synergetischen Schweißsystemen für Impuls- oder andere wellenformbasierte Schweißarbeiten implementiert werden, bei denen die ausgewählte Drahtzufuhrgeschwindigkeit oder ein anderer einzelner Systemarbeitspunkt 170 alle Wellenformparameter-Nennwerte definiert, und können auch in nicht-synergetischen Systemen implementiert werden, bei denen die Drahtzufuhrgeschwindigkeit von den Wellenformparametern unabhängig ist und die adaptive Steuerung den oder die Betriebspunkte bestimmt.
Die oben beschriebenen Beispiele veranschaulichen lediglich verschiedene mögliche Ausführungsformen verschiedener Aspekte der vorliegenden Erfindung, wobei dem Fachmann beim Lesen und Verstehen dieser Spezifikation und der angehängten Zeichnungen äquivalente Änderungen und/oder Modifikationen einfallen. Speziell in Bezug auf die verschiedenen Funktionen, die durch die oben beschriebenen Komponenten (Baugruppen, Vorrichtungen, Systeme, Schaltkreise und dergleichen) ausgeführt werden, ist es beabsichtigt, dass – sofern nicht etwas anderes angegeben ist – die Begriffe (einschließlich der Verwendung des Begriffes „Mittel”), die dafür verwendet werden, solche Komponenten zu beschreiben, jeglichen Komponenten, wie zum Beispiel Hardware, Software oder Kombinationen davon, entsprechen, die die spezifizierte Funktion der beschriebenen Komponente (die beispielsweise funktional äquivalent ist) ausführen, selbst wenn sie der offenbarten Struktur, die die Funktion in den veranschaulichten Implementierungen der Erfindung ausführt, nicht strukturell äquivalent ist. Des Weiteren kann, auch wenn ein bestimmtes Merkmal der Erfindung mit Bezug auf nur eine von verschiedenen Implementierungen offenbart wurde, ein solches Merkmal mit einem oder mehreren anderen Merkmalen der anderen Implementierungen kombiniert werden, so wie es für eine gegebene oder bestimmte Anwendung gewünscht wird und vorteilhaft ist. Insofern die Begriffe „einschließlich”, „enthält”, „aufweist”, „hat”, „mit” oder Varianten davon in der detaillierten Beschreibung und/oder in den Ansprüchen verwendet werden, ist es des Weiteren beabsichtigt, dass diese Begriffe in einer Weise ähnlich dem Begriff „umfassen” inkludierend sind.
Bezugszeichenliste

10: Schweißsystem
20: Stromquelle
22: Ausgang
24: Lichtbogenlänge
30: Controller
32: Steuersignale
40: Rückkopplungssystem
42: Prozessrückkopplungsinformation
50: Kurvendiagramm
52: Nennspitzenstromwert
54: größter Spitzenpegel
56: Wellenform/kleinster Spitzenpegel
58: Bereich
60: Kurvendiagramm
62: Nennwert
66: minimaler Spitzenstrom
68: Steuerbereich
110: Schweißsystem
120: Stromquelle
122a: Ausgangsanschluss
122b: Ausgangsanschluss
124: Eingangsgleichrichter
126: Wechselrichter
128: Ausgangschopper
128a: Anschluss
128b: Anschluss
130: Controller
131: Prozessor
132: Steuerungssignal
133: A/D-Wandler
140: Rückkopplungssystem
142a: Spannungsrückkopplungswerte oder -signale
142b: Spannungsrückkopplungswerte oder -signale
144: Stromnebenanschluss
146: Spannmesswandler
150: Drahtzuführer
152: Prozessor
154: Rollen
156: Versorgungsspule
160: Software
162: Wellenformgenerator
163: Steuerungskomponente
164: Wellenform
165: Skalierung
166: PWM
167: Sollpunkt
168: Impulsbereitenmodulationskomponente
169: Zustands-Daten-Tabelle
170: Systemarbeitspunkt
200: Verfahren
202: Kontinuierliche Schleife
204: Analog-Wandlung
206: Rückkopplungsverstärkung
210: Parameterskalierungsfaktor
212: gesteuerte Wellenform
214: gesteuerte Wellenform
300: Kurvendiagramm
310: Kurvendiagramm
A: Schweißlichtbogen
C: Kontaktstruktur
CTWD: Kontakt-zu-Werkstück-Distanz
E: Schweißelektrode
G: Schutzgas
W/P: Werkstück
W: Schweißpfütze/Schweißnaht

Claims

Schweißsystem, das Folgendes umfasst: eine Stromquelle mit einem Ausgang, der ein Schweißsignal als eine Reihe von Wellenformen an einen Schweißvorgang ausgibt; ein Rückkopplungssystem, das mit der Stromquelle wirkgekoppelt ist und mindestens einen Rückkopplungswert abfühlt, der mit dem Schweißvorgang verknüpft ist; und einen Controller, der mit dem Rückkopplungssystem und mit der Stromquelle wirkgekoppelt ist, wobei der Controller mindestens ein Steuersignal in die Stromquelle einspeist, um selektiv mindestens einen Wellenformparameter des Schweißsignals in nicht-linearer Weise mindestens teilweise auf der Basis des mindestens einen Rückkopplungswertes von dem Rückkopplungssystem anzupassen, um den Ausgang von der Stromquelle zu regeln.
Schweißsystem nach Anspruch 1, wobei der mindestens eine Wellenformparameter des Schweißsignals aus folgender Gruppe ausgewählt ist: Spitzenstrom, Hintergrundstrom, Spitzenspannung, Hintergrundspannung, Periode, Frequenz, Spitzendauer, Anstiegsrate, Anstiegszeit, Anstiegsziel, Abstiegsrate, Abstiegszeit und Abstiegsziel.
Schweißsystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei der mindestens eine Rückkopplungswert aus folgender Gruppe ausgewählt ist: Schweißstrom und Schweißspannung.
Schweißsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Controller das mindestens eine Steuersignal bereitstellt, um zwei oder mehr Wellenformparameter in nicht-linearer Weise selektiv anzupassen.
Schweißsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Controller das mindestens eine Steuersignal bereitstellt, um zwei oder mehr Wellenformparameter in nicht-linearer Weise selektiv anzupassen.
Schweißsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Controller das mindestens eine Steuersignal bereitstellt, um zwei oder mehr Wellenformparameter in nicht-linearer Weise selektiv anzupassen.
Schweißsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Schweißprozess ein Impuls-GMAW-Schweißprozess ist.
System zum Regulieren eines Schweißprozesses, ausgestaltet zum: Abfühlen mindestens eines Rückkopplungswertes, der mit dem Schweißprozess verknüpft ist; und zum selektiven Anpassen mindestens eines gesteuerten Wellenformparameters des Schweißsignals in nicht-linearer Weise mindestens teilweise auf der Basis des Rückkopplungswertes von dem Rückkopplungssystem.
System nach Anspruch 8, wobei das selektive Anpassen mindestens eines gesteuerten Wellenformparameters Folgendes umfasst: Vergleichen des Rückkopplungswertes mit einem Sollpunktwert, um einen Fehlerwert abzuleiten; Bestimmen eines Parameterskalierungsfaktors für den mindestens einen gesteuerten Wellenformparameter auf der Basis eines momentanen Arbeitspunktwertes und des Fehlerwertes, wobei der Parameterskalierungsfaktor nicht-linear als eine Funktion des Fehlerwertes variiert; und selektives Anpassen des mindestens einen gesteuerten Wellenformparameters gemäß dem Fehlerwert und gemäß dem Parameterskalierungsfaktor.
System nach Anspruch 8 oder 9, wobei der mindestens eine Wellenformparameter aus folgender Gruppe ausgewählt ist: Spitzenstrom, Hintergrundstrom, Spitzenspannung, Hintergrundspannung, Periode, Frequenz, Spitzendauer, Anstiegsrate, Anstiegszeit, Anstiegsziel, Abstiegsrate, Abstiegszeit und Abstiegsziel.
System nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei der mindestens eine Rückkopplungswert aus folgender Gruppe ausgewählt ist: Schweißstrom und Schweißspannung.
System nach einem der Ansprüche 8 bis 11, wobei der Controller das mindestens eine Steuersignal bereitstellt, um zwei oder mehr Wellenformparameter in nichtlinearer Weise selektiv anzupassen.
Steuerungssystem zum Regulieren des Ausgangsschweißsignals einer Schweißstromquelle in einem Schweißprozess, wobei das Steuerungssystem Folgendes umfasst: ein Mittel zum Abfühlen mindestens eines Rückkopplungswertes, der mit dem Schweißprozess verknüpft ist; und ein Mittel zum selektiven Anpassen mindestens eines gesteuerten Wellenformparameters des Schweißsignals in nicht-linearer Weise mindestens teilweise auf der Basis des Rückkopplungswertes von dem Rückkopplungssystem.
Steuerungssystem nach Anspruch 12, wobei der Mittel zum selektiven Anpassen Folgendes umfasst: ein Mittel zum Vergleichen des Rückkopplungswertes mit einem Sollpunktwert, um einen Fehlerwert abzuleiten; ein Mittel zum Bestimmen eines Parameterskalierungsfaktors für den mindestens einen gesteuerten Wellenformparameter auf der Basis eines momentanen Arbeitspunktwertes und des Fehlerwertes, wobei der Parameterskalierungsfaktor nichtlinear als eine Funktion des Fehlerwertes variiert; und ein Mittel zum selektiven Anpassen des mindestens einen gesteuerten Wellenformparameters gemäß dem Fehlerwert und gemäß dem Parameterskalierungsfaktor.
Steuerungssystem nach Anspruch 12 oder 13, wobei der mindestens eine Wellenformparameter des Schweißsignals aus folgender Gruppe ausgewählt ist: Spitzenstrom, Hintergrundstrom, Spitzenspannung, Hintergrundspannung, Periode, Frequenz, Spitzendauer, Anstiegsrate, Anstiegszeit, Anstiegsziel, Abstiegsrate, Abstiegszeit und Abstiegsziel.
Steuerungssystem nach einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei der mindestens eine Rückkopplungswert aus folgender Gruppe ausgewählt ist: Schweißstrom und Schweißspannung.
Steuerungssystem nach einem der Ansprüche 12 bis 15, wobei der Controller das mindestens eine Steuersignal bereitstellt, um zwei oder mehr Wellenformparameter in nicht-linearer Weise selektiv anzupassen.