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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung betrifft Regler in Lichtbogenschweißsystemen sowie Steuerungsmethodologien zur Verwendung in Lichtbogenschweißsystemen, und betrifft insbesondere ein Lichtbogenschweißsystem mit einem parallelen zustandsbasierten Regler
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BESCHREIBUNG DES STANDES DER TECHNIK
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Zustandsbasierte Steuerungsprinzipien können zum Steuern einer Schweißwellenform verwendet werden, die während des Schweißens an ein Werkstück angelegt wird. Eine in der Schweißstromversorgung gespeicherte Zustandstabelle definiert die Schweißwellenform über eine Anzahl von Steuerungszuständen, die jeweils verschiedenen Teilen der Schweißwellenform entsprechen. Zum Beispiel könnte ein Zustand einem Spitzenstrom der Schweißwellenform entsprechen, während ein anderer Zustand einem Hintergrundstrom der Schweißwellenform entsprechen könnte. Zusammen definieren die einzelnen Zustände in der Zustandstabelle die Gesamtschweißwellenform.
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Separate zusätzliche Regler (d. h. von der Schweißstromversorgung getrennt) werden zum Steuern weiterer Aspekte des Lichtbogenschweißsystems bereitgestellt. Zum Beispiel könnte das Lichtbogenschweißsystem einen dedizierten Regler haben, wie zum Beispiel einen Motorregler, um einen Schweißbrenner zu positionieren und seine Bewegungen zu steuern, und könnte einen weiteren dedizierten Regler haben, um die Drahtzufuhrgeschwindigkeit einer aufzehrbaren Drahtelektrode zu steuern. Das Lichtbogenschweißsystem könnte weitere Regler aufweisen, um eine Webe-Bewegung des Schweißbrenners während des Schweißens, die Translation oder den Vorschub des Brenners entlang der Länge des Werkstücks, die Umfangs- oder Orbitalbewegung des Schweißbrenners um ein Rohr usw. zu steuern. Solche Regler sind von den zu standsbasierten Schweißreglern getrennt, und es gibt kaum eine Integration zwischen solchen Reglern und dem zustandsbasierten Schweißregler. Somit gibt es keine Synergie zwischen den separaten Reglern. Die separaten zusätzlichen Regler arbeiten allgemein mit viel langsameren Steuerfrequenzen als die zustandsbasierten Schweißregler, um Instabilitäten innerhalb des Gesamtschweißsteuerungssystems zu vermeiden. Zum Beispiel können die separaten zusätzlichen Regler mit einer Steuerungsfrequenz im Bereich von 1–10 Hz arbeiten, während die Steuerungsfrequenz des Schweißreglers hunderttausende Male schneller sein könnte. Des Weiteren erfordern die separaten Regler oft die Verwendung doppelter Sensoren (zum Beispiel Spannung, Strom usw.) in dem Schweißsystem.
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KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
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Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Lichtbogenschweißsystem bereitgestellt. Das Lichtbogenschweißsystem enthält einen Schweißbrenner. Eine Elektrode ist mit dem Schweißbrenner wirkverbunden und empfängt elektrische Energie von dem Schweißbrenner. Die Elektrode baut einen elektrischen Lichtbogen von dem Lichtbogenschweißsystem her auf. Eine Schweißstromversorgung liefert elektrische Energie zum Erzeugen des elektrischen Lichtbogens gemäß einer Schweißwellenform. Die Schweißstromversorgung umfasst einen Schalt-Leistungswandler. Der Schalt-Leistungswandler ist mit dem Schweißbrenner wirkverbunden, um den Schweißbrenner mit elektrischer Energie zu versorgen. Ein paralleler zustandsbasierter Regler ist mit dem Schalt-Leistungswandler wirkverbunden und speist ein Wellenformsteuersignal in den Schalt-Leistungswandler ein, um die Betriebsabläufe des Schalt-Leistungswandlers zu steuern. Der parallele zustandsbasierte Regler erzeugt ein Bewegungssteuersignal zum Steuern der Bewegungen der Elektrode und/oder des Schweißbrenners. Der parallele zustandsgestützte Regler umfasst einen Prozessor. Ein Sensor, der einen Ausgang hat, der mit dem parallelen zustandsbasierten Regler wirkverbunden ist, fühlt eine Schweißspannung und/oder einen Schweißstrom ab. Ein Speicherabschnitt ist mit dem Prozessor wirkverbunden und speichert eine Schweißzustandstabelle, die eine erste Mehrzahl sequenzieller Steuerungszustände umfasst, und eine Bewegungssteuerungssystem-Zustandstabelle, die eine zweite Mehrzahl sequenzieller Steuerungszustände umfasst. Die Schweißwellenform ist in der Schweißzustandstabelle definiert. Der parallele zustandsbasierte Regler steuert die Betriebsabläufe des Schalt-Leistungswandlers durch das Wellenformsteuersignal gemäß der Schweißzustandstabelle und justiert gleichzeitig das Bewegungssteuersignal gemäß der Bewegungssteuerungssystem-Zustandstabelle. Der parallele zustandsbasierte Regler wechselt zwischen Steuerungszuständen der Schweißzustandstabelle gemäß einem Signal, das von dem Sensor kommend empfangen wird, und wechselt auch zwischen Steuerungszuständen der Bewegungssteuerungssystem-Zustandstabelle gemäß einem Signal, das von dem Sensor kommend empfangen wird.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Lichtbogenschweißsystem bereitgestellt, umfassend einen Schweißbrenner und eine Schweißstromversorgung. Die Schweißstromversorgung enthält einen Schalt-Leistungswandler, der mit dem Schweißbrenner wirkverbunden ist. Ein paralleler zustandsbasierter Regler enthält eine Schweißzustandstabelle und eine Bewegungssteuerungssystem-Zustandstabelle. Das Lichtbogenschweißsystem enthält einen Schweißspannungssensor und einen Schweißstromsensor. Ein elektrischer Lichtbogen wird zwischen dem Lichtbogenschweißsystem und einem Werkstück erzeugt. Der parallele zustandsbasierte Regler steuert den Schalt-Leistungswandler, eine Schweißwellenform gemäß der Schweißzustandstabelle zu generieren. Die Schweißzustandstabelle enthält eine erste Mehrzahl sequenzieller Steuerungszustände, die die Schweißwellenform definieren. Zum Steuern des Schalt-Leistungswandlers ist ein sequenzielles Wechseln zwischen Steuerungszuständen der Schweißzustandstabelle auf der Grundlage eines Schweißspannungssignals von dem Schweißspannungssensor und/oder eines Schweißstromsignals von dem Schweißstromsensor vorgesehen. Der parallele zustandsbasierte Regler steuert gleichzeitig mit dem Steuern des Schalt-Leistungswandlers die Bewegung des Schweißbrenners gemäß der Bewegungssteuerungssystem-Zustandstabelle. Die Bewegungssteuerungssystem-Zustandstabelle enthält eine zweite Mehrzahl sequenzieller Steuerungszustände. Zum Steuern der Bewegung des Schweißbrenners ist ein sequenzielles Wechseln zwischen Steuerungszuständen der Bewegungssteuerungssystem-Zustandstabelle auf der Grundlage des Schweißspannungssignals von dem Schweißspannungssensor und/oder des Schweißstromsignals von dem Schweißstromsensor vorgesehen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird Lichtbogenschweißsystem mit einer Schweißelektrode und einer Schweißstromversorgung bereitgestellt. Die Schweißstromversorgung enthält einen Wechselrichter, der mit der Schweißelektrode wirkverbunden ist. Ein paralleler zustandsbasierter Regler enthält eine Schweißzustandstabelle und eine Bewegungssteuerungssystem-Zustandstabelle. Das Lichtbogenschweißsystem enthält einen Schweißspannungssensor und einen Schweißstromsensor. Ein elektrischer Lichtbogen wird zwischen der Schweißelektrode und einem Werkstück erzeugt. Der parallele zustandsbasierte Regler steuert den Wechselrichter, eine Schweißwellenform gemäß der Schweißzustandstabelle zu generieren. Die Schweißzustandstabelle enthält eine erste Mehrzahl sequenzieller Steuerungszustände, die die Schweißwellenform definieren. Zum Steuern des Wechselrichters ist das sequenzielle Wechseln zwischen Steuerungszuständen der Schweißzustandstabelle auf der Grundlage eines Schweißspannungssignals von dem Schweißspannungssensor und/oder eines Schweißstromsignals von dem Schweißstromsensor vorgesehen. Der parallele zustandsbasierte Regler steuert gleichzeitig mit dem Steuern des Wechselrichters die Bewegung der Schweißelektrode gemäß der Bewegungssteuerungssystem-Zustandstabelle. Die Bewegungssteuerungssystem-Zustandstabelle enthält eine zweite Mehrzahl sequenzieller Steuerungszustände. Zum Steuern der Bewegung der Schweißelektrode ist das sequenzielle Wechseln zwischen Steuerungszuständen der Bewegungssteuerungssystem-Zustandstabelle auf der Grundlage des Schweißspannungssignals von dem Schweißspannungssensor und/oder des Schweißstromsignals von dem Schweißstromsensor vorgesehen. Weitere Ausführungsformen, Merkmale und Details der Erfindung lassen sich aus der Beschreibung, den Zeichnungen und den Ansprüchen, die nun folgen, herleiten.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist ein Schaubild eines beispielhaften Lichtbogenschweißsystems; und
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2 ist ein Zustandschaubild;
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3 ist ein Schaubild eines beispielhaften Lichtbogenschweißsystems;
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4 ist ein Schaubild eines beispielhaften Lichtbogenschweißsystems;
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5 ist ein Zustandschaubild;
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6 ist ein Schaubild eines beispielhaften Lichtbogenschweißsystems;
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7 ist ein Schaubild eines beispielhaften Lichtbogenschweißsystems; und
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8 ist ein Schaubild eines beispielhaften Lichtbogenschweißsystems.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung betrifft Regler in Lichtbogenschweißsystemen sowie Steuerungsmethodologien zur Verwendung in Lichtbogenschweißsystemen. Die vorliegende Erfindung wird nun mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben, wo stets gleiche Bezugszahlen zum Bezeichnen gleicher Elemente verwendet werden. Es versteht sich, dass die verschiedenen Zeichnungen weder von einer Figur zur anderen noch innerhalb einer bestimmten Figur unbedingt maßstabsgetreu gezeichnet sind, und dass insbesondere die Größe der Komponenten willkürlich gezeichnet ist, um das Verstehen der Zeichnungen zu erleichtern. In der folgenden Beschreibung sind – für die Zwecke der Erläuterung – zahlreiche konkrete Details dargelegt, um ein gründliches Verstehen der vorliegenden Erfindung zu ermöglichen. Es versteht sich jedoch, dass die vorliegende Erfindung auch ohne diese konkreten Details praktiziert werden kann. Außerdem sind auch andere Ausführungsformen der Erfindung möglich, und die Erfindung kann auch auf andere Weise als in der beschriebenen praktiziert und ausgeführt werden. Die Terminologie und Phraseologie, die zum Beschreiben der Erfindung verwendet wird, wird zum Erleichtern des Verstehens der Erfindung verwendet und darf nicht in einem einschränkenden Sinne missverstanden werden.
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Im Sinne des vorliegenden Textes bezieht sich der Begriff „Schweißen” auf einen Lichtbogenschweißprozess. Zu Beispielen von Lichtbogenschweißprozessen gehören Gas-Metall-Lichtbogenschweißen (GMAW), Gas-Wolfram-Lichtbogenschweißen (GTAW), Flussmittelkern-Lichtbogenschweißen (FCAW), Unterpulver-Lichtbogenschweißen (SAW), Metallkern-Lichtbogenschweißen (MCAW), Plasma-Lichtbogenschweißen (PAW) und dergleichen.
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Im Sinne des vorliegenden Textes beziehen sich die Begriffe „Elektrode” und „Schweißelektrode” auf Elektroden im Zusammenhang mit einem Schweißbrenner, die elektrische Energie von einer Schweißstromversorgung zu einem Werkstück übertragen. Zu beispielhaften „Elektroden” und „Schweißelektroden” gehören aufzehrbare (zum Beispiel Draht-)Elektroden, die während des Schweißens verbraucht werden, nicht-aufzehrbare Elektroden (die zum Beispiel einen Teil eines Schweißbrenners bilden) und Kontaktspitzen innerhalb eines Brenners zum Übertragen elektrischer Energie zu aufzehrbaren Elektroden. „Bewegung der Elektrode/Schweißelektrode” kann sich auf Bewegungen der Elektrode relativ zu dem Schweißbrenner und/oder dem Werkstück beziehen, wie zum Beispiel das Zuführen einer aufzehrbaren Drahtelektrode durch den Brenner in Richtung des Werkstücks. „Bewegung der Elektrode/Schweißelektrode” kann sich auch auf die Bewegung des Brenners selbst, relativ zu dem Werkstück, zusammen mit der Kontaktspitze des Brenners oder aufzehrbaren Elektrode beziehen.
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Ein beispielhaftes Lichtbogenschweißsystem 10 ist schematisch in 1 gezeigt. Das Lichtbogenschweißsystem 10 enthält eine Schweißstromversorgung 12. Die Schweißstromversorgung 12 erzeugt einen elektrischen Lichtbogen 14 zwischen einer Elektrode 16 und einem Werkstück 18 zum Ausführen eines Schweißvorgangs. Die Schweißstromversorgung 12 empfängt elektrische Energie zum Erzeugen des Lichtbogens 14 von einer Stromquelle 20, wie zum Beispiel einer handelsüblichen elektrischen Stromquelle oder einem Generator. Die Stromquelle 20 kann eine einphasige oder eine dreiphasige Stromquelle sein.
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Die Schweißstromversorgung 12 enthält einen Schalt-Leistungswandler 22 zum Erzeugen des Lichtbogens gemäß einer gewünschten Schweißwellenform 24. Zu beispielhaften Schalt-Leistungswandlern 22 gehören Wechselrichter, Zerhäcksler und dergleichen.
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Das Lichtbogenschweißsystem 10 enthält einen Schweißbrenner 26, der mit dem Leistungswandler 22 wirkverbunden ist. Der Leistungswandler 22 liefert elektrische Energie an den Schweißbrenner 26 zum Ausführen des Schweißvorgangs. In 1 hat der Brenner 26 eine Kontaktspitze 28 zum Übertragen der durch den Leistungswandler 22 gelieferten elektrischen Energie zu der Elektrode 16. Es versteht sich, dass die Elektrode 16 entweder eine aufzehrbare Elektrode sein kann, die sich von dem Schweißbrenner 26 erstreckt und die während des Schweißvorgangs aufgezehrt wird, oder eine nicht-aufzehrbare Elektrode sein kann, die Teil des Schweißbrenners ist.
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Elektrische Anschlussdrähte 30, 32 bilden einen geschlossenen Stromkreis für den Lichtbogenschweißstrom von dem Leistungswandler 22 durch den Brenner 26 und die Elektrode 16 über den Lichtbogen 14 und durch das Werkstück 18.
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Die Schweißstromversorgung 10 enthält einen Regler 34, der ein paralleler zustandsbasierter Regler ist. Der Betrieb des parallelen zustandsbasierten Reglers wird im Folgenden ausführlich besprochen. Der parallele zustandsbasierte Regler 34 ist mit dem Leistungswandler 22 wirkverbunden und speist ein Wellenformsteuersignal 36 in den Leistungswandler 22 ein. Der parallele zustandsbasierte Regler 34 steuert den Ausgang des Leistungswandlers 22 über das Wellenformsteuersignal 36, und der Regler 34 erzeugt das Wellenformsteuersignal 36 gemäß einer gewünschten Schweißwellenform 24. Die Schweißwellenform 24 kann jede beliebige Anzahl von Formen haben, die durch verschiedene Zustände oder Phasen des Schweißzyklus gebildet werden. Zum Beispiel kann die Schweißwellenform 24 einen Hintergrundstromzustand 38 zum Halten des Lichtbogens, einen Kurzschlussaufhebungszustand 40, einen Spitzenstromzustand 42, einen Ausklingstromzustand 44, einen Anstiegszustand mit oder ohne Overshoot (nicht gezeigt) usw. haben. Die Schweißwellenform 24 kann zugeordnete Zeitparameter haben, wie zum Beispiel Spitzenzeit, Anstiegsrate, Ausklinggeschwindigkeit usw. Der parallele zustandsgestützte Regler 34 justiert das Wellenformsteuersignal 36, um einen Schweißvorgang gemäß der gewünschten Schweißwellenform 24 zu erreichen. Das Wellenformsteuersignal 36 kann mehrere separate Steuersignale zum Steuern des Betriebes verschiedener Schalter (zum Beispiel Halbleiterschalter) innerhalb des Leistungswandlers 22 umfassen. Des Weiteren kann das Wellenformsteuersignal 36 an einen separaten Regler (z. B. einen Wechselrichterregler) gesendet werden, der Teil des Leistungswandlers 22 ist.
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Der parallele zustandsbasierte Regler 34 überwacht verschiedene Aspekte des Schweißprozesses über Rückmeldungssignale. Zum Beispiel kann ein Nebenschluss 46 oder ein Stromtransformator (Current Transformer, CT) ein Schweißstrom-Rückmeldungssignal an den parallelen zustandsbasierten Regler 34 ausgeben, und ein Spannungssensor 48 kann ein Schweißspannungs-Rückmeldungssignal an den Regler 34 ausgeben.
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Der parallele zustandsbasierte Regler 34 kann ein elektronischer Regler sein und kann einen Prozessor enthalten. Der parallele zustandsbasierte Regler 34 kann einen Mikroprozessor und/oder einen Mikrocontroller und/oder einen digitalen Signalprozessor (DSP) und/oder einen anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreis (ASIC) und/oder ein feldprogrammierbares Gate-Array (FPGA) und/oder diskrete Logikschaltungen oder dergleichen enthalten. Der parallele zustandsbasierte Regler 34 enthält einen Speicherabschnitt 50 (zum Beispiel RAM oder ROM). Der Speicherabschnitt 50 kann Programminstruktionen speichern, die Lichtbogenschweißprogramme und Bewegungssteuerungsprogramme definieren, die den parallelen zustandsbasierten Regler 34 veranlassen, die Funktionalität zu erzeugen, die ihm im vorliegenden Text zugedacht wird. In bestimmten Ausführungsformen kann der parallele zustandsbasierte Regler 34 auf einen räumlich abgesetzten Speicher (nicht gezeigt) zugreifen, der Programme und/oder Parameter zur Verwendung durch den Regler speichert. Der parallele zustandsbasierte Regler 34 kann auf einen solchen räumlich abgesetzten Speicher über ein Netzwerk zugreifen, wie zum Beispiel ein Nahbereichsnetz, ein Fernbereichsnetz, das Internet usw. Zu beispielhaften räumlich abgesetzten Speichern gehören räumlich abgesetzte Server, Cloud-gestützte Speicher usw.
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Wie oben angemerkt, ist der Regler 34 ein paralleler zustandsbasierter Regler. Der parallele zustandsbasierte Regler 34 steuert den Schweißvorgang gemäß Zustandstabellenkonzepten. Der Schweißvorgang, einschließlich der gewünschten Schweißwellenform 24, wird zu einer Reihe sequenziell gesteuerter Zustände aufgeschlüsselt. Über das Wellenformsteuersignal 36 steuert der parallele zustandsbasierte Regler 34 den Ausgang des Leistungswandlers 22 gemäß einem momentanen Steuerungszustand. Zu beispielhaften Steuerungszuständen gehören AUS, Spitzenstrom, Hintergrundstrom usw. Der parallele zustandsbasierte Regler 34 wechselt von Steuerungszustand zu Steuerungszustand auf der Grundlage von Parametern des Schweißvorgangs. Zum Beispiel kann der parallele zustandsbasierte Regler 34 zwischen Steuerungszuständen auf der Grundlage von Parametern wechseln wie zum Beispiel dem Schweißstrompegel von dem Schweißstrom-Rückmeldungssignal, dem Schweißspannungspegel von dem Schweißspannungs-Rückmeldungssignal, verstrichene Zeit (zum Beispiel verstrichene Zeit im momentanen Zustand), andere Rückmeldungssignale (zum Beispiel Positionssignale, Endschalterzustände) usw.
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Der Speicherabschnitt 50 speichert mehrere Zustandstabellen 52 zur Verwendung durch den parallelen zustandsbasierten Regler 34. Die gespeicherten Zustandstabellen 52 enthalten Schweißzustandstabellen und Bewegungssteuerungssystem-Zustandstabellen. Der parallele zustandsbasierte Regler 34 implementiert eine Schweißzustandstabelle gleichzeitig mit mindestens einer Bewegungssteuerungssystem-Zustandstabelle zum Steuern des Schweißvorgangs.
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Die Zustandstabellen 52 können codierte Parameter enthalten, die Funktionen der verschiedenen Zustände darstellen. Zum Beispiel würde eine Zustandstabelle mit einem Spitzenstromzustand einen Parameter haben, der für den gewünschten Spitzenstrom repräsentativ ist. Die Zustandstabellen 52 enthalten auch Parameter zum Anzeigen, wann ein Zustand enden soll, und des nächsten Zustands, in den eingetreten werden soll, wenn der momentane Zustand endet. Jeder Zustand kann auf der Grundlage verschiedener Parameter, die während des Schweißens überwacht werden, mit mehreren nächsten Zuständen verknüpft werden. Zum Beispiel könnte ein momentaner Zustand zu einem ersten nächsten Zustand wechseln, wenn ein Kurzschlusszustand detektiert wird, und alternativ zu einem zweiten nächsten Zustand (der sich von dem ersten nächsten Zustand unterscheidet) auf der Grundlage einer verstrichenen Zeit.
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Im Allgemeinen umfasst jede Schweißzustandstabelle eine Anzahl separater Zustände, die zusammen die Schweißwellenform und Aspekte der Schweißvorgang definieren. Jeder einzelne Zustand innerhalb der Schweißzustandstabelle enthält mindestens einen Parameter oder eine Instruktion, der bzw. die der durch diesen Zustand (zum Beispiel Spitzenstrompegel) bereitgestellten Funktion entspricht, Parameter oder Überprüfungen, die das Ende jenes Zustands anzeigen, und Parameter, die den nächsten Zustand oder die nächsten Zustände anzeigen. Zusätzlich zu dem Parameter oder der Instruktion, der bzw. die der durch diesen Zustand bereitgestellten Funktion entspricht, kann jeder Zustand zusätzliche Organisationsaufgaben haben, die auszuführen sind. Zu beispielhaften Organisationsaufgaben gehören das Zurücksetzen von Timern, das Löschen von Zählern und dergleichen. Jede Zustandstabelle kann eine zugeordnete Datentabelle 53 haben, die verschiedene Parameter speichert, die in der Zustandstabelle verwendet werden. Die Datentabelle kann als ein Spreadsheet konfiguriert sein, und die Funktionsweise einer Zustandstabelle kann modifiziert werden, indem man die Einträge in ihrer zugeordneten Datentabelle ändert. Es versteht sich, dass eine Vielzahl von Wellenformen erzeugt werden kann, indem man eine Anzahl von Zuständen miteinander verkettet, und dass Schweißprogramme durch Hinzufügen, Entfernen und/oder Umordnen von Zuständen modifiziert werden können.
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Der parallele zustandsbasierte Regler 34 führt zwei oder mehr separate Steuerungsoperationen gleichzeitig (d. h. parallel) unter Verwendung der zwei oder mehr Zustandstabellen aus. In 1 steuert der parallele zustandsbasierter Regler 34 sowohl die Schweißwellenform 24 als auch die Position des Schweißbrenners 26 gleichzeitig unter Verwendung einer Schweißzustandstabelle 54 und einer Bewegungssteuerungssystem-Zustandstabelle 56. Die Schweißzustandstabelle 54 umfasst eine erste Mehrzahl sequenzieller Steuerungszustände zum Steuern der Schweißwellenform 24, und die Bewegungssteuerungssystem-Zustandstabelle 56 umfasst eine zweite Mehrzahl sequenzieller Steuerungszustände zum Steuern der Bewegungen des Schweißbrenners 26. Zur Vereinfachung der Erläuterung werden im Folgenden verschiedene Steuerungsoperationen so beschrieben, dass sie durch den parallelen zustandsbasierten Regler 34, durch die Schweißzustandstabelle 54 oder durch die Bewegungssteuerungssystem-Zustandstabelle 56 ausgeführt werden. Es versteht sich, dass alle derartigen Steuerungsoperationen durch den parallelen zustandsbasierten Regler 34 ausgeführt werden, während er die Steuerungsoperationen, die in jeder der Zustandstabellen 54, 56 definiert sind, ausführt.
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Der Schweißbrenner 26 ist an ein Bewegungssteuerungssystem angeschlossen, das den Brenner bewegt. In 1 ist das Bewegungssteuerungssystem schematisch so gezeigt, dass es einen Motor 58 enthält, um den Schweißbrenner 26 linear zu und von dem Werkstück 18 zu bewegen, und einen Bewegungssteuerungssystemregler 60 (zum Beispiel einen Motorregler) enthält, der den Motor 58 ansteuert. Es versteht sich, dass das Bewegungssteuerungssystem den Brenner 26 in mehreren Dimensionen bewegen könnte, so wie es ein Roboter tun würde, oder den Brenner veranlassen könnte, sich entlang der Länge des Werkstücks zu bewegen, oder den Brenner veranlassen könnte, während des Schweißens zu oszillieren (zum Beispiel eine Webe-Bewegung auszuführen). Jedoch bewegt in 1 das Bewegungssteuerungssystem den Brenner in einer einzigen Dimension (zum Beispiel vertikal). Der Bewegungssteuerungssystemregler 60 empfängt ein Bewegungssteuersignal 62 von dem parallelen zustandsgestützten Regler 34. Der Bewegungssteuerungssystemregler 60 justiert die Position des Brenners 26, oder steuert die Bewegungen des Brenners 26 auf sonstige Weise, gemäß dem Bewegungssteuersignal 62, das von dem parallelen zustandsbasierten Regler 34 kommend empfangen wird. Das Bewegungssteuersignal 62 kann ein analoges Signal (zum Beispiel 0–10 V–, 4–20 mA usw.) oder ein digitales Signal sein. In bestimmten Ausführungsformen kommunizieren der Bewegungssteuerungssystemregler 60 und der parallele zustandsbasierte Regler 34 bidirektional, wie zum Beispiel über bidirektionale serielle Kommunikation (zum Beispiel USB, EtherNet usw.).
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Ein Positionssensor 64 fühlt die Position oder die Bewegungen des Brenners 26 ab und übermittelt ein Positionsrückmeldungssignal 66 an den parallelen zustandsbasierten Regler 34 und/oder an den Bewegungssteuerungssystemregler 60. Das Positionsrückmeldungssignal 66 kann durch den parallelen zustandsbasierten Regler 34 und den Bewegungssteuerungssystemregler 60 in ihren jeweiligen Steuerungsoperationen verwendet werden. Darüber hinaus können sowohl die Schweißzustandstabelle 54 als auch die Bewegungssteuerungssystem-Zustandstabelle 56 die Brennerposition als einen Parameter enthalten, der mit einem oder mehreren Zuständen in jeder Zustandstabelle verknüpft ist. Der Positionssensor 64 kann die absolute Position, den Bewegungsbetrag, die Geschwindigkeit und die Richtung der Bewegung abfühlen.
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Der Positionssensor 64 ist schematisch so gezeigt, dass er die Position des Brenners 26 erfühlt. Jedoch könnte der Positionssensor 64 auch andere Zustände erfühlen, wie zum Beispiel die Drehung des Motors 58, die Position des Werkstücks 18, die Länge des Lichtbogens und dergleichen.
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Die Bewegungssteuerungssystem-Zustandstabelle 56 enthält mehrere Zustände, die Bewegungen des Schweißbrenners 26 zugeordnet sind. Die Zustände in der Bewegungssteuerungssystem-Zustandstabelle 56 arbeiten in Verbindung mit den Zuständen in der Schweißzustandstabelle 54, um einen gewünschten Schweißvorgang auszuführen. Weil die Schweißsteuerungsinstruktionen und die Bewegungssteuerungsinstruktionen, die in der Schweißzustandstabelle 54 bzw. in der Bewegungssteuerungssystem-Zustandstabelle 56 enthalten sind, durch einen gemeinsamen Regler 34 ausgeführt werden, kann die zustandsbasierte Bewegungssteuerung direkt an die zustandsbasierte Schweißsteuerung gekoppelt sein. Dies erlaubt das Ausführen der zustandsbasierten Bewegungssteuerung mit einer schnellen Rate im Vergleich zu herkömmlichen Steuerungssystemen, die separate Schweiß- und Bewegungs-Regler verwenden. Die Verwendung separater Schweiß- und Bewegungs-Regler erfordert oft doppelte Sensoren und verursacht eine Verzögerung (zum Beispiel 50 ms oder mehr) zwischen den Betriebsabläufen der Regler. Eine solche Verzögerung kann unerwünscht sein, wenn eine unmittelbar gekoppelte Steuerung zwischen den Reglern erforderlich ist. Außerdem sind die Rückmeldungssignale (zum Beispiel Schweißspannung, -strom usw.), die von herkömmlichen Bewegungs-Reglern verwendet werden, mitunter verrauscht, was sich auf die Fähigkeit des Bewegungs-Reglers auswirken kann, rasch und/oder korrekt zu arbeiten. Eine unmittelbar gekoppelte Steuerung zwischen den Schweißzuständen und der Bewegung des Schweißbrenners oder der Schweißelektrode kann zum Beispiel während folgender Betriebsabläufe erwünscht sein: (a) Beginn des Zurückziehens vom Kontakt; (b) Stoppen oder Zurückziehen beim Erfühlen eines Kurzschlusses; (c) adaptive oder modulierte Elektrodendrahtzufuhrgeschwindigkeitsprozesse; (d) automatische Vorstandsteuerung (zum Beispiel Regeln der Kontaktspitze-Werkstück-Distanz); (e) Webe-Bewegungs-Systeme mit oder ohne automatische Spannungssteuerung; (f) Nahtverfolgung; (g) Orbitalrohrschweißen unter Verwendung von Wagen-Systemen mit Steuerung auf der Grundlage der Position des Wagens usw. Der in 1 gezeigte Lösungsansatz der gemeinsamen Regler erlaubt den Informationsaustausch zwischen den Zustandstabellen in Echtzeit, und jede Zustandstabelle kann rasch Justierungen auf der Grundlage oder unter Berücksichtigung der Steuerungsaktionen der anderen Zustandstabelle vornehmen. Der Lösungsansatz der gemeinsamen Regler erlaubt auch das Stattfinden der Zustandswechsel in jeder Zustandstabelle 54, 56 auf der Grundlage derselben Parameter (zum Beispiel eines gemeinsam genutzten Parameters oder Rückmeldungssignals). Dementsprechend kann die zustandsgestützte Bewegungssteuerung rasch ausgeführt werden, ohne Steuerungsinstabilitäten, wie zum Beispiel Positions-„Pendeln”, durch das Bewegungssteuerungssystem zu verursachen. Zum Beispiel kann während des Steuerns des Leistungswandlers 22 der parallele zustandsbasierte Regler 34 das Bewegungssteuersignal 62 mit einer Frequenz von 100 Hz oder mehr aktualisieren (zum Beispiel den Signalpegel aktualisieren), was eine viel schnellere Steuerungsrate als in herkömmlichen Systemen ist, die in der Regel im Bereich von 1 Hz arbeiten.
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2 zeigt beispielhafte Zustandsdiagramme, die zeigen, wie ein Schweißwechselrichter und ein Bewegungssteuerungssystem gleichzeitig unter Verwendung der parallelen Zustandstabellen gesteuert werden können, wie oben besprochen. Weil die Steuerungszustände durch einen gemeinsamen Regler 34 implementiert werden (1), können Parameter oder Berechnungen, die während der Ausführung einer einzelnen Zustandstabelle stattfinden, rasch weitergeleitet und von den anderen Zustandstabellen verwendet werden. Demnach kann man sich die Zustandstabellen konzeptuell so vorstellen, dass sie Informationen weitergeben oder austauschen. Darüber hinaus können dieselben Rückmeldungssignale, wie zum Beispiel Schweißspannung, Schweißstrom, Brennerposition usw., in beiden Zustandstabellen verwendet werden, um Zustandswechsel innerhalb der Zustandstabellen zu steuern.
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In 2 sind Aspekte der Schweißzustandstabelle auf der linken Seite gezeigt, und Aspekte der Bewegungssteuerungssystem-Zustandstabelle sind auf der rechten Seite gezeigt. Die Schweißzustandstabelle und die Bewegungssteuerungssystem-Zustandstabelle arbeiten zusammen, um einen Beginn des Zurückziehens vom Kontakt innerhalb des Schweißvorgangs auszuführen und die Kontaktspitze-Werkstück-Distanz (Contact Tip to Work Distance, CTWD) des Schweißbrenners zu regeln. Die CTWD ist in 1 als Distanz „D” gezeigt, und die CTWD kann justiert werden, indem man den Schweißbrenner auf und ab bewegt. Das Regeln der CTWD dient dem Regeln der Lichtbogenlänge des Schweißlichtbogens.
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Wenn ein dem Schweißbrenner zugeordneter Auslöser eingeschaltet wird, so steuert der parallele zustandsbasierte Regler zunächst den Wechselrichter gemäß Zustand 1a und die Brennerbewegung gemäß Zustand 1b. In Zustand 1a regelt der parallele zustandsbasierte Regler die Leerlaufspannung (Open Circuit Voltage, OCV) der Schweißstromversorgung, während der Brenner zu dem Werkstück bewegt wird. Sowohl die Schweißzustandstabelle als auch die Bewegungssteuerungssystem-Zustandstabelle reagieren auf eine verringerte Schweißspannung (zum Beispiel < 10 V) von dem Spannungssensor, was anzeigt, dass der Schweißdraht das Werkstück berührt hat. Dementsprechend wechseln die Schweißzustandstabelle und die Bewegungssteuerungssystem-Zustandstabelle zu den Zuständen 2a bzw. 2b. In Zustand 2a justiert der parallele zustandsbasierte Regler das an den Wechselrichter gesendete Wellenformsteuersignal, um einen Schweißstrom von 20 A zu erreichen, und justiert außerdem das Bewegungssteuersignal, um das Zurückziehen des Brenners auszulösen. Wenn die Schweißspannung steigt (zum Beispiel > 15 V), so ist ein Lichtbogen entstanden, und die Zustandstabellen wechseln in die Zustände 3a und 3b. In Zustand 3a instruiert der parallele zustandsbasierte Regler eine Zuführvorrichtung, das Zuführen des Schweißdrahtes mit einer gewünschten Drahtzufuhrgeschwindigkeit (Wire Feed Speed, WFS) zu beginnen, und justiert das Bewegungssteuersignal so, dass der Brenner das Zurückziehen stoppt. Die Schweißzustandstabelle steuert nun den Schweißvorgang durch Wechseln zwischen einem Spitzenstromzustand (4a) und einem Hintergrundstromzustand (5a) auf der Grundlage zuvor festgelegter Zeiten (zum Beispiel Spitzenzeit und Hintergrundzeit), während die Bewegungssteuerungssystem-Zustandstabelle die CTWD regelt (Zustand 4b). Wenn die verstrichene Zeit im Spitzenstromzustand die Spitzenzeit überschreitet (t > Spitzenzeit), so wechselt die Schweißzustandstabelle in den Hintergrundzustand, und der Timer wird zurückgesetzt; wenn die verstrichene Zeit im Hintergrundzustand die Hintergrundzeit überschreitet (t > Hintergrundzeit), so wechselt die Schweißzustandstabelle zurück in den Spitzenstromzustand, und der Timer wird erneut zurückgesetzt. Die Schweißzustandstabelle wechselt weiterhin zwischen dem Spitzenstromzustand (4a) und dem Hintergrundstromzustand (5a), während die Bewegungssteuerungssystem-Zustandstabelle die CTWD regelt (Zustand 4b), bis der Auslöser abgeschaltet wird. Somit treten beide Zustandstabellen in einen AUS-Zustand 6a oder einen STOPP-Zustand 5b ein.
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Es versteht sich, dass die CTWD durch die Form des Werkstücks und/oder Unregelmäßigkeiten im Werkstück (zum Beispiel hohe und niedrige Punkte) beeinflusst wird. Das heißt, die CTWD kann sich während des Schweißens ändern. Die CTWD kann durch den parallelen zustandsbasierten Regler 34 direkt anhand eines oder mehrerer geeigneter Rückmeldungssignale (zum Beispiel über Positionsmessungen) bestimmt werden. Die CTWD steht ebenfalls mit Schweißparametern in Beziehung (zum Beispiel verhält sie sich proportional zur Schweißspannung) und kann somit ebenfalls anhand von Schweißparametern bestimmt werden, wie zum Beispiel Schweißspannung, Schweißstrom usw. Zum Beispiel wird während eines Konstantstrom- oder Regelstrom-Schweißverfahrens eine erhöhte CTWD als eine erhöhte durchschnittliche Schweißspannung beobachtet, während eine verringerte CTWD als eine verringerte durchschnittliche Schweißspannung beobachtet wird. In einem Konstantspannungs- oder Regelspannungs-Schweißverfahren wird eine erhöhte CTWD als ein verringerter durchschnittlicher Schweißstrom beobachtet, während eine verringerte CTWD als ein erhöhter durchschnittlicher Schweißstrom beobachtet wird. Die Bewegungssteuerungssystem-Zustandstabelle kann die CTWD regeln, indem sie Rückmeldungssignale (zum Beispiel Schweißspannung, Schweißstrom usw.) mit einer Referenz vergleicht und die CTWD auf der Grundlage eines Fehlersignals justiert, das die Differenz zwischen dem Rückmeldungssignal und dem Referenzsignal ist. Beim Regeln der CTWD kann die Bewegungssteuerungssystem-Zustandstabelle spezielle Eigenschaften des Rückmeldungssignals berücksichtigen, wie zum Beispiel seinen durchschnittlichen Wert (zum Beispiel die durchschnittliche Spannung), seinen Spitzenwert (zum Beispiel Spitzenstrom), einen integrierten Wert usw.
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Es sind adaptive Steuerungsregimes bekannt, bei denen die Schweißstromversorgung Veränderungen der CTWD durch Steuern des Schweißstroms kompensiert, um eine konstante Lichtbogenlänge beizubehalten. Der Leistungswandler arbeitet mit einer Frequenz im Bereich von 40 bis 120 kHz und kann somit die Schweißwellenform sehr rasch justieren. Die adaptive Steuerung justiert den Schweißstrom auf der Grundlage der durchschnittlichen Spannung. Im Allgemeinen hat die Schweißwellenform eine Frequenz zwischen 20 und 300 Hz, und die adaptive Steuerung arbeitet in einem solchen Bereich. Weil die adaptive Steuerung langsamer als der Leistungswandler arbeitet, arbeiten die beiden gut zusammen. Wenn die Bewegungssteuerung des Brenners und/oder der Elektrode dazugerechnet wird, wie oben besprochen, so kann es zweckmäßig sein, die adaptive Steuerung zu eliminieren und es der Bewegungssteuerungssystem-Zustandstabelle 56 zu erlauben, allein Änderungen der CTWD zu kompensieren. In diesem Fall kann das Bewegungssteuersignal 62 mit einer Frequenz von 100 Hz oder mehr aktualisiert werden, ähnlich wie die Geschwindigkeit der adaptiven Steuerung. Alternativ kann die adaptive Steuerung beibehalten werden, und die Geschwindigkeit der Bewegungssteuerung kann zum Beispiel auf ungefähr 10 Hz reduziert werden.
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Wir wenden uns 1 zu. Die Schweißzustandstabelle 54 und die Bewegungssteuerungssystem-Zustandstabelle 56 können die Rückmeldungssignale (Schweißspannung, Schweißstrom, Position usw.) direkt verwenden, oder die Rückmeldungssignale können verarbeitet und dann durch die Zustandstabellen verwendet werden. Zum Beispiel kann der parallele zustandsbasierte Regler 34 einen oder mehrere Filter 68 oder Berechnungsblöcke 70 zur Verarbeitung der Rückmeldungssignale enthalten. Über Filter und andere Verarbeitungsblöcke können die Zustandstabellen 54, 56 von Parametern wie durchschnittlicher Strom und durchschnittliche Spannung, durchschnittliche Position, Spitzenstrom und -spannung, Durchschnitts- und Spitzenleistung, integrierte und differenzielle Werte usw. Gebrauch machen. Die Schweißleistung kann durch einen Berechnungsblock berechnet werden, der die Spannungs- und Stromrückmeldungssignale multipliziert, und die Schweißleistung kann durch zusätzliche Berechnungsblöcke (nicht gezeigt) verarbeitet werden.
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Der Speicherabschnitt 50 kann mehrere Schweißzustandstabellen und mehrere Bewegungssteuerungssystem-Zustandstabellen und ihre zugehörigen Datentabellen speichern. Der parallele zustandsbasierte Regler 34 kann eine spezielle Schweißzustandstabelle und/oder eine Bewegungssteuerungssystem-Zustandstabelle zur Verwendung beim Steuern des Schweißvorgangs auf der Grundlage von Nutzereingaben an der Schweißstromversorgung 12 auswählen. Zum Beispiel kann die Schweißstromversorgung 12 eine Eingabevorrichtung 72 enthalten, die es einem Nutzer erlaubt, ein spezielles Schweißprogramm auszuwählen, und kann Eingabevorrichtungen 74, 76, 78 enthalten, um verschiedene Parameter einzustellen, wie zum Beispiel WFS, Volt, Ampere, Schweißnahtgröße (zum Beispiel ¼ Inch, 5/16 Inch usw.). Der parallele zustandsbasierte Regler 34 kann eine geeignete Schweißzustandstabelle und/oder eine Bewegungssteuerungssystem-Zustandstabelle auf der Grundlage der Nutzereingaben auswählen und/oder modifizieren. In bestimmten Ausführungsformen ist die Schweißstromversorgung 12 dafür konfiguriert, ein Schweißprogramm, das eine Schweißzustandstabelle und eine Bewegungssteuerungssystem-Zustandstabelle enthält, aus einer einzelnen Nutzereingabe auszuwählen, wie zum Beispiel Schweißnahtgröße, WFS usw. Die Schweißstromversorgung 12 kann des Weiteren eine Ausgabevorrichtung, wie zum Beispiel einen Anzeige, enthalten, um den Nutzer über das ausgewählte Schweißprogramm, verschiedene Schweißparameter usw. zu informieren.
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Zusätzlich zu Rückmeldungssignalen, wie zum Beispiel Schweißspannung, Schweißstrom und die Position des Schweißbrenners, können die Zustandstabellen 54, 56 natürlich auch zahlreiche zusätzliche Parameter beim Ausführen ihrer Steuerungsfunktionen verwenden, wie zum Beispiel analoge und digitale Eingänge aus dem Schweißsystem, der Status von internen Timern und Flags, Einstellungen der Eingabevorrichtung 74, 76, 78 usw.
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In bestimmten Ausführungsformen wählt der parallele zustandsbasierte Regler 34 automatisch eine spezielle Bewegungssteuerungssystem-Zustandstabelle auf der Grundlage von Eigenschaften der Schweißzustandstabelle 54 aus, die zur Verwendung in einer Schweißvorgang ausgewählt wird. Zum Beispiel kann die Schweißzustandstabelle 54 zum Schweißen mit einem konstanten oder geregelten Strom oder einem konstanten oder geregelten Leistungspegel konfiguriert sein, und der parallele zustandsbasierte Regler 34 kann automatisch eine geeignete Zustandstabelle, welche die CTWD auf der Grundlage der Spannung (zum Beispiel der durchschnittlichen Spannung, der Spitzenspannung, Spannungsänderungen usw.) regelt, als die Bewegungssteuerungssystem-Zustandstabelle 56 auswählen. Gleichermaßen kann die Schweißzustandstabelle 54 für das Schweißen mit einem konstanten oder geregelten Spannungspegel konfiguriert sein, und der parallele zustandsbasierte Regler 34 kann automatisch eine geeignete Zustandstabelle, welche die CTWD auf der Grundlage des Stroms regelt (zum Beispiel des durchschnittlichen Stroms, der Spitzenspannung, Änderungen beim Strom usw.), als die Bewegungssteuerungssystem-Zustandstabelle 56 auswählen. Wenn die Schweißzustandstabelle 54 von einer, die die Schweißspannung regelt, zu einer, die den Schweißstrom regelt, geändert wird (wenn zum Beispiel eine andere Schweißzustandstabelle zum Steuern des Schweißvorgangs ausgewählt wird), so kann der parallele zustandsbasierte Regler 34 automatisch die Bewegungssteuerungssystem-Zustandstabelle 56 entsprechend von einer, welche die CTWD auf der Grundlage des Schweißstroms regelt, zu einer, welche die CTWD auf der Grundlage der Spannung regelt, ändern. Anstatt die CTWD zu regeln, kann die automatisch ausgewählte Bewegungssteuerungszustandstabelle Aspekte des Schweißbetriebes steuern, wie zum Beispiel WFS, Vorschub des Schweißbrenners entlang des Werkstücks, Vorschub des Schweißbrenners um ein Rohr, und dergleichen.
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Beispielhafte Verknüpfungen der Arten von Schweißverfahren, die durch verschiedene Schweißzustandstabellen implementiert werden, und der Rückmeldungssignale, die durch jeweilige Bewegungssteuerungssystem-Zustandstabellen zum Steuern der CTWD verwendet werden, sind folgende:
| Schweißprozess der Schweißzustandstabelle | Rückmeldungssignal zum Regeln der CTWD durch die Bewegungssteuerungssystem-Zustandstabelle |
| Konstantstrom-GTAW | Durchschnittliche Spannung |
| Konstantspannungs-GMAW | Durchschnittlicher Strom |
| Konstantstrom-GMAW | Durchschnittliche Spannung |
| Gepulstes Konstantstrom-GTAW | Spitzenspannung |
| Gepulstes Konstantstrom-GMAW | Spitzenspannung |
| Gepulstes adaptives GMAW | Durchschnittliche Leistung |
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Wir wenden uns 3 zu. In einer beispielhaften Ausführungsform enthält das Bewegungssteuerungssystem einen Webe-Bewegungs-Regler 60a und einen Webe-Bewegungsmotor 56a, die ein Teil eines durch den Lichtbogen hindurchblickenden Nahtverfolgungssystems sein können. Der Webe-Bewegungsmotor lässt den Schweißbrenner 26 oszillieren, um webeartige Schweißbewegungen gemäß dem Bewegungssteuersignal 62 zu vollführen. Die Schweißstromversorgung 12 steuert sowohl den Schweißvorgang als auch die Bewegungen des Schweißbrenners 26 unter Verwendung eines parallelen zustandsbasierten Reglers, wie oben besprochen. In diesem Fall ist die Bewegungssteuerungssystem-Zustandstabelle (als eine „Webe-Bewegungs-Zustandstabelle” in 3 gezeigt) dafür konfiguriert, oszillierende webeartige Schweißbewegungen des Schweißbrenners 26 zu steuern. Die Schweißstromversorgung 12 kann den Schweißstrom und die oszillierenden webeartigen Schweißbewegungen des Schweißbrenners 26 zum Erhalten einer zuvor festgelegten Schweißnahtgröße (zum Beispiel den Bruchteil eines Inch) unter Verwendung der mehreren Zustandstabellen steuern. Beim Steuern der Webe-Bewegung des Schweißbrenners 26 während des Schweißens kann die Schweißstromversorgung 12 die CTWD wie oben besprochen regeln und/oder die Oszillationsgeschwindigkeit des Brenners steuern. Die Schweißstromversorgung 12 kann auch die Ränder der Schweißfuge auf der Grundlage der Schweißspannungs- und/oder Schweißstrom-Rückmeldungssignale bestimmen. Über das Bewegungssteuersignal 62 (zum Beispiel gemäß dem Signalpegel des Bewegungssteuersignals) kann die Schweißstromversorgung 12 die Oszillationsgeschwindigkeit des Brenners und/oder die Position des Brenners relativ zu dem Werkstück 18 steuern.
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Wir wenden uns 4 zu. 4 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform, bei der der parallele zustandsbasierte Regler 34 die Drahtzufuhrgeschwindigkeit (WFS) der Elektrode 16 steuert. Die Elektrode 16 wird von einer Spule 80 durch motorbetriebene Quetschwalzen 82 zugeführt. Die motorbetrieben Quetschwalzen 82 sind Teil eines Bewegungssteuerungssystems für die Elektrode 16. Das Bewegungssteuerungssystem enthält des Weiteren einen Bewegungssteuerungssystemregler 61 (zum Beispiel einen Motorregler), der die Quetschwalzen 82 antreibt. Der Bewegungssteuerungssystemregler 61 empfängt ein Bewegungssteuersignal 63 von dem parallelen zustandsbasierten Regler 34, und der Bewegungssteuerungssystemregler 61 justiert die WFS gemäß dem Bewegungssteuersignal 63, das von dem parallelen zustandsbasierten Regler kommend empfangen wird. In 4 ist das Bewegungssteuersignal 63 ein WFS-Steuersignal, das durch die Bewegungssteuerungssystem-Zustandstabelle 57 bestimmt wird. Das Bewegungssteuersignal 63 kann ein analoges Signal oder ein digitales Signal sein.
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Die Bewegungssteuerungssystem-Zustandstabelle 57 ähnelt der oben besprochenen Bewegungssteuerungssystem-Zustandstabelle 56, außer dass sie dafür konfiguriert ist, die WFS- oder Abscheidungsrate anstelle der CTWD in Koordination mit dem in der Schweißzustandstabelle 54 definierten Schweißvorgang zu steuern. Somit kann die Bewegungssteuerungssystem-Zustandstabelle 57 andere Zustände als jene haben, die oben mit Bezug auf die 1–2 besprochen wurden. Zum Beispiel kann die Bewegungssteuerungssystem-Zustandstabelle 57 Zustände haben wie zum Beispiel Regeln von Motorgeschwindigkeit, Anstiegsgeschwindigkeit, Bremsen, Bremsen und Umkehren usw.
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Der parallele zustandsbasierte Regler 34 und der Bewegungssteuerungssystemregler 61 empfangen ein Geschwindigkeitsrückmeldungssignal 84 von einem Geschwindigkeitssensor 86, das die Geschwindigkeit der motorbetrieben Quetschwalzen 82 oder die Geschwindigkeit der Elektrode 16 anzeigt. Ein beispielhafter Geschwindigkeitssensor 86 ist ein Codierer oder ein anderer Rotationssensor, der die tatsächliche Geschwindigkeit der Quetschwalzen, die Geschwindigkeit eines Motors, der die Quetschwalzen antreibt, oder die Geschwindigkeit eines Getriebes für den Vortrieb der Quetschwalzen abfühlt. Der Sensor 86 könnte auch direkt die Geschwindigkeit und die Richtung der Elektrode 16 messen.
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5 zeigt beispielhafte Zustandsdiagramme, die zeigen, wie ein Schweißwechselrichter und eine Elektrodendrahtzuführvorrichtung gleichzeitig unter Verwendung paralleler Zustandstabellen, wie oben besprochen, gesteuert werden können. Aspekte der Schweißzustandstabelle sind auf der linken Seite gezeigt, und Aspekte der Bewegungssteuerungssystem-Zustandstabelle sind auf der rechten Seite gezeigt. Die Schweißzustandstabelle und die Bewegungssteuerungssystem-Zustandstabelle arbeiten zusammen, um einen Beginn des Zurückziehens vom Kontakt innerhalb des Schweißvorgangs auszuführen und die WFS zu regeln. Wenn ein dem Schweißbrenner zugeordneter Auslöser eingeschaltet wird, so steuert der parallele zustandsbasierte Regler zunächst den Wechselrichter gemäß Zustand 1a und die Elektrodenbewegung gemäß Zustand 1b. Im Zustand 1a regelt der parallele zustandsbasierte Regler die Leerlaufspannung (Open Circuit Voltage, OCV) der Schweißstromversorgung, während die Drahtelektrode in Richtung des Werkstücks bewegt wird. Sowohl die Schweißzustandstabelle als auch die Bewegungssteuerungssystem-Zustandstabelle reagieren auf eine verringerte Schweißspannung (zum Beispiel < 10 V) von dem Spannungssensor, was anzeigt, dass die Drahtelektrode das Werkstück berührt hat. Dementsprechend wechseln die Schweißzustandstabelle und die Bewegungssteuerungssystem-Zustandstabelle zu den Zuständen 2a bzw. 2b. Im Zustand 2a justiert der parallele zustandsbasierte Regler das in den Wechselrichter eingespeiste Wellenformsteuersignal, um einen Schweißstrom von 20 A zu erreichen, und justiert außerdem das Bewegungssteuersignal so, dass die Drahtelektrode bricht und sich von dem Werkstück zurückzieht. Wenn die Schweißspannung steigt (zum Beispiel > 15 V), so wurde ein Lichtbogen erzeugt, und die Zustandstabellen wechseln in die Zustände 3a und 3b. Im Zustand 3a beginnt der parallele zustandsbasierte Regler das eigentliche Schweißen und justiert das Bewegungssteuersignal so, dass die Drahtelektrode aufhört, sich zurückzuziehen, sich erneut in Richtung des Werkstücks bewegt und auf die Schweiß-WFS steigt. Wenn die tatsächliche WFS des Geschwindigkeitsrückmeldungssignals 80% der Schweiß-WFS überschreitet, so steuert die Schweißzustandstabelle den Schweißvorgang durch Wechseln zwischen einem Spitzenstromzustand (4a) und einem Hintergrundstromzustand (5a) auf der Grundlage zuvor festgelegter Zeiten, während die Bewegungssteuerungssystem-Zustandstabelle die WFS regelt, um eine zuvor festgelegte Schweiß- oder Lichtbogenspannung aufrecht zu erhalten (Zustand 4b). Die Schweißzustandstabelle wechselt weiter zwischen einem Spitzenstromzustand (4a) und einem Hintergrundstrom, während die Bewegungssteuerungssystem-Zustandstabelle die WFS regelt (Zustand 4b), bis der Auslöser ausgeschaltet wird. Dann gehen beide Zustandstabellen in einen AUS-Zustand 6a oder einen STOPP-Zustand 5b.
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Der parallele zustandsbasierte Regler 34 kann verschiedene Aspekte des Lichtbogenschweißsystems 10 gleichzeitig unter Verwendung mehrerer paralleler Zustandstabellen steuern. In 6 steuert der parallele zustandsbasierte Regier 34 zum Beispiel gleichzeitig die Schweißwellenform, regelt die CTWD und regelt die WFS unter Verwendung dreier paralleler Zustandstabellen 54, 56, 57. Eine Bewegungssteuerungssystem-Zustandstabelle 56 ist dafür konfiguriert, eine CTWD zu steuern, und die andere Bewegungssteuerungssystem-Zustandstabelle 57 ist dafür konfiguriert, eine WFS zu steuern. Die Frequenz, mit der der parallele zustandsbasierte Regler 34 den Wert der Bewegungssteuersignale 62, 63 zum Steuern einer CTWD und einer WFS justiert, kann koordiniert werden, um Instabilitäten, wie zum Beispiel Positionspendeln, zu vermeiden. Zum Beispiel kann der parallele zustandsbasierte Regler 34 das Bewegungssteuersignal 62 für die CTWD bei einer ersten Frequenz, wie zum Beispiel 100 Hz, aktualisieren, und kann das Bewegungssteuersignal 63 für die WFS bei einer zweiten, langsameren Frequenz, wie zum Beispiel 10 Hz oder weniger, aktualisieren.
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7 zeigt die Schweißstromversorgung 12, die gleichzeitig die Schweißwellenform und die Betriebsabläufe eines Webe-Bewegungs-Reglers 60a und eines Wagen-Reglers 65 steuert. Der Wagen-Regler steuert die Umfangs- oder Orbitalbewegung des Schweißbrenners 26 um ein Rohr 88 unter Verwendung eines Schweißwagens 90. Somit steuert die Schweißstromversorgung 12 gleichzeitig sowohl die oszillierenden webeartigen Schweißbewegungen des Schweißbrenners 12 als auch den Vorschub des Schweißbrenners entlang des Werkstücks, d. h. des Rohres 88. Zu diesem Zweck verwendet die Schweißstromversorgung 12 einen parallelen zustandsbasierten Regler, der mit drei parallelen Zustandstabellen arbeitet: eine für die Schweißwellenform, eine zum Steuern der Webe-Bewegung (d. h. die „Webe-Bewegungs-Zustandstabelle”), und eine zum Steuern des Vorschubs des Schweißbrenners 26 um das Rohr 88 (d. h. die „Wagenzustandstabelle”).
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8 zeigt die Schweißstromversorgung 12, die gleichzeitig die Schweißwellenform und die Betriebsabläufe eines Schlittenreglers 92 und eines Nachführreglers 94 steuert. Auch hier verwendet die Schweißstromversorgung 12 einen parallelen zustandsbasierten Regler, der mit drei parallelen Zustandstabellen arbeitet: eine für die Schweißwellenform, eine zum Steuern der Bewegungen des Schlittens 96 (d. h. der „Schlittenregler”), und eine für den Nachführregler 94 (d. h. der „Nachführregler”). Der Schlittenregler 92 empfängt ein Bewegungssteuersignal von der Schweißstromversorgung 12 und steuert auf dieser Grundlage den Vorschub des Schlittens 96 und des Schweißbrenners 26 längs entlang der Länge des Werkstücks 18. Die Fugennachführvorrichtung kann sowohl als eine Eingabevorrichtung (Nahtnachführung links oder rechts/aufwärts oder abwärts) als auch eine Ausgabevorrichtung (Aufwärts/Abwärts-, Links/Rechts-Verschiebungen zum Positionieren des Brenners in der Naht) hinzugefügt werden.
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Es versteht sich, dass diese Offenbarung beispielhaft ist und dass verschiedene Änderungen durch Hinzufügen, Modifizieren oder Weglassen von Details vorgenommen werden können, ohne vom angemessenen Geltungsbereich der in dieser Offenbarung enthaltenen Lehren abzuweichen. Die Erfindung ist daher lediglich in dem Umfang auf konkrete Details dieser Offenbarung beschränkt, wie die folgenden Ansprüche eine solche Beschränkung unbedingt erfordern.
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Bezugszeichenliste
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- 1a
- Zustand
- 1b
- Zustand
- 2a
- Zustand
- 2b
- Zustand
- 3a
- Zustand
- 3b
- Zustand
- 4a
- Zustand
- 4b
- Zustand
- 5a
- Zustand
- 5b
- Zustand
- 6a
- Zustand
- 10
- Schweißsystem
- 12
- Schweißstromversorgung
- 14
- elektrischer Lichtbogen
- 16
- Elektrode
- 18
- Werkstück
- 20
- Stromquelle
- 22
- Leistungswandler
- 24
- Schweißwellenform
- 30
- elektrischer Anschlussdraht
- 32
- elektrischer Anschlussdraht
- 34
- Regler
- 36
- Wellenformsteuersignal
- 38
- Hintergrundstromzustand
- 40
- Kurzschlussaufhebungszustand
- 42
- Spitzenstromzustand
- 44
- Ausklingstromzustand
- 46
- Nebenschluss
- 48
- Spannungssensor
- 50
- Speicherabschnitt
- 52
- Zustandstabellen
- 53
- Datentabelle
- 54
- Schweißzustandstabelle
- 56
- Steuerungssystem-Zustandstabelle
- 57
- Bewegungssteuerungssystem-Zustandstabelle
- 58
- Motor
- 58a
- Webe-Bewegungsmotor
- 60
- Bewegungssteuerungssystemregler
- 26
- Schweißbrenner
- 28
- Kontaktspitze
- 62
- Bewegungssteuersignal
- 63
- Bewegungssteuersignal
- 64
- Positionssensor
- 65
- Wagen-Regler
- 66
- Positionsrückmeldungssignal
- 68
- Filter
- 70
- Berechnungsblöcke
- 72
- Eingabevorrichtung
- 74
- Eingabevorrichtung
- 76
- Eingabevorrichtung
- 78
- Eingabevorrichtung
- 80
- Spule
- 82
- Quetschwalzen
- 84
- Geschwindigkeitsrückmeldungssignal
- 86
- Geschwindigkeitssensor
- 88
- Rohr
- 90
- Schweißwagen
- 92
- Schlittenregler
- 60a
- Webe-Bewegungsregler
- 61
- Bewegungssteuerungssystemregler
- 94
- Nachführregler
- 96
- Schlitten
