DE2747539C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Elektrodenanordnung zur indukti­ ven Messung des Abstands zwischen der Brennerdüse einer Schweißanlage und dem bearbeiteten Werkstück, bestehend aus einer Induktionsschleife mit wenigstens einer Teilwindung, die etwa in Höhe der Düsenaustrittsöffnung um letztere herum angeordnet ist.

Bekannte Anordnungen zur Messung des Abstands zwischen einer Brennerdüse und dem zu bearbeitenden Werkstück basieren auf dem Prinzip der kapazitiven Abstandsmessung. Aus der DE-A 19 26 380 ist eine kapazitive Elektrode, welche federnd in einem in der Druckschrift nicht näher beschriebenen Abstand von der Brennerhalterung angeordnet ist. Dabei wird der Kapa­ zitätswert zwischen einer flächigen in der Nähe der Brenner­ düse angeordneten Elektrode und dem Werkstück laufend über­ prüft und daraus der Abstandswert ermittelt. Kapazitive An­ ordnungen zur Abstandsmessung weisen verschiedene Nachteile auf und sind insbesondere vielfachen Störeinflüssen durch beim Bearbeitungsvorgang wechselnde Dielektrizitätskonstanten ausgesetzt.

Es wurde deshalb auch schon vorgeschlagen, statt der kapazi­ tiven Messung eine induktive Abstandsmessung vorzusehen. Dabei soll eine Ringelektrode im Abstand um die Brennerdüse angeordnet werden, wobei die Induktivität der Ringelektrode durch das metallische Werkstück beeinflußt wird.

Es hat sich herausgestellt, daß die Empfindlichkeit einer derartigen Anordnung und insbesondere auch die von der Elek­ trode ableitbaren Meßwerte geringer und schwerer zu beherr­ schen sind, als im Fall der kapazitiven Anordnung. Dabei hat sich insbesondere auch herausgestellt, daß die ringförmige Anordnung im Abstand und frei im Raum um die Brennerdüse zu Meßungenauigkeiten führt.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Elek­ trodenanordnung zur induktiven Abstandsmessung zu schaffen, die die Meßungenauigkeit bekannter Elektroden vermeidet, optimal an spezifische Anforderungen anpaßbar ist und dar­ über hinaus mechanisch stabil und gegenüber Umgebungseinflüs­ sen unempfindlich ist.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß wenigstens das untere Ende der Brennerdüse als induktive Ringelektrode ausgebildet ist. Es hat sich gezeigt, daß dabei wesentlich exaktere Meßergebnisse erzielbar sind, als bei einer Anord­ nung der Elektrode in größerem Abstand von der Brennerdüse. Der Abstand wird dabei an der Unterkante des Werkzeuges ge­ messen, also exakt an dem Ort, dessen Abstand beim Vorschub des Werkzeuges geregelt werden soll.

Außerdem wird durch die mechanische Verbindung von Brenner­ düse und Induktionsschleife die Stabilität der Anordnung sichergestellt, was die bei bekannten Anlagen häufig auftre­ tenden Meßfehler z. B. durch ein Verbiegen der Elektrode im praktischen Einsatz ausschaltet.

Vorteilhaft ist es dabei die Brennerdüse selbst entweder aus nicht leitendem Material herzustellen und darauf die Induk­ tionsschleife zu befestigen, oder aber die Brennerdüse ab­ schnittsweise zu isolieren und selbst als Induktionsschleife zu verwenden.

In bestimmten Anwendungsfällen ist es wünschenswert, wenn das Induktionsfeld an wenigstens einer Seite der Elektrode ge­ schwächt ist, um unterschiedliche Charakteristik der Ab­ standsregelung zu erreichen.

Ein solches Bedürfnis ergibt sich z. B. beim Plasma-Schneiden im Zusammenhang mit dem "Anschneiden" einer Stahlplatte. Bei diesem Vorgang wird nämlich vor dem Schneid-Strahl zunächst ein Materialwulst aufgebaut, welcher zu einer vorübergehenden Verringerung des Werkstück-Elektrodenabstands im vordersten Bereich einer Ringelektrode führt.

Ersichtlicherweise ist es dabei unerwünscht, daß eine derar­ tige kurzzeitige und nur stellenweise Verringerung dazu führt, daß der Brenner vom Werkstück weggefahren wird. Er­ findungsgemäß ist es deshalb vorgesehen, die Induktions­ schleife an vorbestimmbaren Stellen zu schwächen. Dies wird insbesondere dadurch realisiert, daß die Induktionsschleife seitlich am Brenner hochgezogen und in diesem Bereich über­ kreuzt wird. Dies führt zu einer starken Schwächung des Felds, so daß Abstandsänderungen in diesem Bereich nur in geringem Umfang oder gar nicht zu einer Hochregelung der Brennerdüse führen.

Als besonders robust und einfach in der Fertigung hat es sich erwiesen, wenn die Induktionsschleifen in den Vertiefungen eines Keramikträgers verlegt werden. Dabei wird jede Störung durch Verschmutzung oder Überbrückung der Leiter der Induk­ tionsschleife ausgeschaltet, wenn die Vertiefungen über den Leitern durch Isoliermaterial abgedeckt sind. Auf diese Weise wird die Induktionsschleife von sämtlichen Umgebungseinflüs­ sen und insbesondere auch hochspritzendem Metall freigehal­ ten. In der Praxis hat sich als Isolationsmaterial besonders hochfester Keramik-Werkstoff bewährt. Dieser kann nach dem Einlegen der Induktionsschleife in die Vertiefungen über die gesamte Oberseite des Keramikträgers gestrichen oder gegossen und anschließend eingesintert werden. Durch diese verdeckte und isolierte Anordnung kann die Brennerdüse mit der Elektro­ denanordnung sogar unter Wasser gefahren werden, ohne daß die Abstandsmessung beeinflußt wird. Dies ist insbesondere im Hinblick auf Rauch-, Gas- und Geräuschentwicklung vorteil­ haft. Die Erfindung ermöglicht also ein breiteres Anwendungs­ feld als kapazitive Elektroden. Außerdem wird die Genauig­ keit verbessert. Es hat sich überraschenderweise gezeigt, daß auch bei kleinen Durchmessern von Brennerdüsen noch ausreichende Induktivität gebildet wird, um Regelabweichungs­ signale hervorzurufen. Zudem ermöglicht die an der Stirnseite von Düsen vorgesehene horizontale Anordnung der induktiven Elektrode, daß durch seitliches "Hochziehen" der Spule eine vorbestimmbare Feldänderung erzeugt wird. Alle diese Vorteile lassen sich bei einfachster Bauform ohne zusätzliche Maßnah­ men erreichen.

Die Erfindung ist im folgenden in Ausführungsbeispielen an­ hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 die schematische Darstellung einer Elektrodenanord­ nung mit den Merkmalen der Erfindung im Quer­ schnitt,

Fig. 2 einen Querschnitt durch die Elektrodenanordnung ge­ mäß Fig. 1 durch die Ebene A-A,

Fig. 3 die schematische Darstellung einer erfindungsge­ mäßen Induktionsschleifen-Anordnung mit seitlich hochgezogenem Abschnitt,

Fig. 4 eine Elektrodenanordnung mit seitlich hochgezogener Induktionsschleife gemäß der schematischen Dar­ stellung in Fig. 3.

Fig. 1 und 2 zeigen eine Elektrodenanordnung gemäß der Erfindung, bei welchem die Brennerdüse 1 selbst aus einem elektrisch nicht leitenden keramischen Werkstoff besteht. Im Bereich der Öffnung 7 ist dabei eine metallische Düsen- Spitze 8 aufgesetzt, welche jedoch seitlich einen mit Kera­ mik-Material 2 gefüllten Schlitz 9 aufweist. Die Düsen-Spitze 8 bildet damit eine Induktionsschleife von etwa 350° und dient somit selbst als Elektrode. Ein Kurzschluß der Induk­ tionsschleife wird durch die Verwendung von Keramik-Werkstoff im oberen Bereich der Brennerdüse 1, sowie im Bereich des Schlitzes 9 vermieden. Die Verbindung der als Induktions­ schleife dienenden Düsen-Spitze 8 mit einem an sich bekannten Auswertungs- und Überwachungskreises geschieht über zwei Anschlüsse 5.

Selbstverständlich wäre es auch denkbar, die Brennerdüse 1 bis in den Bereich der Düsenöffnung vollständig aus Keramik- Material 2 oder einem anderen geeigneten nicht leitenden und hitzebeständigen Werkstoff zu fertigen und die Induktions­ schleife 4 an der Unterseite und/oder der Außenseite durch geeignet angebrachte Leiterbahnen vorzusehen.

Fig. 3 und 4 zeigen ein Ausführungsbeispiel, bei dem eine Induktionsschleifen-Anordnung 4 seitlich an der Brennerdüse 1 aus Keramikmaterial 2 hochgezogen ist und dabei im Kantenbe­ reich überkreuzt verläuft. Dadurch wird erreicht, daß in Richtung des Vorschubs A durch das seitliche Hochziehen, sowie insbesondere auch durch das Überkreuzen der Leiter Einflüsse durch ein darunterliegendes metallisches Werkstück weitgehend neutralisiert werden. Dies führt dazu, daß beson­ ders beim Plasma-Brennschneiden vor dem eigentlichen Schneid­ spalt entstehende Erhebungen 11 am Werkstück 10 nicht zu einer Induktivitätsänderung in der Induktionsschleifen-Anord­ nung 4 führen.

Dies gilt jedoch nur für Erhebungen, die exakt in der Vor­ schubrichtung A liegen, wogegen eine generelle Durchbiegung oder sonstige Abstandsänderung des Werkstücks 10 unverändert die Induktionsschleife im restlichen Bereich beeinflußt und deren Induktivität derart verändert, daß entsprechende Nach­ regelung erfolgen kann. Zum Schutz der Induktionsschleifen 4 sind letztere dabei in Vertiefungen 3 im Keramikmaterial 2 eingebettet und an der Oberseite durch eine Schutzschicht 6 aus Glasfluß abgedeckt und isoliert. Dadurch wird insbeson­ dere sichergestellt, daß hochspritzendes flüssiges Metall oder sonstige Verunreinigungen nicht zu einem Kurzschluß zwischen den einzelnen Windungen der Induktionsschleife füh­ ren.

Ersichtlicherweise schafft die Erfindung eine einfachst her­ stellbare und vor allem störungssichere, an spezifische Ver­ hältnisse anpaßbare und mechanisch stabile Elektrodenanord­ nung von hoher Empfindlichkeit. Abwandlungen der Konfigura­ tion sind dem Fachmann ebenso geläufig wie weitere Aspekte z. B. der Auswahl von Verbindungen oder Verbindungselementen, die ein schnelles und einfaches Auswechseln ermöglichen und dergleichen fachmännische Abwandlungen.

Claims (5)

1. Elektrodenanordnung zur induktiven Messung des Abstands zwischen der Brennerdüse (1) einer Schweißanlage und dem bearbeiteten Werkstück (10), bestehend aus einer Induk­ tionsschleife (4, 8) mit wenigstens einer Teilwindung, die etwa in Höhe der Düsenaustrittsöffnung (7) um letzte­ re herum angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens das untere Ende der Brennerdüse (1) als induk­ tive Ringelektrode (4, 8) ausgebildet ist.

2. Elektrodenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Brennerdüse (1) am unteren Ende einen durch Isoliermaterial (2) vom oberen Düsenteil getrennten Ring (8) aufweist, der als Induktionsschleife ausgebildet ist.

3. Elektrodenanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Brennerdüse (1) wenigstens ab­ schnittsweise aus elektrisch isolierendem Material (2) besteht, auf welchem die Induktionsschleife (4) vorge­ sehen ist.

4. Elektrodenanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich­ net, daß zur streckenweisen Schwächung bzw. Verformung des Induktionsfelds die Induktionsschleife (4) an wenig­ stens einer Seite von der Stirnseite der Brennerdüse (1) weg seitlich hochgezogen ist.

5. Elektrodenanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich­ net, daß die Leiter der Induktionsschleife (4) im hoch­ gezogenen Abschnitt überkreuzt angeordnet sind.