DE3134346C2 - - Google Patents
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- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Magnetic Means (AREA)
Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung
zur Überwachung der Güte der von einer Wechselstrom-
Widerstandsschweißmaschine erzeugten Schweißnaht, die
sich aus Schweißpunkten zusammensetzt, welche durch
aufeinanderfolgende Halbwellen gebildet sind, wobei von
der Schweißspannung die reaktive Komponente abgetrennt
und die Wirkkomponente zur Auswertung weiterverarbeitet
wird.
Die US 33 89 239 zeigt ein tragbares Schweißnaht-
Prüfgerät, bei welchem die Schweißspannung über Abgriffe an den
Schweißelektroden und der Schweißstrom über
eine auf eine der Schweißelektroden geschobene
Meßspule gemessen
werden, um die Energie zu ermitteln, die zum Schweißen
eines Schweißpunktes aufgewandt wird. In einer Schaltung
wird ein dem Schweißstrom proportionales Signal von dem
Spannungssignal subtrahiert, und in einer anderen
Schaltung wird die Differenz mit dem Schweißstrom
multipliziert. Das von dieser Multiplikation herrührende
Produktsignal wird dann integriert und dazu benutzt, ein
Anzeigegerät oder eine Schweißsteuervorrichtung zu
steuern.
Die DE 23 46 561 B2 betrifft eine Schaltung zum Regeln
elektrischer Widerstandsschweißvorgänge, bei der aus während
eines Schweißvorgangs gemessenen Schweißparametern wie
beispielsweise Strom, Spannung, Widerstand zwischen den
Elektroden, Ist-Werte gewonnen werden, die mit einem
durch Versuchsschweißungen gewonnenen Soll-Wert
verglichen werden, wobei der Soll-Wert veränderbar ist
und beim Abweichen der Ist-Werte von dem Soll-Wert eine
Änderung wenigstens eines der Schweißparameter vorgenommen
wird. Die Änderung des Soll-Wertes erfolgt dabei
stufenweise nach einer vorwählbaren Zahl von
Regelvorgängen.
Bei der Widerstandsverschweißung zum Herstellen von
Büchsen-Schweißnähten besteht das Problem der Erzeugung
relativ hoher Blindspannungen, die als Folge der
verteilten Induktivität der Stromzuführungsschienen
auftreten, wobei weitere Blindspannungen durch auf die
Elektroden aufgesetzte Sensorspulen induziert werden
können. Für die Überwachung ist jedoch nur die
Wirkleistung interessant, so daß die Wirkkomponenten von
Strom und Spannung bestimmt werden müssen, die sehr viel
kleiner sind als die Blindkomponenten.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine
gattungsgemäße Schaltungsanordung derart auszugestalten,
daß die Auswertung auf einfache und sichere Weise auch
dann ermöglicht wird, wenn hohe Blindanteile vorhanden
sind, wobei die Überwachungsschaltung insbesondere für
Büchsen-Schweißmaschinen geeignet ist.
Gelöst wird die gestellte Aufgabe durch die im
Kennzeichnungsteil des Patentanspruchs 1 angegebenen
Merkmale.
Auf diese Weise kann schnell und sicher festgestellt
werden, ob die jeweils für einen Schweißpunkt aufgebrachte
Energie innerhalb vorgegebener Grenzen liegt, die eine
zuverlässige Schweißnaht gewährleisten.
Die Fehlersignale, die auftreten, wenn die Energie
außerhalb vorbestimmter Grenzen liegt, können dann gemäß
den Unteransprüchen 2 bis 4 ausgewertet werden, um
fehlerhaft verschweißte Werkstücke auszusondern, die
Schweißspannung zu steuern oder abzuschalten und/oder den
Vorschub des Werkstücks zu steuern.
Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung
anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung
zeigt
Fig. 1 ein schematisches Schaltbild einer ersten
erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung zur
Überwachung der Güte der von einer
Wechselstrom-Widerstandsschweißmaschine
erzeugten Schweißnaht,
Fig. 2 bis 4 verschiedene Wellenformen von Spannungen
der Überwachungsschaltung in ihrer
Phasenbeziehung zum Schweißstrom;
Fig. 5 ein schematisches Schaltbild einer
zweiten erfindungsgemäßen Überwachungs
schaltung, die gegenüber der Schaltung
gemäß Fig. 1 abgewandelt wurde, um die
Änderungen der magnetischen Permeabilität
zu kompensieren, die im Verlauf des
Schweißverfahrens auftreten;
Fig. 6 ein Schaltbild einer dritten Über
wachungsschaltung gemäß der Erfindung.
Fig. 1 zeigt eine Überwachungsschaltung zur Ableitung
eines Signals, welches den ohmschen Anteil bzw. den
in Phase liegenden Anteil VR der Spannung über den
Rollenelektroden einer Nahtschweißvorrichtung für
Büchsen entspricht. Eine derartige Vorrichtung wird
in Großbritannien durch die Firma "SOUDRONIC AG" unter
den Typenbezeichnungen ABM und FBB vertrieben. Die Schweiß
rollen sind in derjenigen Stellung dargestellt, die sie
einnehmen, wenn die Vorrichtung im Betrieb ist, d. h.
wenn sie über zwei überlappenden Rändern 11 liegen,
welche die Seitennaht eines Zinnblechkörpers einer
dreistückigen Büchse bilden. Der Büchsenkörper ist
rohrförmig und an den Enden offen, und die untere Rolle
10 bewegt sich innen, wenn die Naht fortlaufend über die
Länge hergestellt wird.
Die Naht wird durch Widerstandsverschweißung herge
stellt, wobei als Energiequelle eine Wechselspannungs
quelle dient. In bekannter Weise wird die Naht in
Form einer Folge von im regulären Abstand einander
überlappender Schweißperlen gebildet, die jeweils
während einer Halbwelle der Wechselstromform erzeugt
werden.
Obgleich dies aus der Zeichnung nicht hervorgeht,
ist darauf hinzuweisen, daß die Spannungsquelle von
herkömmlicher Bauart ist und einen rotierenden Frequenz
wandler aufweist, der von einem Dreiphasen-Wechsel
spannungsnetz gespeist wird, und eine Einphasen-Aus
gangswicklung mit geerdeter Mittelanzapfung aufweist.
Ein an diese Wicklung angeschlossener Schweißtrans
formator speist die Schweißrollen 10 über die obere
bzw. untere Stromschiene 13 bzw. 14. Zwei invers
parallel geschaltete Thyristoren sind zwischen den
rotierenden Umformer und den Schweißtransformator
geschaltet und sie sind steuerbar, um eine Phasenwinkel
steuerung des Schweißstromes vornehmem zu können und
um so die pro Schweißpunkt benötigte Energie einstellen
zu können.
Der Überwachungsschaltung wird die Schweißspannung VW
an den Leitungen 15 zugeführt und ein Differentialver
stärker 16 ist an die Schweißelektroden angeschlossen,
so daß er an seinen Eingängen die Schweißspannung empfängt.
Diese Schweißspannung Vw, die an den Leitungen 15 ange
legt ist, setzt sich zusammen aus einer ohmschen Kompo
nente VR und einer beträchtlich größeren induktiven
Komponente VL, die eine Folge der verteilten Leitungs
induktivität zwischen den Überwachungspunkten ist.
Außerdem wird unvermeidbar eine Spannung VE elektro
magnetisch in den Leitungen 15 selbst induziert, wobei
diese Spannung relativ beträchtlich sein kann.
Die Spannung, die am Eingang des Verstärkers 16 auf
tritt, ist demgemäß gleich VR + VL + VE (oder VW+ VE).
Diese Spannung ist in Fig. 1 V′W bezeichnet. Sie wird
im folgenden als die "überwachte Schweißspannung" bezeich
net.
Eine Sondenspule 17 ist induktiv mit der Stromzuführungs
schaltung an der oberen Stromschiene 13 gekoppelt, d. h.
an einer Stelle, wo die Spule durch die Wirkungen sich
ändernder magnetischer Permeabilität des Büchsenkörpers
im wesentlichen nicht beeinflußt wird. Die Ausgangsspan
nung VS der Sondenspule wird dem Eingang eines zweiten
Differentialverstärkers 18 zugeführt. Die Spannung VS
ist im wesentlichen induktiv und daher in Phase mit der
Blindkomponente VL + VE der überwachten Schweißspannung
V′W.
Die Verstärker 16 und 18 speisen eine Summierungsstufe
19, die demgemäß ein Ausgangssignal erzeugt, das ihrer
Differenz entspricht.
Der Verstärkungsgrad der Verstärker 16 und 18 ist so
gewählt, daß die Spannung VS der Sondenspule nach Ver
stärkung im Verstärker 18 etwa gleich der Größe der Blind
komponente der Spannung V′W ist, nachdem diese im Ver
stärker 16 verstärkt wurde, und zwar über je eine Halb
welle. Demgemäß repräsentiert der Ausgang der Summierungs
stufe 19 im wesentlichen nur die ohmsche Komponente VR
der Schweißspannung VW. Nach geeigneter Verstärkung in
einem weiteren Verstärker 21 kann diese Spannung demge
mäß benutzt werden, um über eine Leitung 22 eine Anzeige
und/oder eine Steuerung zu bewirken. Die Summierungs
stufe 19 und der Verstärker 21 sind gewöhnlich in einem
Differentialverstärker kombiniert.
Vorzugsweise wird, wie in der Zeichnung dargestellt, der
Ausgang des Verstärkers 21 einer Integrationsstufe 23
zugeführt, die eine zeitliche Integration durchführt,
um auf der Leitung 24 ein Signal zu liefern, welches dem
∫VR x dt entspricht. Bei konstantem Schweißstromwert
IW stellt dieses Integral die elektrische Energie dar,
die beim Schweißen verbraucht wurde. Der Integrator wird
durch eine Rückstellschaltung 28 zurückgesetzt bevor
jeweils eine Halbwelle des Stromes IW ankommt, so daß
beim Nahtschweißen auf der Leitung 24 eine Folge von
Signalen auftritt, die die elektrischen Energien kennzeichnen,
die für die einzelnen Schweißpunkte der Naht benötigt
wurden. Diese Signale werden einer Schaltung 29 zuge
führt, die in bekannter Weise ihre Endabsolutwerte sammelt
und auf einen Kondensator 9 gibt, bis sie durch das nächst
ankommende Signal gelöscht werden.
Es ist statistisch bekannt, daß zur zufriedenstellenden
Bildung der Schweißperlen die benutzte Energie innerhalb
vorbestimmter oberer und unterer Grenzen liegen sollte.
Büchsen, die eine oder mehrere Schweißperlen aufweisen,
deren Energie außerhalb dieses Bereiches liegen, werden
automatisch durch eine Büchsenauswurfvorrichtung 25 ab
geschieden, die auf das Ausgangssignal der Austast- und
Halteschaltung 29 anspricht. Die Vorrichtung 25 kann ein
stellbar sein, um die Grenzwerte nach visueller Betrachtung
oder anderer Überprüfung der geschweißten Büchsenkörper
zu ändern. Demgemäß sind Eingänge 26, 27 vorgesehen,
denen der obere bzw. untere Grenzwert in geeigneter
Form zugeführt werden kann.
Das Signal auf der Leitung 24 kann zur Anzeige und/oder
zur Steuerung benutzt werden, unabhängig von der Funktion
zum Auswerfen fehlerhafter Büchsenkörper.
Die Fig. 2 bis 4 zeigen zwei aufeinanderfolgende
Halbwellen verschiedener Spannungen, wodurch die Arbeits
weise der Überwachungsschaltung veranschaulicht wird.
Zum Vergleich ist der Schweißstrom IW strichliert in
Fig. 2 dargestellt und es ist erkennbar, daß die über
wachte Schweißspannung V′W einen sehr hohen Blindanteil
besitzt. Der Schweißstrom fällt natürlich an den mit
IWO angegebenen Stellen auf Null, und der folgende An
stieg wird künstlich bis zu den Punkten IWB durch die
vorerwähnte Phasenwinkelsteuervorrichtung verzögert.
Fig. 3 zeigt die induzierte Spannung VS über der Sonden
spule 17, und diese weist eine ähnliche Form auf wie die
überwachte Schweißspannung V′W.
Fig. 4 zeigt die ohmsche Komponente VR der Schweißspannung
VW, die am Ausgang der Summierungsstufe 19 oder des Ver
stärkers 21 auftritt.
Wegen der Streuinduktivität des Schweißtransformators
erscheint eine kleine Spannung während die Phasenwinkel
steuerung wirksam ist, d. h. zwischen den Punkten IWO und
IWV. Diese Spannung wird vom Integrator 23 bei der Bestim
mung von ∫ VR dt vernachlässigt.
Die Ableitung der Wirkkomponente VR der Schweißspannung
VW, wie sie oben bestimmt wurde, erfolgte unter der An
nahme, daß die magnetische Permeabilität im Bereich der Schweiß
spannungsmaßschleife konstant ist. Bei der Über
wachungsschaltung gemäß Fig. 1 können jedoch Änderungen
dieser magnetischen Permeabilität bei gewissen Anwen
dungen die Größen der Blindspannungen VR und VE von
Schweißperle zu Schweißperle beeinflussen, und zwar in
einem solchen Ausmaß, daß das Ausgangssignal der Summie
rungsstufe 19 eine wesentliche Blindkomponente enthält.
Insbesondere wird dann das Signal auf der Leitung 24
unzuverlässig als Maß für die pro Schweißpunkt benötigte
elektrische Energie. Um die Annäherung der Spannung, die
vom Verstärker 18 geliefert wird, an die reaktive Kompo
nente VL + VE der überwachten Schweißstabspannung V′W zu
verbessern, kann die Überwachungsschaltung gemäß Fig. 1
in der aus Fig. 5 ersichtlichen Weise abgewandelt wer
den, um eine automatische Kompensation hinsichtlich
Änderungen der magnetischen Permeabilität zu bewirken,
indem der Verstärkungsgrad des Verstärkers 18 gesteuert
wird.
Im folgenden wird auf Fig. 5 Bezug genommen. Außer den
bereits in Verbindung mit Fig. 1 erläuterten Schaltungs
elementen weist die Überwachungsschaltung einen Tast- und
Haltekreis 30 auf, der durch Impulse auf einer Leitung 31
gesteuert wird und einen Haltekondensator 32 und einen
Komparator 33 aufweist, dem der Ausgang der Tast- und
Halteschaltung zugeführt wird und diesen mit einem Be
zugswert an der Klemme 34 vergleicht, um ein fehlerab
hängiges Signal über die Leitung 35 zu liefern.
Der Verstärker 18 ist an die Leitung 35 angeschlossen, um
das fehlerabhängige Signal der Leitung 35 zu empfangen
und der Verstärker ändert seinen Verstärkungsgrad ge
mäß diesem Fehlersignal.
Die Taktgebung der Impulse auf der Leitung 31 ist
derart, daß die Tast- und Halteschaltung 30 so ge
steuert wird, daß die Endabsolutwerte der VR-abhängigen
Impulse des Verstärkers 21 am Ende jeder Halbwelle des
Schweißstromes IW getastet werden. Danach werden die
Austastungen im Kondensator 32 als Ausgang des Komparators
33 gehalten. Gewöhnlich repräsentiert das Signal der
Klemme 34 eine Nullspannung und es ist daher klar, daß
gemäß den Impulsen auf der Leitung 31 der Verstärkungs
grad des Verstärkers 18 wiederholt derart gesteuert wird,
daß jeder Rest des VR-abhängigen Signals ausgelöscht
wird, der zu Beginn der Perioden der Phasenwinkelsteue
rung vorhanden sein könnte, d. h. während der Nullstrom
bedingungen.
Die Impulse auf der Leitung 31 zur Steuerung der Tast-
und Halteschaltung 30 werden durch eine Reihenschaltung
erzeugt, bestehend aus einem Integrator 36, der an die
Sondenspule 17 angeschlossen ist, um die Sondenspulen
spannung VS zu erhalten, einer Gleichrichterschaltung
37, die ein Absolutwertsignal von dem sich ändernden
Ausgangssignal des Integrators erzeugt, einem Komparator 38,
der das Ausgangssignal der Schaltung 37 mit einem Bezugssignal
an der Klemme 39 vergleicht, welches klein ist im Ver
hältnis zum Durchschnittswert des Absolutwertsignals,
wodurch ein konstantes Ausgangssignal während jener Perioden
erzeugt wird, in denen das Bezugssignal überschritten wird,
und einer monostabilen Schaltung 40, die durch die Flanken
der Rechteckimpulse getriggert wird, die
durch den Komparator 38 erzeugt werden, um kurzdauernde
Impulse auf der Leitung 31 zu erhalten.
Der Integrator 36 wird am Ende jeder Halbwelle des
Schweißstromes IW zurückgesetzt. Während der folgenden
Halbwelle des Schweißstroms wird die Sondenspulenspannung
VS integriert, die wie aus Fig. 3 ersichtlich, sich im
wesentlichen symmetrisch zwischen dem positiven und ne
gativen Maximalwert während dieser Zeit ändert. Der Inte
grator ist doppelt richtend und sein Ausgang fällt dem
gemäß auf den niedrigen Wert, der durch das Bezugssignal
an der Klemme 39 repräsentiert wird, und zwar im wesent
lichen gleichzeitig mit dem Zeitpunkt, an dem der Schweiß
strom IW natürlich auf Null zurückgegangen ist. Demgemäß
liegen die auf der Leitung 31 durch die Elemente 36 bis
40 erzeugten Impulse zeitlich genau zu Beginn der Perioden
der Phasenwinkelsteuerung, wie dies die Arbeitsweise der
Verstärkerkompensationsschaltung erfordert, die vorstehend
beschrieben wurde.
Eine dritte Überwachungsschaltung gemäß der Erfindung,
die in Fig. 6 dargestellt ist, beruht auf der Tatsache,
daß dann wenn V′W integriert wird, die beiden Blind
spannungskomponenten von V′W, die beide proportional der
Änderungsrate des magnetischen Flusses sind, einen Aus
gang erzeugen, der proportional zu dem magnetischen Fluß
ist und daher verschwindet, wenn die Integration über eine
vollständige Halbwelle durchgeführt wird, d. h. über den
Abschnitt zwischen zwei Nulldurchgängen des Flusses. Des
halb kann durch Integration von V′W während der Zeit über
jeden Impuls des Schweißstromes ein Spannungssignal erlangt
werden, welches im wesentlichen frei ist von irgendwelchen
Blindkomponenten und daher nur den Wirkanteil VR repräsen
tiert. Außerdem befindet sich das Signal bereits in der
integrierten Form (∫ VR dt), welches erforderlich ist,
um eine Anzeige einer Büchsenaussortierung und/oder einer
anderen Anzeige oder Steuerfunktion durchzuführen und
ein Maß der elektrischen Energie erfordert, die pro
Schweißperle erforderlich war.
Im folgenden wird auf Fig. 6 Bezug genommen. Die hier
dargestellte dritte Überwachungsschaltung weist einen
Differentialverstärker 41 auf, der die überwachte Schweiß
spannung V′W verstärkt. Ein in beiden Richtungen wirkender
Integrator 42 ist an den Ausgang des Verstärkers 41 an
geschaltet, um das Signal zu erzeugen, welches ∫ VRx dt
auf der Leitung 43 darstellt. Das Signal kann, nachdem die
Endabsolutwerte seiner Komponentenhalbwellen getastet und
durch die Tast- und Halteschaltung 29 mit dem zugeord
neten Kondensator 9 gehalten sind, durch die Büchsenaus
sortierungsvorrichtung 25 in der vorbeschriebenen Weise
ausgenutzt werden. Die Schaltungen gemäß dem Ausführungs
beispiel nach Fig. 1 und 5 liefern ein Signal, welches
dem Wirkanteil VR der Schweißspannung entspricht, während
bei der Überwachungsschaltung gemäß Fig. 6 ein solches
VR abhängiges Signal nicht verfügbar ist.
Claims (4)
1. Schaltungsanordnung zur Überwachung der Güte der von einer
Wechselstrom-Widerstandsschweißmaschine erzeugten Schweißnaht,
die sich aus Schweißpunkten zusammensetzt, welche durch auf
einanderfolgende Schweißstrom-Halbwellen gebildet sind, wobei von der
Schweißspannung (VW) die reaktive Komponente (VS) abgetrennt
und die Wirkkomponente (VR) zur Auswertung weiterverarbeitet
wird,
dadurch gekennzeichnet, daß die Wirkkomponente (VR) der Schweiß
spannung bzw. des Schweißstromes halbwellenweise (28) zeitlich
integriert (23) wird, und daß die so erzeugten, der für einen
Schweißpunkt aufgebrachten Energie entsprechenden Ausgangssig
nalimpulse mit einem oberen und einem unteren Grenzwertsignal
verglichen (29) werden und ein Fehlerausgangssignal erzeugt
(25) wird, wenn ein Ausgangssignalimpuls außerhalb des Bereichs
zwischen oberem und unterem Grenzwertsignal liegt.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß in Abhängigkeit von der Größe der
Ausgangssignalimpulse die fehlerhaft verschweißten Werkstücke
ausgesondert werden.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß das Fehlerausgangssignal die
Schweißspannung steuert oder abschaltet.
4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß in Abhängigkeit von dem Fehleraus
gangssignal der Vorschub des Werkstücks gesteuert wird.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
8110 | Request for examination paragraph 44 | ||
8127 | New person/name/address of the applicant |
Owner name: CMB FOODCAN PLC, READING, BERKSHIRE, GB |
|
D2 | Grant after examination | ||
8363 | Opposition against the patent | ||
8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |