DE3827509A1 - Antrieb insbesondere fuer den schweissdrahtvorschub an schweisseinrichtungen - Google Patents
Antrieb insbesondere fuer den schweissdrahtvorschub an schweisseinrichtungenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen Antrieb, insbesondere für den
Schweißdrahtvorschub an Schweißeinrichtungen mit den
Merkmalen im Oberbegriff des Hauptanspruchs.
Ein solcher Antrieb ist aus der DE-OS 29 38 345 und der
US-PS 33 44 305 für Schweißeinrichtungen bekannt. Diese
Antriebe sind jedoch nicht in der Lage, für die geforderte
Konstanz des Drahtvorschubes zu sorgen. Hierbei ist zu
berücksichtigen, daß beispielsweise für automatisches
Roboterschweißen Vorschubabweichungen von weniger als 1%
erforderlich sind. Die vorbekannten Einzelantriebe arbeiten
mit größeren Abweichungen. Erschwerend kommt für den
gesamten Drahtvorschubantrieb hinzu, daß durch ständige
Bewegungen des Schweißwerkzeuges die Reibungsverhältnisse
in der mitbewegten Schweißdrahtführung sich ständig ändern.
Bei schnellen Werkzeugbewegungen kann es sogar zu
Schwingungen im Drahtvorschub kommen, die die
Schweißqualität erheblich beeinträchtigen. Die vorbekannten
Antriebe sind in der Gesamtanordnung nicht in der Lage,
diesen Problemen ausreichend Rechnung zu tragen.
Besondere Schwierigkeiten entstehen beim Anfahren und
Bremsen des Drahtvorschubes. Hier ist ein reproduzierbares
Anlauf- und Bremsverhalten erforderlich, damit die
Schweißparameter stets gleichbleiben und Zündprobleme durch
unterschiedliche Drahtabstände vom Werkstück vermieden
werden. Läuft der Draht beim Abschalten zu schnell, kann er
unter Umständen im Schweißbad festbrennen. Läuft er
hingegen zu langsam, brennt er zu weit zurück, wodurch sich
ebenfalls der Zündabstand verändert. Beim Anfahren
entstehen die gleichen Schwierigkeiten.
Die vorbekannten Antriebe sehen für die Anlauf- und
Bremsphase keinerlei Maßnahmen vor und sind daher für
hochpräzise Schweißeinrichtungen nicht geeignet.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen
Antrieb aufzuzeigen, der in den Einzelkomponenten eine
höhere Regelgenauigkeit besitzt und insgesamt eine bessere
Konstanz des Drahtvorschubes und die Kompensation
variierender Umgebungsbedingungen sicherstellt. Außerdem
soll der Antrieb ein reproduzierbares Anlauf- und
Bremsverhalten zeigen.
Die Erfindung löst dieses Problem mit den Merkmalen im
Kennzeichen des Hauptanspruchs und des nebengeordneten
Anspruchs.
Mit dem erfindungsgemäßen Regelungskonzept der Überlagerung
der Ankerstromregelung durch eine Drehzahlregelung läßt
sich eine optimale Regelgenauigkeit erzielen. Der
erfindungsgemäße Antrieb kann für unterschiedliche Zwecke
eingesetzt werden, eignet sich aber besonders für den
Schweißdrahtvorschub an Schweißeinrichtungen, speziell
Schweißrobotern.
Der erfindungsgemäße Antrieb kann sowohl als
drehzahlgeregelter Antrieb als auch als momentengesteuerter
Antrieb ausgelegt werden. Für die Momentensteuerung kommt
ein Strombegrenzer hinzu, der seinerseits den
Drehzahlregler überlagert und ihn nur in Sonderfällen,
beispielsweise zum Einfädeln des Schweißdrahts, freigibt.
Nachdem die eingestellte Soll-Drehzahl von der im
Normalbetrieb erreichbaren Drehzahl abweicht, regelt der
Drehzahlregler den Ankerstrom stets an die Einsatzschwelle
des Strombegrenzers heran. Diese Konzeption sorgt für einen
absolut konstanten Ankerstrom und damit für ein konstantes
Antriebsmoment, ohne daß unerwünschte Regelschwingungen
auftreten.
Zur Erzielung eines konstanten Anlauf- und Bremsverhaltens
ist gemäß dem nebengeordneten Anspruch vorgesehen, dem
momentengeregelten Antrieb einen höheren oder niedrigeren
Ankerstrom zuzuführen, der proportional zum
Massenträgheitsmoment beim Beschleunigen und Bremsen ist.
Diese Maßnahme läßt sich mit Erfolg auch bei Antrieben nach
dem Stand der Technik verwirklichen.
Der erfindungsgemäße Antrieb eignet sich hierfür besonders,
da die unterschiedlichen Ankerströme auf einfache Weise
durch Beeinflussung des Strombegrenzers eingestellt werden
können. Dies kann einerseits durch Eingriffe von außen
mittels selbständig einstellbarer Stellorgane geschehen.
Besonders günstig ist jedoch die Koppelung des
momentengeregelten Antriebs mit einem drehzahlgeregelten
Antrieb. Bei einem Schweißdrahtvorschub ist hierbei
vorzugsweise der drehzahlgeregelte Antrieb der Pull- oder
Hauptantrieb, der nahe am Schweißbrenner sitzt, während der
momentengesteuerte Antrieb als einfacher oder mehrfacher
Push- oder Hilfsantrieb fungiert.
Die Ableitung des Steuersignals für den Strombegrenzer kann
auf mehrere Arten erfolgen, von denen zwei in den
bevorzugten Ausführungsbeispielen dargestellt sind. Zum
einen kann einer konstanten und dem gewünschten Moment im
Normalbetrieb entsprechenden Signalkomponente eine
dynamische Signalkomponente zuaddiert werden, die dem
Massenträgheitsmoment der zu beschleunigenden oder zu
bremsenden Teile entspricht. Beim Bremsen hat die
dynamische Komponente ein negatives Vorzeichen. Diese eine
Möglichkeit empfiehlt sich besonders dann, wenn für Haupt-
und Hilfsantriebe unterschiedliche Motoren und
Kraftübertragungselemente verwendet werden. Die
Drahtförderkraft des momentengesteuerten Hilfsantriebes
läßt sich in diesem Fall so einstellen, daß dessen
Motorleistung optimal genutzt wird.
Die zweite Moglichkeit besteht darin, den Strom-Sollwert
für den Hilfsantrieb aus dem vom Drehzahlregler des
Hauptantriebes erzeugten Strom-Sollwert für den
Hauptantrieb abzuleiten. In diesem Fall werden die
Ankerströme und damit die Drahtförderkräfte von Haupt- und
Hilfsantrieb zueinander proportional geführt. Das bedeutet,
daß die Drahtförderkräfte beider Antriebe in einem festen
Verhältnis zueinander stehen und durch den Drehzahlregler
des Hauptantriebes ständig auf den, durch die
Reibungswiderstände im Drahtfördersystem bedingten
Kraftbedarf angepaßt werden. Diese Möglichkeit bietet sich
besonders vorteilhaft an, wenn für Haupt- und Hilfsantrieb
die gleichen Motoren und Kraftübertragungselemente
eingesetzt werden, so daß z.B. die Förderkraftaufteilung im
Verhältnis 1 : 1 erfolgen kann und beide Antriebe ohne
besondere Maßnahmen die gleiche Dynamik beim Beschleunigen
und Bremsen aufweisen.
Durch die Koppelung der Haupt- und Hilfsantriebe kann auch
die Soll-Drehzahl des momentengesteuerten Hilfsantriebes
von der Soll-Drehzahl des drehzahlgeregelten Hilfsantriebes
abgeleitet werden. Hierdurch stehen beide Drehzahlen in
einem festen Verhältnis zueinander. Bei Änderungen der
Drehzahleinstellung am Hauptantrieb, insbesondere beim
Anlaufen und Bremsen, folgt die Soll-Drehzahl des
Hilfsantriebes automatisch nach.
Der erfindungsgemäße Antrieb kann in seinen verschiedenen
Regelungsausgestaltungen mit beliebigen Elektromotoren und
Fördermitteln eingesetzt werden. Für saubere
Regelcharakteristiken empfehlen sich besonders
permanenterregte Gleichstrommotoren, wobei auch die
verschiedenen Regler als Proportional-integral-Regler
ausgebildet sein sollten. Der drehzahlgeregelte Antrieb
besitzt einen besonders genauen Drehzahlmesser,
beispielsweise einen Gleichstromtachogenerator oder einen
Inkrementaldrehgeber mit Frequenz-/Spannungswandler. Für
den momentengesteuerten Antrieb hat die überlagerte
Drehzahlregelung eine geringere Bedeutung, so daß hier ohne
weiteres einfache Geräte zum Einsatz kommen können.
Alternativ kann der Drehzahl-Istwert auch aus der
induzierten Ankerspannung des Motors gewonnen werden.
Die Erfindung ist in den Zeichnungen beispielhaft und
schematisch dargestellt. Im einzelnen zeigen:
Fig. 1 in Seitenansicht einen Schweißroboter mit
einer Vorrichtung für den
Schweißdrahtvorschub,
Fig. 2 und 3 Signalflußpläne in Variation des Steuerungs-
und Regelungskonzeptes der Antriebe und
Fig. 4 Diagramme zum Signalverlauf.
Fig. 1 zeigt einen mehrachsigen Industrieroboter (1), der
an seiner Hand (13) eine Schweißeinrichtung (2), hier ein
Lichtbogen-Schutzgas-Schweißwerkzeug trägt. Der
Schweißdraht (4) wird von einem Vorratsbehälter (5) an der
Roboterschwinge (14) mittels einer Transportvorrichtung
(3), bestehend aus zwei Antrieben (7, 9), durch die
Schweißdrahtführung (6) zur Schweißdüse (12) befördert. Der
die Vorschubgeschwindigkeit bestimmende Hauptantrieb (7)
befindet sich nahe an der Schweißdüse (12). Der
Hilfsantrieb (9) ist nahe dem Vorratsbehälter (5) am
hinteren Ende der Schweißdrahtführung (6) angeordnet. Die
Transportvorrichtung (3) stellt mit dem ziehenden
Hauptantrieb (7) und dem schiebenden Hilfsantrieb (9) einen
sogenannten Push-pull-Antrieb dar.
Der Motor (15) des Hauptantriebes (7) wird auf eine, dem
Sollwert der Vorschubgeschwindigkeit entsprechende Drehzahl
geregelt. Unter der Voraussetzung einer weitgehend
schlupflosen Kraftübertragung auf den Schweißdraht (4)
erzeugt er die gewünschte Vorschubgeschwindigkeit. Der
Hilfsantrieb (9) ist hingegen momentengeregelt. Der
Ankerstrom des Motors (11) wird mit Hilfe eines
Stromregelkreises auf einen, der gewünschten
Drahtförderkraft entsprechenden Sollwert geregelt. Die
Kraftübertragung des Hilfsantriebes (9) auf den
Schweißdraht (4) erfolgt ebenfalls weitestmöglich
schlupffrei.
Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist für den Hauptantrieb
(7) ein Zwei-Rollen-Drahtantrieb (8) vorgesehen. Der
Hilfsantrieb (9) hingegen besitzt einen Wirbelkopf (10) mit
schräg angestellten und um den Draht (4) rotierenden
Rollen. In Variation zum gezeigten Ausführungsbeispiel
können die Drahtfördervorrichtungen auch gleich ausgebildet
sein, und wahlweise auch andere als die beiden gezeigten
Drahtfördervorrichtungen aufweisen. Sie wirken jedoch stets
möglichst ohne Schlupf auf den Schweißdraht ein.
Beim Bahnschweißen muß die Schweißdüse (12) oft
komplizierten Bahnen im Raum mit veränderlicher
Orientierung folgen, wobei die Schweißdrahtführung (6)
mitbewegt und manchmal stark verwunden wird. Dies erschwert
die Schweißdrahtförderung durch sich ändernde
Reibungsverhältnisse in der Schweißdrahtführung (6).
Problematisch sind auch schnelle Bewegungen der Schweißdüse
(12), die Schwingungen im Drahtvorschub provozieren.
Trotzdem darf es nicht zu Änderungen der
Drahtvorschubgeschwindigkeit in der Schweißdüse (12)
konmen. Der Hauptantrieb (7) und der ein- oder mehrfach
vorgesehene Hilfsantrieb (9), sind so aufeinander
abgestimmt, daß die Umgebungsbedingungen kompensiert
werden.
Hierbei wird angestrebt, daß am ziehenden Hauptantrieb (7)
der Schweißdraht (4) stets mit gleichgerichteter Kraft
ansteht, also nicht von Schub- auf Zugkraft wechselt.
Vorzugsweise wird der Schweißdraht vom momentengesteuerten
Hilfsantrieb (9) mit einer konstanten Kraft gefördert, die
größer als die zu erwartenden maximalen Reibwiderstände in
der Schweißdrahtführung (6) ist. Am Hauptantrieb (7) steht
der Schweißdraht (4) damit stets mit einer Schubkraft an,
die in der Größe in gewissen Grenzen schwanken, aber nie auf
oder unter Null gehen kann. Im Hilfsantrieb (9) wird die
auf den Schweißdraht (4) einwirkende Förderkraft unabhängig
von der Drahtgeschwindigkeit und von der
Oberflächenbeschaffenheit des Schweißdrahtes gesteuert,
bzw. konstant gehalten.
Fig. 2 zeigt schematisch und beispielsweise das Steuerungs-
und Regelungsverfahren gemäß einer ersten Ausführungsform
anhand eines Signalflußplanes.
Auf der rechten Seite ist die Transportvorrichtung mit dem
Vorratsbehälter (5), dem Schweißdraht (4), dem Hilfsantrieb
(9) und dem Hauptantrieb (7) schematisch dargestellt. Der
Hilfsantrieb (9) besitzt hier den besagten Wirbelkopf (10)
und transportiert den Schweißdraht (4) mit einer
vorgebbaren Förderkraft F 2 zum Hauptantrieb (7). Der
Hauptantrieb (7) fördert über einen Zweirollen-Antrieb (8)
den Draht schlupffrei mit einer vorgebbaren Geschwindigkeit
V zur Schweißdüse.
Haupt- und Hilfsantrieb (7, 9) sind mit permanenterregten
Gleichstrommotoren (11, 15) ausgestattet, welche mit dem
Zwei-Rollen-Antrieb (8), bzw. dem Wirbelkopf (10)
gegebenenfalls über Getriebe (nicht dargestellt) gekoppelt
sind. Genausogut können auch bürstenlose Motoren oder
andere Elektromotoren eingesetzt werden. Jeder Motor
(11, 15) wird von einem Leistungsverstärker (18, 19)
gespeist. Jedem Antrieb ist eine Regelungseinrichtung
zugeordnet, bestehend aus einem Ankerstromregler (20, 21)
und einem überlagerten Drehzahlregler (22, 23). Die Regler
sind vorzugsweise als Proportional-Integral-Regler
ausgebildet. Für die Drehzahl-Istwerterfassung sind die
Motoren mit den Drehzahlmessern (16, 17) ausgerüstet. Bis
hierher sind der drehzahlgeregelte Hauptantrieb (7) und der
momentengesteuerte Hilfsantrieb (9) gleich ausgebildet.
Da der Hauptantrieb (7) über seine Drehzahl N 1 die
Drahtvorschubgeschwindigkeit bestimmt, empfiehlt es sich,
für dessen Drehzahl- Istwerterfassung ein sehr exaktes
Instrument, beispielsweise einen genauen
Gleichstromtachogenerator, einen Inkrementalgeber mit
Frequenz-/Spannungswandler oder ein anderes hochwertiges
Drehzahlmeßsystem einzusetzen. An die Erfassung der
Drehzahl N 2 des Hilfsantriebes (9) werden keine hohen
Genauigkeitsanforderungen gestellt. Auf einen
Tachogenerator wie im gezeigten Ausführungsbeispiel kann
sogar verzichtet werden, da der Drehzahl-Istwert mit
ausreichender Genauigkeit auch aus der induzierten
Ankerspannung des Motors (11) durch Messung seiner
Ankerspannung an den Klemmen und elektronische Kompensation
seines Ankerspannungsabfalles entsprechend dem gemessenen
Ankerstrom-Istwert gebildet werden kann.
Um die Charakteristik einer Momentensteuerung des
Hilfsantriebs (9) zu realisieren, besitzt sein
Drehzahlregelkreis eine Einrichtung (24) zur Begrenzung des
vom Drehzahlregler (23) erzeugten Ankerstrom-Sollwertes
i 2 soll auf einen extern steuerbaren Wert. Es handelt sich
um eine an sich bekannte Strombegrenzungsschaltung, die so
wirkt, daß das Ausgangssignal u R des Drehzahlreglers (23)
als Ankerstrom-Sollwert i 2 soll zum unterlagerten
Stromregler (21) durchgeschaltet ist, sofern das
Ausgangssignal unterhalb des extern vorgegebenen
Begrenzungswertes bei i 2 begr liegt. Übersteigt das
Ausgangssignal des Drehzahlreglers (23) den extern
vorgegebenen Begrenzungswert, so wird es durch diesen
abgelöst, d.h. der Ankerstrom-Sollwert ist nun gleich dem
externen Begrenzungswert. Dies gilt so lange, bis das
Ausgangssignal des Drehzahlreglers (23) diesen Wert wieder
unterschreitet.
Im gezeigten Ausführungsbeispiel wirkt der Strombegrenzer
(24) von oben. Dem Drehzahlregler (23) bzw. der
vorgeschalteten Soll-Ist-Vergleichsstelle wird ein Sollwert
für die Drehzahl n 2 soll zugeführt, der im Normalbetrieb
stets größer als der vom Drehzahlmesser (17) abgegriffene
Istwert n 2 ist ist. Aufgrund der Schlupffreiheit bestimmt
der Hauptantrieb (7) im Normalbetrieb die Ist-Drehzahl des
Hilfsantriebes (9). Nachdem der eingestellte Soll-Wert
n 2 soll größer ist, als der Ist-Wert n 2 ist, wird der
Drehzahlregler (23) im Normalbetrieb ständig übersteuert,
wodurch der Ankerstrom-Sollwert i 2 soll durch den
Strombegrenzer (24) konstant gehalten wird.
Der Drehzahl-Sollwert n 2 soll kann extern vorgegeben sein.
Im gezeigten Ausführungsbeispiel wird er vom Regelkreis des
Hauptantriebes im Führungssystem (31) abgeleitet. Dieses
enthält einen Führungsintegrator (25), bestehend aus einem
Komparator (26) und einem Integrator (27). Der
Führungsintegrator (25) formt den eingestellten Sollwert
für die Drahtgeschwindigkeit v soll in den Drehzahl-Sollwert
n 1 soll für den Hauptantrieb (7) um. Anstieg und Abfall des
Drehzahl-Sollwertes n 1 soll erfolgen mit einer durch die
Integrationszeitkonstante T I begrenzten Steilheit. Der
Drehzahl-Sollwert für den Hilfsantrieb (9) wird ebenfalls
aus dem Führungsintegrator (25) abgeleitet, jedoch mit
einem Proportionalglied (29) so angepaßt, daß er etwa 10
bis 20% größer ist, als es der Drahtgeschwindigkeit
entspricht. Hierbei sind gegebenenfalls unterschiedliche
Übersetzungsverhältnisse von Haupt- und Hilfsantrieben
(7, 9) zu berücksichtigen.
Der momentengesteuerte Motor (11) des Hilfsantriebes (9)
entwickelt im Normalbetrieb ein Drehmoment, das nur zur
Drahtförderung ausreicht, nicht aber zum Beschleunigen der
mit dem Hilfsantrieb (9) verbundenen Schwungmassen. Beim
Anlaufen würde der Hilfsantrieb (9) am Hauptantrieb (7)
hängen und müßte von diesem hochgezogen werden. Umgekehrt
ist beim Bremsen das konstant gehaltene Moment des
Hilfsantriebes (9) zu groß. Die Schwungmassen können dann
nicht kontrolliert abgebremst werden.
Um hier reproduzierbare Anlauf- und Bremsbedingungen zu
schaffen, wird der Begrenzungswert i 2 begr für den
Ankerstrom des Hilfantriebes (9) durch Addition zweier
Komponenten f 2 soll und m 2 Bsoll erzeugt. Die erste
Komponente f 2 soll stellt den Soll-Wert für den
Ankerstromanteil dar, welcher die gewünschte Förderkraft F 2
des Hilfsantriebes (9) erzeugt. Diese Komponente kann
beispielsweise mit Hilfe eines Soll-Wertstellers (30) fest
eingestellt werden.
Die zweite Komponente m 2 Bsoll stellt den Soll-Wert für den
Ankerstromanteil dar, welcher das Drehmoment zur
Beschleunigung bzw. Bremsung der rotierenden trägen Massen
erzeugt. Diese dynamische Komponente kann auf einfache
Weise ebenfalls aus dem Führungsintegrator (25) abgeleitet
werden. Das Ausgangssignal des Komparators (26) nimmt immer
dann einen konstanten positiven, bzw. negativen Wert an,
wenn das Ausgangssignal des Integrators (27) kleiner, bzw.
größer als der Geschwindigkeits-Sollwert v soll ist. Dieser
konstante positive, bzw. negative Wert wird im Integrator
(27) integriert, so daß dessen Ausgangssignal linear
ansteigt, bzw. abfällt, bis es genau gleich dem
Geschwindigkeits-Sollwert v soll ist. Dann nämlich wird das
Ausgangssignal des Komparators (26) zu Null, so daß der
Integrator (27) stehen bleibt. Das Ausgangssignal des
Komparators (26) weist also während der linearen Erhöhung
des Drehzahl-Sollwertes n 1 soll einen positiven und während
der linearen Absenkung des Drehzahl-Sollwertes n 1 soll einen
negativen konstanten Wert auf. Bei gleichbleibendem
Drehzahl-Sollwert n 1 soll ist es gleich Null. Gemäß dem
allgemein bekannten dynamischen Grundgesetz nach Newton
entspricht das Komparatorsignal in seinem Verlauf dem
Drehmoment, welches zur Beschleunigung bzw. Bremsung der
rotierenden trägen Massen des Hilfsantriebes erforderlich
ist, und braucht betragsmäßig nur noch dem
Massenträgheitsmoment J und der Integrationszeitkonstante
T I angepaßt werden. Diese Anpassung ist durch das
Proportionalglied (28) berücksichtigt. Das
Proportionalglied (28) ist, wie auch die anderen derartigen
Glieder, als Proportional-Verstärker ausgebildet.
Fig. 4 verdeutlicht die Wirkungsweise des Steuerungs- und
Regelungskonzeptes anhand des prinzipiellen zeitlichen
Verlaufes der Signale.
Diagramm a) zeigt den rechteckförmigen Verlauf des
Geschwindigkeits-Sollwertes v soll, wie er z.B. für das
Schweißen einer kurzen Naht von einem Schweißroboter (1)
vorgegeben werden könnte.
In Diagramm b) ist das Ausgangssignal des
Führungsintegrators (25, 27) dargestellt, welches gleich dem
Drehzahl-Sollwert n 1 soll für den Hauptantrieb ist. Der
Drehzahl-Sollwert n 2 soll für den Hilfsantrieb, welcher über
ein Proportionalglied (29) aus dem Ausgangssignal des
Führungsintegrators gebildet wird, ist um den Faktor 1,1
...1,2 größer als der Drehzahl-Sollwert n 1 soll, wobei
vereinfachend vorausgesetzt wird, daß die
Übersetzungsverhältnisse beider Antriebe gleich groß sind.
Beide Drehzahl-Sollwerte weisen einen trapezförmigen
Führungsintegrators.
Die Bildung des Strombegrenzungs-Sollwertes i 2 begr für den
Hilfsantrieb zeigt Diagramm c). Er setzt sich zusammen aus
einem konstanten Anteil f 2 soll, welcher der gewünschten
Drahtförderkraft des Hilfsantriebes entspricht und z. B.
mittels Sollwertsteller (30) eingestellt werden kann und
einem dynamischen Anteil m 2 Bsoll, welcher dem
Beschleunigungsmoment zur Überwindung der
Massenträgheitsmomente während der rampenförmigen
Beschleunigungs- und Bremsphasen entspricht.
Diagramm d) zeigt schließlich, wie der Ankerstrom-Sollwert
i 2 soll mit Hilfe der Begrenzungseinrichtung (24) durch
Ablösung des Drehzahlreglerausgangssignales u R vom
Strombegrenzungs-Sollwert i 2 begr geführt wird. Zunächst,
solange der Drehzahl-Sollwert n 2 soll noch gleich Null ist,
ist auch das Drehzahlreglerausgangssignal u R gleich Null
und gelangt somit, von dem darüberliegenden Begrenzungswert
i 2 begr unbeeinflußt, als Ankerstrom-Sollwert i 2 soll zum
unterlagerten Stromregler (21). Sobald aber der
Drehzahl-Sollwert ansteigt, baut sich am Eingang des
Drehzahlreglers (23) des Hilfsantriebes eine immer größer
werdende Differenz zwischen Drehzahl-Sollwert n 2 soll und
-Istwert n 2 ist auf. Entsprechend der Charakteristik des
Drehzahlreglers (23) als Proportional-Integral-Regler
(PI-Regler) steigt dessen Ausgangsspannung u R nahezu
sprungförmig auf einen Maximalwert an, der etwa der
positiven Versorgungsspannung des Regelverstärkers
entspricht und übersteigt somit den Begrenzungswert i 2 begr.
Dadurch wird die Reglerausgangsspannung u R in der
Begrenzungseinrichtung (24) vom Begrenzungswert i 2 begr
abgelöst, so daß der Ankerstrom des Hilfsantriebes nun auf
diesen Wert geregelt wird. Vorausgesetzt wird dabei, daß
die Drahtgeschwindigkeit durch die Drehzahlregelung des
Hauptantriebes eingeprägt ist, was durch die schlupffreie
Kraftübertragung, die richtige Dimensionierung der Antriebe
und die richtige Abstimmung der Sollwert-Vorgaben
gewährleistet werden kann.
Die Diagramme in Fig. 4 zeigen, daß während der
Drahtförderung bei eingefädeltem Schweißdraht beim
Hilfsantrieb nur die Ankerstromregelung wirksam ist,
wodurch der Hilfsantrieb eine konstante Förderkraft auf den
Schweißdraht ausübt. Der Drehzahlregler ist dabei ständig
übersteuert.
Der Drehzahlregler des Hilfsantriebes wird nur dann
wirksam, wenn Haupt- und Hilfsantrieb nicht über den
Schweißdraht fest gekoppelt sind. Dies ist z.B. beim
Drahteinfädeln der Fall, solange der Schweißdraht noch
nicht durch die ganze Drahtführung bis zum Hauptantrieb
gelangt ist. In diesem Fall wird der Hilfsantrieb nicht,
wie im anderen Fall, durch den Hauptantrieb gebremst,
welcher auf eine geringere Drehzahl geregelt ist. Dadurch
findet der Hilfsantrieb ein wesentlich geringeres
Widerstandsmoment vor und ist in der Lage, mit einem
kleineren als dem, durch den Begrenzungswert i 2 begr
festgelegten Ankerstrom die ihm vorgegebene Drehzahl zu
halten. Der Drehzahlregler (23) kommt dadurch aus seiner
Begrenzung frei und führt die Drehzahl des Hilfsantriebes
gemäß seinem Soll-Wert n 2 soll. Die
Drahtvorschubgeschwindigkeit liegt somit während des
Einfädelns entsprechend diesem Soll-Wert um 10 ... 20%
höher als der Soll-Wert v soll es vorgibt, so lange bis der
Schweißdraht auch mit dem Hauptantrieb in Eingriff ist und
dieser die Führung der Geschwindigkeit übernimmt.
Fig. 3 zeigt eine zweite Möglichkeit der Führung des
Ankerstromes für den Hilfsantrieb durch Ableitung des
Strombegrenzungswertes i 2 sbegr aus dem Strom-Sollwert
i 1 soll für den Hauptantrieb.
Gegenüber der ersten Möglichkeit gemäß Fig. 2 entfällt die
Bildung des Begrenzungswertes aus einer
schubkraftproportionalen und einer
beschleunigungsmomentproportionalen Komponente. Der
Strombegrenzungswert i 2 begr wird über ein Proportionalglied
(34) vom Ausgangssignal des Drehzahlreglers (22)
abgeleitet, welches zugleich den Strom-Sollwert für den
Hauptantrieb darstellt. Die Begrenzungseinrichtung (24) ist
so ausgeführt, daß das Ausgangssignal u R des
Drehzahlreglers für den Hilfsantrieb vom Begrenzungswert
immer dann abgelöst wird, wenn es letzteren unterschreitet.
Um diese Ablösung im normalen Betrieb bei eingefädeltem
Schweißdraht zu erreichen, muß der Drehzahl-Sollwert n 2 soll
für den Hilfsantrieb kleiner sein, als es der
Drahtfördergeschwindigkeit entspricht. Dies wird durch
geeignete Anpassung des Übertragungsfaktors des
Proportionalgliedes (29) berücksichtigt. Im gezeigten
Beispiel ist der Drehzahl-Sollwert des Hilfsantriebes um
den Faktor 0,8 ... 0,9 kleiner, als derjenige des
Hauptantriebes. Das Verhältnis der Ankerströme beider
Antriebe zueinander und damit das Verhältnis der
Drahtförderkräfte zueinander kann mit Hilfe des
Proportionalgliedes (34) entsprechend der gewünschten
Kraftaufteilung eingestellt werden.
Diese Variante ist besonders vorteilhaft einsetzbar, wenn
für Hilfs- und Hauptantrieb gleiche Motoren, gleiche
Getriebe und gleiche Kraftübertragungselemente, z.B.
jeweils die gleichen Zweirollenantriebe (8), eingesetzt
werden. Dann nämlich kann die Kraftaufteilung im Verhältnis
Eins/Eins erfolgen. Das Proportionalglied (34) wird auf den
Verstärkungsfaktor Eins eingestellt. Durch die Gleichheit
der Massenträgheitsmomente von Haupt- und Hilfsantrieb ist
in diesem Falle bei gleichen Ankerströmen sowohl stationär
als auch dynamisch beim Beschleunigen und Bremsen jederzeit
sichergestellt, daß beide Antriebe genau die gleiche
Förderkraft auf den Schweißdraht ausüben und daß die
verfügbare Motorleistung optimal genutzt wird. Stößt
außerdem der Schweißdraht im Brennerbereich auf ein
Hindernis und zieht der Hauptantrieb aufgrund dessen mehr
Strom, wird zugleich der Hilfsantrieb mitgezogen und
steigert seine Schubkraft zur Unterstützung des
Hauptantriebs.
Die Anwendung mehrerer Hilfsantriebe ist ebenfalls möglich,
wobei der Strombegrenzungswert für alle Hilfsantriebe
gemeinsam aus dem Strom-Sollwert für den Hauptantrieb
abgeleitet wird, wie beschrieben.
Variationen der gezeigten Ausführungsbeispiele sind in
verschiedener Hinsicht möglich. Zum einen kann in
Abwandlung von Fig. 2 der Strombegrenzer (24) auch von
unten wirken, wobei über das Proportionalglied (29) eine
niedrigere Soll-Drehzahl n 2 soll als der abgegriffene
Ist-Wert n 2 ist eingestellt wird. Dies entspricht der in
Fig. 3 dargestellten Regelung, wobei allerdings die
Schaltung zur Einstellung von i 2 begr gemäß Fig. 2 erhalten
bleibt.
Umgekehrt kann auch die in Fig. 3 dargestellte
Direktableitung von i 2 begr aus i 1 soll mit einer
Strombegrenzung von oben und einem höher eingestellten
Drehzahl-Sollwert analog Fig. 2 kombiniert werden. Hierbei
empfiehlt es sich allerdings, beim Einfädeln des
Schweißdrahtes Zusatzmaßnahmen zu treffen, da der
Hauptantrieb (7) ohne Draht nur mit einem geringen
Ankerstrom-Sollwert i 1 soll läuft und Gefahr besteht, daß
der Hilfsantrieb (9) bei einem gewissen Drahtwiderstand
stehen bleibt.
Als weitere Variation kann der Hauptantrieb (7) auch mit
einer Drehzahlregelung ohne unterlagerter Stromregelung
ausgestattet sein. Hierfür eignet sich eher das
Ausführungsbeispiel der Fig. 2, in dem die dynamische
Signalkomponente für den Strombegrenzer (24) aus dem
Führungsintegrator (25) abgeleitet wird.
Die Antriebe (7, 9) können in einer Transportvorrichtung
außer in Kombination auch einzeln eingesetzt werden.
Desgleichen können auch die Regelcharakteristiken je nach
Einsatzzweck anders verteilt sein, z.B. nur drehzahl- oder
nur momentengesteuerte Antriebe oder Pull-Push-Antriebe.
Durch andere Fördervorrichtungen lassen sich die Antriebe
auch für den Transport anderer Güter als Schweißdraht oder
sonstigen Draht verwenden.
Stückliste:
1 Industrieroboter
2 Schweißeinrichtung, Lichtbogen-Schutzgas-Schweißwerkzeug
3 Transportvorrichtung
4 Schweißdraht
5 Vorratsbehälter, Drahtrolle
6 Schweißdrahtführung
7 Hauptantrieb
8 Zweirollen-Drahtantrieb
9 Hilfsantrieb
10 Wirbelkopf
11 Motor, Hilfsantrieb
12 Schweißdüse
13 Roboterhand
14 Roboterschwinge
15 Motor, Hauptantrieb
16 Drehzahlmesser, Tachogenerator, Hauptantrieb
17 Drehzahlmesser, Tachogenerator, Hilfsantrieb
18 Leistungsverstärker, Hauptantrieb
19 Leistungsverstärker, Hilfsantrieb
20 Ankerstrom-Regler, PI-Regler, Hauptantrieb
21 Ankerstrom-Regler, PI-Regler, Hilfsantrieb
22 Drehzahlregler, PI-Regler, Hauptantrieb
23 Drehzahlregler, PI-Regler, Hilfsantrieb
24 Begrenzung, Strombegrenzer
25 Führungsintegrator, Sollwertintegrator
26 Komparator
27 Integrator
28 Proportionalglied, Proportionalverstärker
29 Proportionalglied, Proportionalverstärker
30 Sollwertsteller
31 Führungssystem
32 Regelungs- und Leistungsteil
33 Antriebe
34 Proportionalglied, Proportionalverstärker
2 Schweißeinrichtung, Lichtbogen-Schutzgas-Schweißwerkzeug
3 Transportvorrichtung
4 Schweißdraht
5 Vorratsbehälter, Drahtrolle
6 Schweißdrahtführung
7 Hauptantrieb
8 Zweirollen-Drahtantrieb
9 Hilfsantrieb
10 Wirbelkopf
11 Motor, Hilfsantrieb
12 Schweißdüse
13 Roboterhand
14 Roboterschwinge
15 Motor, Hauptantrieb
16 Drehzahlmesser, Tachogenerator, Hauptantrieb
17 Drehzahlmesser, Tachogenerator, Hilfsantrieb
18 Leistungsverstärker, Hauptantrieb
19 Leistungsverstärker, Hilfsantrieb
20 Ankerstrom-Regler, PI-Regler, Hauptantrieb
21 Ankerstrom-Regler, PI-Regler, Hilfsantrieb
22 Drehzahlregler, PI-Regler, Hauptantrieb
23 Drehzahlregler, PI-Regler, Hilfsantrieb
24 Begrenzung, Strombegrenzer
25 Führungsintegrator, Sollwertintegrator
26 Komparator
27 Integrator
28 Proportionalglied, Proportionalverstärker
29 Proportionalglied, Proportionalverstärker
30 Sollwertsteller
31 Führungssystem
32 Regelungs- und Leistungsteil
33 Antriebe
34 Proportionalglied, Proportionalverstärker
Zeichenerklärung:
f₂ soll Sollwert für die Drahtförderkraft des
Hilfsantriebes
F₂ Drahtförderkraft des Hilfsantriebes
i₁ soll Ankerstrom-Sollwert des Hauptantriebes
i₂ soll Ankerstrom-Sollwert des Hilfsantriebes
i₂ begr Begrenzungswert für den Ankerstrom des Hilfsantriebes
i₁ ist Ankerstrom-Istwert des Hauptantriebes
i₂ ist Ankerstrom-Istwert des Hilfsantriebes
J Trägheitsmoment der rotierenden Massen des Hilfsantriebes
m₂ Bsoll Soll-Wert des Beschleunigungsmomentes für den Hilfsantrieb
n₁ soll Drehzahl-Sollwert des Hauptantriebes
n₂ soll Drehzahl-Sollwert des Hilfsantriebes
n₁ ist Drehzahl-Istwert des Hauptantriebes
n₂ ist Drehzahl-Istwert des Hilfsantriebes
N₁ Drehzahl des Hauptantriebes
N₂ Drehzahl des Hilfsantriebes
t Zeit
T I Integrationszeitkonstante
u R Ausgangssignal des Drehzahlreglers des Hilfsantriebes
V Drahtvorschubgeschwindigkeit
v soll Soll-Wert für die Drahtvorschubgeschwindigkeit
F₂ Drahtförderkraft des Hilfsantriebes
i₁ soll Ankerstrom-Sollwert des Hauptantriebes
i₂ soll Ankerstrom-Sollwert des Hilfsantriebes
i₂ begr Begrenzungswert für den Ankerstrom des Hilfsantriebes
i₁ ist Ankerstrom-Istwert des Hauptantriebes
i₂ ist Ankerstrom-Istwert des Hilfsantriebes
J Trägheitsmoment der rotierenden Massen des Hilfsantriebes
m₂ Bsoll Soll-Wert des Beschleunigungsmomentes für den Hilfsantrieb
n₁ soll Drehzahl-Sollwert des Hauptantriebes
n₂ soll Drehzahl-Sollwert des Hilfsantriebes
n₁ ist Drehzahl-Istwert des Hauptantriebes
n₂ ist Drehzahl-Istwert des Hilfsantriebes
N₁ Drehzahl des Hauptantriebes
N₂ Drehzahl des Hilfsantriebes
t Zeit
T I Integrationszeitkonstante
u R Ausgangssignal des Drehzahlreglers des Hilfsantriebes
V Drahtvorschubgeschwindigkeit
v soll Soll-Wert für die Drahtvorschubgeschwindigkeit
Claims (11)
1. Antrieb, insbesondere für den Schweißdrahtvorschub an
Schweißeinrichtungen, mit einem geregelten
Elektromotor, dadurch gekennzeichnet,
daß der Motor (11, 15) eine Ankerstromregelung für
eine Momentensteuerung aufweist, wobei dem
Ankerstromregler (20, 21) ein Drehzahlregler (22, 23)
überlagert ist.
2. Antrieb nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß für die
Momentensteuerung der Drehzahlregler (23) mit einem
Strombegrenzer (24) versehen ist, wobei die gewählte
Soll-Drehzahl n 2 soll höher oder niedriger als die im
Normalbetrieb erforderliche oder vorgegebene
Soll-Drehzahl eingestellt ist und der Strombegrenzer
(24) den Ankerstrom auf den Sollwert i 2 soll nach oben
oder unten begrenzt.
3. Momentengesteuerter Antrieb, insbesondere nach
Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
dem Motor (11) für die Beschleunigungs- und
Bremsphasen ein dem Schwungmoment entsprechender
zeitweise höherer bzw. niedrigerer Ankerstrom
zugeführt wird.
4. Antrieb nach Anspruch 2 und 3, dadurch
gekennzeichnet, daß der Strombegrenzer
(24) einstellbar ist, wobei über Stellglieder der
Ankerstrom zum Beschleunigen und Bremsen des Antriebs
(9) erhöht bzw. verringert wird.
5. Antrieb nach Anspruch 2, dadurch
gekennzeichnet, daß ein
drehzahlgeregelter Hauptantrieb (7) und mindestens
ein momentengeregelter Hilfsantrieb (9) vorgesehen
sind, wobei die Soll-Drehzahl n 2 soll des
Hilfsantriebs (9) von der Soll-Drehzahl n 1 soll des
Hauptantriebs (7) über ein Proportionalglied (29)
abgeleitet ist.
6. Antrieb nach Anspruch 4, dadurch
gekennzeichnet, daß ein
drehzahlgeregelter Hauptantrieb (7) und mindestens
ein momentengeregelter Hilfsantrieb (9) vorgesehen
sind, wobei das Steuersignal für den Strombegrenzer
(24) im Hilfsantrieb (9) vom Regelkreis aus dem
Hauptantrieb (7) abgeleitet ist.
7. Antrieb nach Anspruch 6, dadurch
gekennzeichnet, daß das Steuersignal
durch Addition einer konstanten, dem gewünschten
Moment entsprechenden Signalkomponente und einer
dynamischen, dem Massenträgheitsmoment entsprechenden
Signalkomponente gewonnen wird, wobei ein
Sollwertsteller (30) für die konstante
Signalkomponente vorgesehen ist und die dynamische
Signalkomponente aus einem Führungsintegrator (25)
des Hauptantriebs (7) mit einem Proportionalglied
(28) abgeleitet wird.
8. Antrieb nach Anspruch 6, dadurch
gekennzeichnet, daß das Steuersignal für
den Strombegrenzer (24) vom Ausgangssignal des
Drehzahlreglers (22) im Hauptantrieb (7) für dessen
Soll-Ankerstrom i 1 soll über ein Proportionalglied
(34) abgeleitet wird.
9. Antrieb nach Anspruch 1 oder einem der folgenden,
dadurch gekennzeichnet, daß der Motor
(11, 15) als permanenterregter Gleichstrommotor
ausgebildet ist.
10. Antrieb nach Anspruch 1 oder einem der folgenden,
dadurch gekennzeichnet, daß der Antrieb
(7, 9) einen Drehzahlmesser (16, 17) aufweist.
11. Antrieb nach Anspruch 1 oder einem der folgenden,
dadurch gekennzeichnet, daß die Regler
(20, 21, 22, 23) als Proportional-Integral-Regler
ausgebildet sind.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE3827509A DE3827509C2 (de) | 1988-08-12 | 1988-08-12 | Antrieb insbesondere für den Schweißdrahtvorschub an Schweißeinrichtungen |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE3827509A DE3827509C2 (de) | 1988-08-12 | 1988-08-12 | Antrieb insbesondere für den Schweißdrahtvorschub an Schweißeinrichtungen |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE3827509A1 true DE3827509A1 (de) | 1990-02-15 |
DE3827509C2 DE3827509C2 (de) | 1994-03-24 |
Family
ID=6360784
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE3827509A Expired - Lifetime DE3827509C2 (de) | 1988-08-12 | 1988-08-12 | Antrieb insbesondere für den Schweißdrahtvorschub an Schweißeinrichtungen |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE3827509C2 (de) |
Cited By (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
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DE102018131916A1 (de) * | 2018-12-12 | 2020-06-18 | Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft | Fertigungsanlage mit flexiblem Robotiksystem |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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-
1988
- 1988-08-12 DE DE3827509A patent/DE3827509C2/de not_active Expired - Lifetime
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DE3827509C2 (de) | 1994-03-24 |
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Legal Events
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---|---|---|---|
OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
D2 | Grant after examination | ||
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8365 | Fully valid after opposition proceedings |