DE4203672A1 - Verfahren zur minimierung von plasmabedingten stoereffekten auf kapazitive abtastsysteme - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Minimierung von plasmabedingten Störeffekten auf kapazitive Abtast­ systeme mit potentialgetrennter Anordnung und poten­ tialgetrennter Spannungsversorgung bei thermischen Be­ arbeitungsmaschinen.

Ein Werkstück, wie eine Metallplatte oder ähnliches, kann unter Verwendung eines Schneidbrenners oder eines Laserschneidkopfes, mittels dem ein Schneidstrahl auf die Oberfläche gerichtet wird, der das Werkstück durch­ dringt, in gewünschte Formen geschnitten werden.

Im allgemeinen ist der Schneidbrenner in einer beweg­ lichen Halterung montiert, so daß das Werkstück ent­ sprechend der gewünschten Form abgefahren werden kann.

Der Abstand zwischen Brennerdüse und Werkstück muß konstant sein, damit ein optimales Schneiden des Werk­ stückes erreicht und beibehalten wird. Ist der Abstand zwischen Brennerdüse und Werkstück zu gering, können Unebenheiten in dem Werkstück zu einer Berührung mit der Brennerspitze führen, wodurch die Flamme oder der Lichtbogen ausgeht und das Schneiden des Werkstückes beendet wird. Ein zu großer Abstand kann sich wegen der Schneidstrahldivergenz nachteilig auf die Schnittquali­ tät auswirken und bei zu großem Abstand reißt der Schnitt wegen zu geringer Energiedichte ab. Beim Laser­ schneiden verschiebt sich durch große Abstandsänderun­ gen die Lage des Fokuspunktes im Blech und ein Schnitt ist nicht mehr möglich.

Es ist bekannt, daß mit kapazitiven Meßmethoden Ab­ stände zu Werkstücken gemessen und über einen ge­ schlossenen Regelkreis die Halterung des Schneid­ brenners auf konstanter Höhe über der Werkstückober­ fläche gehalten wird (DE 26 41 851 A1, DD 2 25 651 A1).

Bei der kapazitiven Abstandsmessung werden Abtastele­ mente in der Nähe der Brennerdüse eingesetzt, die in Ring-, Hufeisen- oder Plättchenform ausgebildet sind oder bei der die Düse selbst Abtastelement ist. Da sie im heißen bzw. Spritzerbereich des Schneidstrahles ange­ ordnet sind, weisen sie nur eine geringe Standzeit auf und müssen in regelmäßigen Abständen ausgetauscht werden.

Bei bekannten Vorrichtungen mit Oszillatorkreis und frequenzbestimmender Kapazität mit nachgeschalteter PLL-Schaltung oder ähnlichem sind LC-Kombinationen in der Nähe der Abtastelemente notwendig. Dies bedingt in der Praxis eine Anordnung von Elektronik im warmen Bereich des Trennprozesses und eine große Teilevielfalt bei unterschiedlichen Maschinen und Brennerkonstruk­ tionen. Außerdem treten infolge von den verwendeten Hochspannungszündsystemen hohe Feldstärken und große elektromagnetische Störungen auf. Die Störkonturen am Brenner werden vergrößert. Damit ermöglichen die be­ kannten Vorrichtungen zwar mit den verschiedensten Systemen die erforderlichen Funktionen, doch ist der Aufwand dafür mechanisch, elektrisch bzw. elektronisch groß. Individuelle mechanische und elektrische Kon­ struktionselemente der thermischen Bearbeitungsmaschi­ ne, wie Größe des Brennerwagens, Art, Größe und Form des Schneidbrenners, Typ der Düsen und Düsenkappen, Art des Gases, Markierwerkzeuge, Brennerhalter, Abstand zu Nachbarbrennern bei Einzelbrennerhöhenverstellungen als auch bei Mehrbrenneraggregaten, zusätzliche Anbauten in Brennernähe und praxistypische Prozeßsschwankungen sowohl bei Lichtbogen als auch bei Autogen- und Laser­ verfahren sowie die verwendeten Kabellängen, deren Kapazität und Steckverbindungen im Meßkreis und Über­ gangswiderstände, z. B. an Schleifringen bei unendlich drehbaren Aggregaten, führen zu veränderlichen Parasi­ tärkapazitäten, die in die Abstandsmessung mit eingehen.

Ferner ist bekannt, daß thermische Einflüsse auf bren­ nernahe Elektronikkomponenten als auch auf die Kapazi­ tät von Kabeln und Steckverbindungen wirken und beson­ ders bei frequenzgestützten Vorrichtungen zu Driften während des Betriebes führen. Der Dynamikbereich sol­ cher Vorrichtungen beträgt derzeit nur wenige Milli­ meter Abstand Düse-Blech (Werkstück) und erfordert eine aufwendige und präzise Justage der Abtastelemente.

Bekannt ist ferner die Methode, mit dem Werkstück als Sender zu arbeiten und einer Empfangselektrode mit potentialfreier Auswertelektronik und entkoppelter Ver­ sorgungsspannung und entkoppeltem Ausgangsspannungssig­ nal. Bei letzterem werden zur Reduzierung von rich­ tungsabhängigen Signalveränderungen infolge von Rand­ effekten und Schnittfugen Anschlußblöcke für die Sen­ sorelemente verwendet mit koaxialer Ausbildung der Hal­ tevorrichtung.

Neben den physikalisch festliegenden unterschiedlichen Signalstabilitäten und Störspannungsabständen der ver­ schiedenen Meßmethoden ermöglicht der Stand der Technik zwar mit den verschiedenen Systemen die erforderlichen Funktionen zu realisieren, jedoch führen die Beeinflus­ sungen durch das Auftreten von Plasmen und damit ande­ rer Leitfähigkeiten und parasitärer Kapazitäten im Be­ reich der Anordnung der Sensorelemente bzw. der Meß­ elektroden zu aufwendigen nachgeschalteten elektro­ nischen Korrekturmaßnahmen des Abstandssignals. Die eigentliche Meßstrecke zwischen Sensorabtastelementen und Werkstück wird beeinflußt. Die Autogenflamme, der Plasmalichtbogen bzw. der Laserstrahl usw. beeinflussen und verfälschen dabei die Meßwerte von kapazitiven Ab­ tastsystemen je nach Verfahren und Prozeßzustand.

Dies hat zur Folge, daß zwischen den erreichbaren Posi­ tionen der Werkzeuge zum Blech mit und ohne Plasma gro­ ße Unterschiede bestehen. Der Effekt ist für den Schneidprozeß und aber auch für eine Maschinenautoma­ tisierung nachteilig.

In den meisten Fällen muß in einzelnen Schneidprozeß­ phasen eine für die Schnittqualität schädliche falsche Abstandsmessung und damit eine falsche Höhe der Düse über dem Blech als Kompromiß akzeptiert werden. Um Schnittabrisse infolge Rückzündungen, beispielsweise bei Autogenverfahren zu vermeiden, müssen während des Schneidbetriebes oft zu große Abstände gefahren werden mit der Folge von sinkender Schnittqualität und gerin­ geren Prozeßwirkungsgrades bzw. geringerer Schneidge­ schwindigkeit. Umgekehrt kann bei zu großen Abständen eine zu geringe Leistungsdichte den Trennprozeß unter­ brechen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden und ohne techni­ schen Mehraufwand die Störeffekte von unterschiedlichen Plasmen auf kapazitive Abstandsmethoden weitestgehend zu vermeiden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Werkzeug als eines der Sensierelemente das gleiche Bezugspotential hat wie der frequenzerzeugende Genera­ tor des Sensors.

Durch die Erfindung werden vorteilhaft die Störeffekte von unterschiedlichen Plasmen wie sie zwischen Flamme und Sensorring und/oder Werkzeug und/oder Düse, bzw. Düsenkappe entstehen auf die kapazitiven Abstandssysteme einer Brennschneidmaschine verringert, weil die Werkzeu­ ge beispielsweise Schneidbrenner, auf dem gleichen Be­ zugspotential liegen wie der frequenzerzeugende Genera­ tor der Sensoren. Durch diese Maßnahme wird sicherge­ stellt, daß sich beim Sensorabgleich in Arbeitshöhe der Brennerdüse über dem zu bearbeitenden Blech eine sich einstellende bestimmte parasitäre Kapazität mit abge­ glichen wird und dadurch keinen Einfluß auf das Sensor­ signal ausüben kann. Ist das Werkzeug wie der Brenner bzw. die Düse bzw. die Düsenkappe auf Maschinenmasse bezogen, wird bei Zündung der Flamme, des Lichtbogens bzw. durch die sich einstellende Ionisation und Plasma­ wolke beim Laserschneiden ein ohmscher Widerstand zwi­ schen Werkstück und Brenner bzw. Düse bzw. Düsenkappe hergestellt. Dieser Widerstand bewirkt eine scheinbare Vergrößerung der Werkstückmasse zum Sensierelement hin. Da im Falle Werkzeug auf Maschinenmasse die Meßkapazi­ tät C1 auf Nennarbeitsabstand Düse-Werkstück fest abge­ glichen ist, gehen die oben beschriebenen Verhältnisse als scheinbare Annäherung des Sensorringes zum Werk­ stück ein. C3 bildet sich parallel zu C1 aus und ver­ größert die Gesamtkapazität. Deshalb fährt im geschlos­ senen Regelkreis der Brenner nach oben. Im Falle von Werkzeug auf potentialfreiem Elektronik-Null bildet sich ebenfalls der plasmabedingte Widerstand R1 aus. Die Kapazität addiert sich nur anteilig zu C1, so daß keine oder nur geringe Abstandsänderung im geschlosse­ nen Regelkreis bei vorhandenem Plasma auftritt.

Vorteilhaft wird durch die Merkmale des Anspruches 4 eine hohe Unempfindlichkeit gegen elektrische Störein­ flüsse und temperaturabhängige Umgebungseinflüsse er­ reicht, wobei mit der Vorrichtung in beliebige Rich­ tungen geschnitten werden kann, weil durch die Ausbil­ dung des Werkstückes als Sender dem symmetrisch/kon­ zentrisch um den Brenner angeordneten Empfänger eine Richtungsunabhängigkeit erreicht wird. Hinzu kommt, daß im temperaturbelasteten Bereich zwischen Sender und Em­ pfänger keine separaten Sendeelektroden angeordnet wer­ den müssen. Dies reduziert den mechanisch konstruktiven Aufwand erheblich.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeich­ nung dargestellt und wird im folgenden näher beschrie­ ben.

Es zeigen

Fig. 1 die Anordnung der Verfahrens­ komponenten,

Fig. 2 eine Gegenüberstellung einer 2-Elektroden-Anordnung mit Parasitärkapazitäten beim Stand der Technik und der Erfindung,

Fig. 3 Abstandsschwankungen während der Prozeßphasen am Beispiel Autogen­ verfahren mit Acetylen-Sauerstoff- Plasma mit/ohne Brenner-Elektro­ nik-Null (qualitativ).

In Fig. 1 ist ein Brenner 2 schematisch dargestellt, der mittels eines Werkzeughalters 3 an der thermischen Be­ arbeitungsmaschine befestigt ist. An dem Brenner 2 ist über einen Sensorhalter 6 ein Sensorring 4 befestigt. Der Sensorring 4 umgibt die Brennerdüse 7 konzentrisch. Unterhalb von Brennerdüse 7 und Sensorring 4 ist das Werkstück angeordnet. Der Sensorring 4 ist über eine Auswerteeinheit 8 mit einem Trennverstärker 9 verbun­ den. Das als Sender ausgebildete Werkstück 5 ist mit einem Generator 1 verbunden, der über eine potentialge­ trennte Spannungsversorgung 10 an das Versorgungsnetz angeschlossen ist.

Der feste Bezugspunkt des Generators 1 als potential­ freies Elektronik-Null-Potential der Sensorelektronik 11 ist auf das mit Werkzeughalter 3 isoliert gehaltene Werkzeug 2 gelegt, wobei sich beim Sensorabgleich in Arbeitshöhe der Brennerdüse 7 über dem zu bearbeitenden Blech eine bestimmte parasitäre Kapazität einstellt zwischen Sensorring 4 und Werkzeug 2 und mit abgegli­ chen wird. Dieser Abgleich erfolgt ohne Flamme bzw. ohne Plasmen. Die von der Flamme bzw. von den Plasmen in ihrer unterschiedlichen Ausbildung erzeugten parasitären Kapazitäten beeinflussen diese nur unwesentlich und gehen daher in das Abstandssignal nicht ein. Die eigentliche Meßstrecke von Sensorring 4 zu Werkstück 5 wird durch die Änderung der parasitären Kapazität vom Sensorring 4 zum Werkzeug 2 nicht beeinflußt.

In Fig. 2 sind die plasmabedingten Störeffekte auf kapa­ zitive Abtastsysteme dargestellt, wobei auf der linken Bildseite das Werkzeug 2 auf Maschinenmasse und auf der rechten Bildseite das Werkzeug 2 gemäß der Erfindung auf potentialfreiem Elektronik-Null gelegt ist. Wie aus der Zeichnung hervorgeht, bleiben die parasitären Kapa­ zitäten C2 zwischen Flamme und Werkzeug 2 und C21 zwischen Flamme und Sensorring bestehen. Während sich die parasitäre Kapazität C3 zwischen Sensorring 4 und Werkzeug 2 beim Sensorabgleich im linken Bild nicht mit abgeglichen wird, sondern sich zu C1 addiert, läßt sich rechts erkennen, daß C3 sich immer auf das Werk­ zeug 2 bezieht und sich somit nicht zu C1 addieren kann.

In Fig. 3 ist schematisch der Signalverlauf des von der Sensorelektronik 11 generierten Abstandssignals darge­ stellt. Die strichelierte Linie zeigt den Verlauf der entsteht, wenn das Werkzeug 2 an Maschinenmasse und die durchgezogene Linie den Verlauf, wenn das Werkzeug 2 entsprechend der Erfindung an potentialfreiem Elektro­ nik-Null gelegt ist. Die ermittelten Abstandsschwankun­ gen während der Prozeßphasen am Beispiel eines Auto­ genschneidverfahrens mit Acetylen-Sauerstoff-Plasma, zeigen eine geringere Abweichung bei vorgewählter Ar­ beitshöhe Null bei der Ersthöhenfindung sowie während des Schneidverlaufes.

Claims (4)

1. Verfahren zur Minimierung von plasmabedingten Stör­ effekten auf kapazitive Abtastsysteme mit potential­ getrennter Anordnung und potentialgetrennter Span­ nungsversorgung bei thermischen Bearbeitungsmaschi­ nen, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkzeug (2) als eines der Sensierelemente das gleiche Bezugspotential hat wie der frequenzer­ zeugende Generator (1) des Sensors (4).

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkzeug (2) ein Brenner oder eine Düse (7) ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Brenner (2) oder Teile des Brenners gegen­ über der thermischen Bearbeitungsmaschine isoliert sind.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück (5) an einen Wechselspannungsge­ nerator (1) angeschlossen und mit einem Wechsel­ spannungssignal beaufschlagt wird, wodurch es als Sender wirkt und dem Werkstück (5) gegenüberliegend der als Empfänger (4) ausgebildete Sensor angeordnet ist, der mit einer Auswerteeinheit (8) verbunden ist, die Feldveränderungen erfaßt.