HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Die Erfindung betrifft ein Netzteil, das zur Bogenschweißbearbeitung verwendet wird.
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Die Ausgangseistung herkömmlicher Bogenschweißgeräte wird über die Auswahl eines
Ausgabewertes in einem festgelegten Leistungsbereich gemäß einer vorgegebenen Funktionsregel
eines Differenzverstärkers oder dergleichen, der eine Rückkopplung des Bogenzustandes
empfängt, gesteuert. Die Schweißausgabeleistung wird auch über die Erfassung eines
Überganges vom Bogenzustand zum Kurzschlußzustand und umgekehrt und das Schalten der
ausgegebenen Wellenform gemäß dem Ergebnis der Erfassung gesteuert.
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Als typisches Beispiel einer Bogenschweißbearbeitung mit einer Abbrandelektrode wird
die CO&sub2;-Schweißbearbeitung im einzelnen erläutert. Bei dieser Schweißbearbeitung ist die
Abstandslänge normalerweise auf 10 bis 20 mm eingestellt. Beim Schweißen einer Struktur mit
einer komplexen Form oder einer großen Struktur, die enge und tiefe Abschnitte aufweist, kann
die Spitze des Schweißgerätes in einigen Fällen jedoch nicht zur Schweißposition gelangen. In
diesen Fällen ist es unvermeidbar, die Schweißbearbeitung im Zustand einer Abstandslänge von
bis zu 50 mm auszuführen und der Betrieb kann in Abhängigkeit vom Können des Schweißers
Schwierigkeiten bei der Aufrechterhaltung einer konstanten Abstandslänge mit sich bringen.
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Im Zustand einer größeren Abstandslänge wird der Bogen unstabil, was
Unzulänglichkeiten der Schweißraupe mit sich bringt, was wiederum eine schadhafte Verbindung
in diesem Bereich zum Ergebnis hat, oder dadurch wird eine ungleichmäßige Schweißraupenbreite
oder eine zu geringe mittlere Schweißraupenbreite hervorgerufen oder es wird dadurch ein
unzureichendes Schmelzen hervorgerufen.
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Zur Verhinderung der nachteilhaften Folge für das Schweißergebnis und die
Betriebsbedingungen wird die Schweißbearbeitung mit einer größeren Abstandslänge mit einer
verglichen zu den üblichen Betriebsbedingungen höher eingestellten Schweißspannung
ausgeführt. Wenn die Abstandslänge kurz ist, während die Schweißausgangsspannung auf einen
höheren Wert eingestellt ist, kann eine Störung, wie etwa ein durch Schmelzen hervorgerufenes
Haften des Drahtes an der Elektrode ausgelöst werden und daher ist es notwendig, die
Ausgangsspannung jedesmal neu einzustellen, wenn sich die Abstandslänge ändert.
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Die vorstehend angegebene Schweißleistungssteuerung auf Grundlage der Auswahl eines
ausgegebenen Wertes in einem festgelegten Leistungsbereich gemäß der vorgegebenen
Funktionsregel, ansprechend auf den rückgekoppelten Bogenzustand, bei der das ausgewählte
Ausgangssignal in einer Eins-zu-Eins-Beziehung zum rückgekoppelten Signal steht, führt jedoch
nicht notwendigerweise zur Auswahl des optimalen Ausgangssignals zum Stabilisieren des
unmittelbaren Bogenzustands und das ist eine Ursache für eine Instabilität bei der Bogenbildung.
Zusätzlich kann die Leistungsausgabe nicht unmittelbar auf eine Änderung des Bogenzustandes
ansprechen, wenn die Steuerschleifenverstärkung auf einen zu geringen Wert eingestellt ist, oder
die Ausgangsleistung wird übersteuert, wenn die Schleifenverstärkung zu groß ist, wodurch der
Bogen noch unstabiler wird.
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Darüber hinaus unterliegt die Schweißleistungssteuerung auf Grundlage der Umschaltung
der ausgegebenen Wellenform über eine Erfassung des Überganges zwischen dem Zustand einer
Bogenbildung und dem Zustand eines Kurzschlusses unter der vorstehend angegebenen
Rückkopplungssteuerung einer Verzögerung bei der Wellenformumschaltung, was eine zur
Aufrechterhaltung des optimalen Bogens ungeeignete Ausgabe zum Ergebnis hat, wodurch die
Störung der ausgegebenen Leistung verursacht wird. Weil die Anfangsphase eines Kurzschlusses
nicht vorhergesagt werden kann, kann das Auftreten eines Kurzschlusses in einem kleinen
Maßstab nicht zu einem positiven Kurzschlußzustand überführt werden und dadurch wird das
Auftreten einer Zerstäubung und eines unregelmäßigen Überganges zum Kurzschlußzustand
aufgrund einer sich ändernden Übergangsdauer veranlaßt, was ein schlechtes Erscheinungsbild
der Schweißraupen zum Ergebnis hat.
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Bei der halbautomatischen Schweißbearbeitung muß der Betrieb, wie vorstehend
erwähnt, für die Ausgabeeinsteung jedesmal unterbrochen werden, wenn sich die
Abstandslänge ändert, was die Schweißbearbeitung unzweckmäßig und uneffizient macht und
auch die Schweißqualität nachteilhaft beeinflußt. Es ist sehr schwierig, von außen die
tatsächliche Abstandslänge beim Schweißen zu messen oder die Abstandslänge für den
anschließenden Schweißbetrieb und daher muß die Schweißleistung auf einer Versuch-Irrtum-
Basis eingestellt werden, was zu erhöhten Problemen für die Bearbeitungseffizienz und die von
einer ungeeigneten Einstellung hervorgerufene Verschlechterung der Schweißqualität führt.
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Die EP-O 300 367 A2 offenbart ein Bogenschweißgerät mit einer Einrichtung zum
automatischen Steuern des Schweißstroms der Zuführgeschwindigkeit des Schweißdrahtes und
der Schweißspannung auf Grundlage entsprechender mit einer Berechnung bestimmter Zielwerte.
Die Berechnung wird arithmetisch, d.h. auf Grundlage entsprechender Gleichungen ausgeführt.
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Aus "c't Magazin für Computertechnik, März 1991, Seiten 188 - 206, C. von Altrock,
"Über den Daumen gepeilt, fuzzy logic: scharfe Theorie der unscharfen Mengen" ist entnehmbar,
daß das Prinzip der fuzzy logic in verschiedenen technischen Gebieten eingesetzt werden kann,
insbesondere in einem Fall, in dem viele Steuerwerte und Meßwerte zu beachten sind.
KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Die Erfindung zielt auf die Überwindung der Unzulänglichkeiten im vorstehend
angegebenen Stand der Technik ab und ihre Hauptaufgabe besteht in der Bereitstellung eines
Bogenschweißgerätes, das eine optimale Ausgangseistung unter Verwendung einer Mehrzahl
von Rückkopplungssignalen über eine Schlußfolgerung auf Grundlage der Fuzzy-Theorie erzeugt.
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Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung eines
Bogenschweißgerätes, mit dem die optimale Ausgangsleistung über die Messung der Dauer des
Übergangs zwischen dem Zustand einer Bogenbildung und dem Zustand eines Kurzschlusses auf
Grundlage von Rückkopplungssignalen und der Vorhersage des nächsten Zustandsübergangs
mittels einer Schlußfolgerung auf Grundlage der Fuzzy-Theorie erzeugt wird.
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Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung eines
Bogenschweißgerätes, mit dem die Abstandslänge automatisch während des Schweißbetriebs
berechnet und die Leistungseinstellung automatisch auf Grundlage des Berechnungsergebnisses
ausgeführt wird, um dadurch die Effizienz der Schweißbearbeitung und die Schweißqualität zu
verbessern.
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Das erfindungsgemäße Netzteil für die Bogenschweißbearbeitung umfaßt eine
Ausgabesteuereinrichtung, mit der eine Bogenausgabe gemäß dem ausgegebenen Steuersignal
erzeugt wird, eine Ausgabeerfassungseinrichtung, mit der der Zustand einer Bogenausgabe
gemessen und den Bogenzustand bezeichnende Rückkopplungssignale erzeugt werden, und eine
Fuzzy-Schlußfolgerungs-Steuereinrichtung, die die Rückkopplungssignale empfängt, eine zur
Erzeugung des optimalen Bogenzustandes erforderliche Schweißstromwellenform und
Schweißspannungswellenform auf Grundlage der Fuzzy-Theorie erzeugt und die resultierenden
Wellenformen als Ausgabesteuersignal an die Ausgabesteuereinrichtung abgibt.
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Genauer gesagt enthält die Ausgabeerfassungseinrichtung eine Signalwandlereinrichtung,
die das ausgegebene die Bogenspannung angebende Bogenspannungssignal und das
ausgegebene den Bogenstrom angebende Bogenstromsignal empfängt und ein ausgegebenes
Bogenspannungswertsignal sowie ein ausgegebenes Bogenstromwertsignal erzeugt, und eine
Einrichtung zum Zählen der Kurzschlußvorfälle, die das ausgegebene Bogenspannungssignal
empfängt, die Anzahl der Vorfälle eines Kontaktes zwischen dem Schweißdraht, welcher eine
Abbrandelektrode ist, und dem Schweißgegenstand in einem bestimmten Zeitintervall zählt und
ein Zählsignal für die Kurzschlußvorfälle erzeugt. Die Fuzzy-Schlußfolgerungs-Steuereinrichtung
enthält eine Basisleistungsvorgabeeinrichtung, die aus einem Datenbankspeicher selektiv eine
Basisausgabestromwellenform und eine Basisausgabespannungswellenform ausliest und die
Wellenformen als Basisausgabesignal abgibt, und eine Fuzzy-Schlußfolgerungseinrichtung, die die
Basisausgabesignale, das ausgegebene Bogenspannungswertsignal, das ausgegebene
Bogenstromwertsignal sowie das Zählsignal für die Kurzschlußvorfälle empfängt, die
Schlußfolgerung gemäß vorgegebenen Regeln auf Grundlage der Fuzzy-Theorie erstellt und ein
Ausgabesteuersignal erzeugt, mit dem die Schweißausgabestromwellenform und
-spannungswellenform erhalten wird, welche zum Erhalt des optimalen Bogenzustandes benötigt werden.
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Die Ausgabeerfassungseinrichtung enthält eine Stromerfassungseinrichtung, mit der der
Ausgabestrom gemessen und ein Stromwertsignal erzeugt wird, eine
Spannungserfassungseinrichtung, mit der die Ausgabespannung gemessen und ein
Spannungswertsignal erzeugt wird, sowie eine Einrichtung zum Messen der
Kurzschluß/Bogenbildungsdauer, die das Spannungswertsignal empfängt, zum Messen der
Zeitdauer zwischen dem Beginn eines vorherigen Kurzschlusses und einer Bogenerzeugung und
der Zeitdauer zwischen der Bogenerzeugung bis zu einem Kurzschluß und erzeugt ein Signal für
die Kurzschluß/Bogenbildungsdauer. Die Fuzzy-Schlußfolgerungs-Steuereinrichtung enthält eine
Fuzzy-Schlußfolgerungseinrichtung, die das Stromwertsignal, das Spannungswertsignal und das
Signal für die Kurzschluß/Bogenbildungsdauer empfängt, die Fuzzy-Schlußfolgerung auf
Grundlage vorgegebener Regeln zur Vorhersage der Zeitdauer zwischen dem Übergang zwischen
der vorhergehenden Bogenbildung und dem vorhergehenden Kurzschluß und dem Übergang
zwischen dem nächsten Kurzschluß und der nächsten Bogenbildung oder der Zeitdauer zwischen
dem Übergang zwischen dem vorhergehenden Kurzschluß und der vorhergehenden
Bogenbildung und dem Übergang zwischen der nächsten Bogenbildung und dem nächsten
Kurzschluß ausführt, und ein Schlußfolgerungssignal erzeugt, sowie eine
Wellenformsteuereinrichtung, mit der das Schlußfolgerungssignal empfangen und Signale für
Ausgabewellenformen zum Erhalt des optimalen Bogenzustands erzeugt werden.
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Die Ausgabeerfassungseinrichtung enthält eine Stromerfassungseinrichtung, mit der der
Schweißstrom erfaßt wird, eine Stromwertberechnungseinrichtung, die die Ausgabe der
Stromerfassungseinrichtung empfängt und den Mittelwert sowie den effektiven Wert des
ausgegebenen Stroms berechnet, und eine Drahtzuführgeschwindigkeiterfassungseinrichtung, mit
der die Zuführgeschwindigkeit des in Form einer Abbrandelektrode vorliegenden Drahtes erfaßt
wird. Die Fuzzy-Schlußfolgerungs-Steuereinrichtung enthält eine
Abstandslängenberechnungseinrichtung, mit der der Abstand zwischen dem Schweißgegenstand
und der Elektrode auf Grundlage des von der Stromwertberechnungseinrichtung gelieferten
Berechnungsergebnisses und des von der Zuführgeschwindigkeitserfassungseinrichtung
gelieferten Erfassungsergebnisses berechnet wird, eine Fuzzy-Schlußfolgerungseinrichtung, die
das von der Abstandslängenberechnungseinrichtung gelieferte Berechnungsergebnis als
Eingangsvariable empfängt und den Ausgabevorgabewert gemäß der vorgegebenen Regel auf
Grundlage der Fuzzy-Schlußfolgerung ermittelt, und eine Ausgabevorgabeeinrichtung, mit der
ansprechend auf den ausgegebenen Vorgabewert der optimale Ausgabewert aus dem
Datenbasisspeicher ausgelesen und die Schweißausgabe eingestellt wird.
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Erfindungsgemäß arbeitet das Schweißgerät mit der Schlußfolgerung auf Grundlage der
Fuzzy-Theorie, ansprechend auf Referenzsignale und den Zustand des Bogens angebende
Rückkopplungssignale, wodurch die Ausgabewellenform zum Erhalt eines optimalen
Bogenzustandes gesteuert werden kann.
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Erfindungsgemäß arbeitet das Schweißgerät mit der Schlußfolgerung auf Grundlage der
Fuzzy-Theorie, ansprechend auf die Dauer eines Überganges zwischen einem Kurzschluß und
einer Bogenbildung, die aus den Rückkopplungssignalen ermittelt wird, sowie ansprechend auf
den gemessenen Strom- und Spannungswert, um dadurch den nächsten Übergang zwischen
einem Kurzschluß und einer Bogenbildung vorherzusagen, wodurch die Ausgabewellenform zum
Erhalt des optimalen Bogenzustandes gesteuert werden kann.
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Erfindungsgemäß kann das Schweißgerät die Abstandslänge während des
Schweißbetriebs aus dem Mittelwert und dem effektiven Wert eines Ausgabestroms und der
Drahtzuführgeschwindigkeit berechnen, um so die Ausgabebedingungen sofort und automatisch
auf Grundlage des Berechnungsergebnisses einzustellen, wodurch die Effizienz der
Schweißbearbeitung und die Schweißqualität verbessert werden kann.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Fig. 1 ist ein die erste Ausführungsform der Erfindung darstellendes Blockdiagramm.
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Fig. 2 ist ein die zweite Ausführungsform der Erfindung darstellendes Blockdiagramm.
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Fig. 3 ist ein Diagramm zum Erläutern der Membership-Funktion der zweiten
Ausführungsform der Erfindung.
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Fig. 4 ist ein die dritte Ausführungsform der Erfindung darstellendes Blockdiagramm.
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Fig. 5A und 5B bilden einen zum Erläutern des Betriebs der Fuzzy-
Schlußfolgerungseinrichtung der dritten Ausführungsform der Erfindung benutzten
Diagrammsatz.
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Fig. 6A und 6B bilden einen das Spannungssignal und das Stromsignal der dritten
Ausführungsform der Erfindung darstellenden Wellenformdiagrammsatz.
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Fig. 7 ist ein Diagramm zum Erläutern der Membership-Funktion der dritten
Ausführungsform der Erfindung.
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Fig. 8 ist ein die vierte Ausführungsform der Erfindung darstellendes Blockdiagramm.
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Fig. 9 ist ein Diagramm zum Erläutern der Membership-Funktion der vierten
Ausführungsform der Erfindung.
BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Die erste Ausführungsform der Erfindung wird unter Bezugnahme auf die Zeichnung
erläutert. In dem Blockdiagramm nach Figur 1 bezeichnet das Bezugszeichen 1 eine Fuzzy-
Schlußfolgerungs-Steuerschaltung, 2 eine Ausgabesteuerschaltung und 3 eine
Ausgabeerfassungsschaltung. Mit FBS ist ein von der Ausgabeerfassungsschaltung 3 erzeugtes
und an die Fuzzy-Schlußfolgerungs-Steuerschaltung 1 angelegtes, den Zustand des Bogens
angebendes Rückkopplungssignal bezeichnet und CS ist ein von der Fuzzy-Schlußfolgerungs-
Steuerschaltung 1 erzeugtes und an die Ausgabesteuerschaltung 2 angelegtes
Ausgabesteuersignal.
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Die Ausgabeerfassungsschaltung 3 mißt den von der Ausgabesteuerschaltung 2, d.h.
dem Betätigungselement des Schweißgerätes gesteuerten vorliegenden Bogenzustand und
erzeugt ein Rückkopplungssignal FBS für den Bogenzustand. Die Fuzzy-Schlußfolgerungs-
Steuerschaltung 1 empfängt das Rückkopplungssignal FBS für den Bogenzustand, führt die
Fuzzy-Schlußfolgerung zum Erzeugen der Ausgabewellenform zum Erhalt des optimalen
Bogenzustandes auf Grundlage der vorgegebenen Membership-Funktion aus und gibt das
resultierende Ausgabesteuersignal CS ab. Die Ausgabesteuerschaltung 2 führt die
Bogensteuerung gemäß dem Ausgabesteuersignal CS aus.
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Die zweite Ausführungsform der Erfindung wird unter Bezugnahme auf die Zeichnung
erläutert.
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In Figur 2 enthält die Fuzzy-Schlußfolgerungs-Steuerschaltung 1 eine Fuzzy-
Schlußfolgerungsschaltung 11 und eine Basisausgabevorgabeschaltung 12 und die
Ausgabeerfassungsschaltung 3 enthält eine Schaltung 31 zum Zählen der Kurzschlußvorfälle und
eine Signalwandlerschaltung 32.
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Die Signalwanderschaltung 32 empfängt den Bogenstromwert und den
Bogenspannungswert, welche den vorliegenden Betriebszustand des Schweißgerätes darstellen,
als ausgegebenes Bogenstromsignal Ao und ausgegebenes Bogenspannungssignal Vo und gibt
ein Ausgabebogenstromsignal AS und ein Ausgabebogenspannungssignal VS ab.
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Die Schaltung 31 zum Zählen von Kurzschlußvorfällen überwacht das ausgegebene
Bogenspannungssignal Vo und bestimmt das Auftreten eines Kurzschlusses des Drahtes durch
Erfassen des Abfalls der Spannung unter einen bestimmten Wert und zählt die Anzahl der
Kurzschlußvorfälle in einem bestimmten Zeitintervall zur Erzeugung eines
Kurzschlußvorfallzählsignals SS.
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Die Basisausgabevorgabeschaltung 12 liest aus dem Datenbankspeicher selektiv eine
Basisschweißausgabe-Stromwellenform und -Spannungswellenform aus, für die von außen
angegebenen Schweißausgabestrom- und -spannungsvorgabewerte und gibt ein resultierendes
Basisausgabesignal KS ab.
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Die Fuzzy-Schlußfolgerungsschaltung 11 empfängt das Basisausgabesignal KS, das
Kurzschlußvorfallzählsignal SS, das Ausgabebogenstromwertsignal AS und das
Ausgabebogenspannungswertsignal VS, beaufschlagt die Signale SS, AS und VS mit Wichtungen
in Form einer Membership-Funktion, führt die Fuzzy-Schlußfolgerung auf Grundlage der
vorgegebenen Regel aus, stellt das Basisausgabesignal KS gemäß dem Schlußfolgerungsergebnis
fein ein und gibt ein Ausgabesteuersignal CS zum Steuern der Ausgabewerte zum Erhalt des
optimalen Bogenzustands ab.
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Figur 3 ist eine die Membership-Funktion für das Kurzschlußvorfallzählsignal SS, das
Ausgabebogenstromwertsignal AS und das Ausgabebogenspannungswertsignal VS zeigende
graphische Darstellung und nachfolgend sind Ausdrücke für die Membership-Funktion angegeben.
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Membership-Funktion für die Fuzzy-Variable NB (X: Eingangsvariable)
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Membership- Funktion für die Fuzzy-Variablen NS, ZO und PS (n = 2, 3, 4)
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µA(X) = max (0, 1- X-bn /(bn+1 - bn))
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Membership-Funktion für die Fuzzy-Variable PB
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Die Fuzzy-Schlußfolgerungsregeln werden vorab auf Grundlage der Erfahrung eines
versierten Schweißers errichtet und jede Regel besitzt die IF-THEN-Form für drei Eingaben und
eine Ausgabe der folgenden Art:
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If AS=NS and VS=ZO and SS=PS then C1S=A1
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If AS=ZO and VS=ZO and SS=PS then C2S=A2
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If AS=NB and VS=ZO and SS=PS then C3S=A3
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If AS=NS and VS=NS and SS=ZO then C4S=A4
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If AS=ZO and VS=NS and SS=ZO then C5S=A5
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If AS=NB and VS=NS and SS=ZO then C6S=A6
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... ... ...
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If ... and ... and ... then CnS=An
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Der in dieser Ausführungsform gewählte Fuzzy-Schlußfolgerungsprozeß ist die
vereinfachte Fuzzy-Schlußfolgerung, die üblicherweise in Heimanwendungen und dergleichen
verwendet wird und sie arbeitet wie folgt. Unter den konstanten Werten AI bis An im THEN-
Bereich werden diejenigen mit vorliegenden Membership-Werten (jeder Wert, der größer ist als
Null) des Kurzschlußvorfallzählsignals SS, des Ausgabebogenstromwertsignals AS und des
Ausgabebogenspannungswertsignals VS als CnS-Werte abgenommen, ihr Zentroid, d.h., ihr
Mittelwert, wird als Ausgabe der Fuzzy-Schlußfolgerungsschaltung 11 ermittelt und das
Basisausgabesignal KS wird auf Grundlage davon zur Erzeugung des Ausgabesteuersignals cS
eingestellt. Demgemäß ist es nicht notwendig, die Membership-Werte für einzelne
Eingangssignale zu berechnen, und anstelle dessen sind alle CnS-Werte für mögliche
Eingangssignalwerte als Tabelle vorbereitet und das Ausgabesteuersignal CS wird aus den aus
dieser Tabelle ausgelesenen CnS-Werten berechnet.
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Die Fuzzy-Schlußfolgerungsschaltung 11 und die Basisausgabevorgabeschaltung 1 2
können einfach mit einem Mikroprozessor oder dergleichen realisiert werden und die
Kurzschlußvorfallzählschaltung 11 kann einfach mit einem Komparator, einem Zähler usw.
realisiert werden, die als integrierte Schaltungen ausgebildet sind.
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Wenngleich bei der Fuzzy-Schlußfolgerungsschaltung 11 dieser Ausführungsform die
vereinfachte Fuzzy-Schlußfolgerung auf Grundlage der Tabelle zum Abgeben der Ausgabe des
THEN-Bereichs der Regel gewählt ist, kann die Schaltung auch die formale Fuzzy-Schlußfolgerung
verwenden, bei der sowohl der IF-Bereich als auch der THEN-Bereich in Form einer Membership-
Funktion gehandhabt werden.
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Die dritte Ausführungsform der Erfindung wird unter Bezugnahme auf die Zeichnung
erläutert.
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In dem Blockdiagramm nach Figur 4 bezeichnet das Bezugszeichen 10 eine Fuzzy-
Schlußfolgerungsschaltung, 20 eine Wellenformsteuerschaltung, 30 eine Schaltung zum Messen
der Kurzschluß/Bogenbildungsdauer, 40 eine Spannungserfassungsschaltung, 50 eine
Stromerfassungsschaltung, 60 eine Treibersteuerschaltung, 70 ein Ausgabetreiberelement, 80
einen Eingangsanschluß, 90 einen primären Gleichrichter, 100 einen Kondensator, 110 einen
Haupttransformator, 120 einen sekundären Gleichrichter, 130 eine Reaktanz, 140 einen
Stromtransformator, 150a und 150b Ausgabeanschüsse, 160 ein Stromkontaktstück, 170 einen
Schweißdraht und 180 einen Schweißgegenstand.
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Als nächstes werden die Bauelemente im einzelnen erläutert.
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Die Stromerfassungsschaltung mißt den ausgegebenen Bogenstrom unter Verwendung
des Stromtransformators 140 und erzeugt ein aus einem momentanen Anteil und einem mittleren
Anteil bestehendes Stromwertsignal AS. Die Spannungserfassungeinrichtung 40 mißt die
ausgegebene Bogenspannung zwischen den Ausgangsanschüssen 150a und 150b und erzeugt
ein aus einem aktuellen Anteil und einem mittleren Anteil bestehendes Spannungswertsignal VS.
Die Schaltung 30 zum Messen der Kurzschluß/Bogenbildungsdauer empfängt das von der
Spannungserfassungsschaltung 40 gelieferte Spannungswertsignal VS, bestimmt den
Kurzschlußzustand oder den Bogengebungszustand zwischen dem Schweißdraht 170 und dem
Schweißgegenstand 180 aufgrund des aktuellen Anteils des Signals, mißt die Zeitdauer zwischen
dem Beginn des Kurzschlusses und der Bogenbildung sowie die Zeitdauer zwischen der
Bogenbildung und dem Beginn des Kurzschlusses und gibt ein resultierendes Signal FS für die
Kurzschluß/Bogenbildungsdauer ab.
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Die Fuzzy-Schlußfolgerungsschaltung 10 empfängt das Stromwertsignal AS, das
Spannungswertsignal VS und das Signal FS für die Kurzschluß/Bogenbildungsdauer, um daraus
den aktuellen Anteil und den mittleren Anteil des Stromwertsignals AS, den mittleren Anteil des
Spannungswertsignals VS, die Zeitdauer zwischen dem Beginn eines Kurzschlusses und der
Bogenbildung sowie die Zeitdauer zwischen der Bogenbildung und dem Beginn eines
Kurzschlusses als Schlußfolgerungsparameter zu ermitteln, liefert eine Schlußfolgerung für die
Zeitdauer zwischen dem nächsten Beginn eines Kurzschlusses und einer Bogenbildung oder
zwischen einer Bogenbildung und einem Kurzschluß auf Grundlage der Multiplex-Fuzzy-
Schlußfolgerungstheorie und gibt das Ergebnis der Schlußfolgerung als Schlußfolgerungssignal
LS ab. Die Fuzzy-Schlußfolgerungsschaltung 10 kann einfach in Form eines Mikroprozessors oder
dergleichen verwirklicht werden.
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Die Wellenformsteuerschaltung 20 erzeugt eine Ausgabewellenform über eine
Kombination von aus dem internen Datenbankspeicher ausgelesenen Ausgabewelenformen beim
nächsten Kurzschluß und bei der nächsten Bogenbildung, ansprechend auf das von der Fuzzy-
Schlußfolgerungsschaltung 10 gelieferte Schlußfolgerungssignal LS und gibt ein Wellenformsignal
WS ab. Die Treibersteuerschaltung 60 empfängt das Wellenformsignal WS, transformiert es in
ein Treibersignal DS und gibt das Signal DS an das Ausgabetreiberelement 70 ab.
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Die Figuren 5A und 5B bilden einen zum Erläutern des Betriebs der Fuzzy-
Schlußfolgerungsschaltung 10 verwendeten Diagrammsatz und die Figuren 6A und 6B bilden
einen das Spannungswertsignal und das Stromwertsignal darstellenden Wellenformdiagrammsatz.
Der Betrieb der Fuzzy-Schlußfolgerungsschaltung 10 basiert auf der Multiplex-Fuzzy-
Schlußfolgerungstheorie und damit wird die Ausgabe der Membership-Funktion µ (x) auf
Grundlage des zusammengesetzten Max-Min-Zentroidverfahrens ermittelt. Wie in den Figuren 5A
und 5B dargestellt, weist die Schlußfolgerungsschaltung sechs Eingänge auf und führt die
Schlußfolgerung in Übereinstimmung mit der vorgegebenen Regel zur Erzeugung einer Ausgabe
in Form von tsI oder taI aus. Zur Ausführung einer Schlußfolgerung für die vorliegende
Kurzschlußdauer TSI führt die Schaltung beispielsweise die vorhergehende Kurzschlußdauer TSO,
die vorhergehende Bogenbildungsdauer TaO, den Stromwert beim vorhergehenden Übergang
zwischen der Bogenbildung und dem Kurzschluß IbO, den Stromwert beim vorhergehenden
Übergang vom Kurzschluß zur Bogengebung IPO und den ausgegebenen mittleren Stromwert Ia
und mittleren Spannungswert Va der vorliegenden Kurzschluß/Bogenbildungsperiode in die
Membership-Funktion µ (x) ein, führt die Schlußfolgerung gemäß der vorgegebenen Regel aus
und erzeugt eine aktuelle auf Grundlage der Schlußfolgerung erhaltene Kurzschlußzeit tSI, wie in
Figur 5A dargestellt. Zur Ausführung einer Schlußfolgerung für die aktuelle Bogenbildungszeit
TaI, führt die Schaltung die vorhergehende Bogenbildungszeit TaO, die aktuelle Kurzschlußzeit
TSI, den Stromwert beim vorhergehenden Übergang von einem Kurzschluß zu einer Bogenbildung
IPO, den Stromwert beim aktuellen Übergang von der Bogenbildung zum Kurzschluß IbI und den
ausgegebenen mittleren Stromwert Ia' und den ausgegebenen mittleren Spannungswert Va' der
vorhergehenden Kurzschluß/Bogenbildungsperiode in die Membership-Funktion µ (x) ein, führt die
Schlußfolgerung gemäß der vorgegebenen Regel aus und erzeugt eine durch die Schlußfolgerung
erhaltene Bogenbildungszeit taI, wie in Figur 5B dargestellt.
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Figur 7 ist eine graphische Darstellung, in der die von den Eingangsvariablen Ia, Ia', Va,
Va', TSO, TSI, TaI, TaO, IPO, IbO und IbI für den IF-Bereich abhängende Membership-Funktion
dargestellt ist, und im folgenden werden Ausdrücke für die Membership-Funktion angegeben:
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Membership-Funktion der Fuzzy-Variablen S (X: Eingangsvariable)
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Membership-Funktion der Fuzzy-Variablen M
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µA(X) = max (0, 1- X-b&sub2; /(b&sub3; - b&sub2;))
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Membership-Funktion der Fuzzy-Variablen B
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Die Membership-Funktion zum Erzeugen der Ausgabewerte tSI und taI besitzt drei
Variablen, wie in der vorhergehenden Ausführungsform.
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Fuzzy-Schlußfolgerungsregeln werden auf Grundlage der Erfahrung eines guten
Schweißers vorab erstellt und jede Regel besitzt die IF-THEN-Form mit sechs Eingängen und einer
Ausgabe der folgenden Form:
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If Ia=S and Va=M and TSO=M and TaO=M and IPO=M and IbI=M,
then tSI = M
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If Ia'=S and Va'=M and TSI=M and TaO=M and IPO=M and IbI=M,
then taI =M
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... ... ...
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If Ia=B and Va=S and TSO=S and TaO=B and IPO=M and IbO=S,
then tSI=B
-
... ... ...
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Der
Betrieb der Fuzzy-Schlußfolgerungsschaltung basiert auf der Multiplex-Fuzzy-
Schlußfolgerungstheorie und damit wird die Ausgabe auf Grundlage des zusammengesetzten
Max-Min-Zentroidvefahrens ermittelt.
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Die vierte Ausführungsform der Erfindung wird unter Bezugnahme auf die Zeichnung
erläutert.
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In dem Blockdiagramm nach Figur 8 bezeichnet das Bezugszeichen 100 eine
Stromerfassungsschaltung, 200 eine Stromwertberechnungsschaltung, 300 eine
Drahtzuführgeschwindigkeitserfassungsschaltung, 400 eine
Abstandslängenberechnungsschaltung, 5100 eine Fuzzy-Schlußfolgerungsschaltung, 5200 eine
Ausgabewertvorgabeschaltung, 5300 einen Datenbasisspeicher, 600 eine
Ausgabetreibersteuerschaltung, 700 ein Ausgabetreiberelement, 800 einen Haupttransformator,
900 einen sekundären Gleichrichter, 1000 eine Nebenschlußvorrichtung, 1100a und 1100b
Ausgabeanschüsse, 1200 einen Schweißgegenstand, 1300 eine Elektrode und 1400 einen in
Form einer Abbrandelektrode vorliegenden Draht.
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Der Betrieb des Netzteils für das Abbrandelektrodenschweißgerät mit dem oben
beschriebenen Aufbau wird erläutert.
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Die Stromerfassungsschaltung 100 erfaßt mit Hilfe der zwischen dem sekundären
Gleichrichter 900 und dem Ausgabeanschluß 1100 angeordneten Nebenschlußvorrichtung 1000
den Wert des aktuellen Schweißstroms und erzeugt ein aktuelles Stromwertsignal. Die
Stromberechnungsschaltung 200 empfängt das Stromwertsignal von der
Stromerfassungsschaltung 100 und berechnet mit einem Mikrocomputer oder dergleichen den
Mittelwert und den effektiven Wert des ausgegebenen Stroms. Die
Zuführgeschwindigkeitserfassungsschaltung 300 zählt die Anzahl von Umdrehungen einer Rolle,
die den Abbrandelektrodendraht 1400 berührt und mit einer Drehcodiereinrichtung oder einem
Tachosignalgeber verbunden ist, um dadurch die Zuführgeschwindigkeit des Drahtes zu ermitteln,
und erzeugt ein Zuführgeschwindigkeitssignal. Die Abstandslängenberechnungsschaltung 400
empfängt den Mittelwert und den effektiven Wert des Ausgabestroms und die
Drahtzuführgeschwindigkeit und berechnet die Abstandslänge. Die Fuzzy-
Schlußfolgerungsschaltung 5100 empfängt die mit der Abstandslängenberechnungsschaltung
400 berechnete Abstandslänge, ordnet die Abstandslänge einer von fünf Kategorien "kurz",
"normal", "etwas lang", "lang" und "sehr lang" zu, führt die Wichtungsoperation gemäß der
Membership-Funktion aus und erzeugt ein den Einstellwert der Schweißausgabe angebendes
Signal aus dem Ergebnis der Schlußfolgerung. Die Ausgabewertvorgabeschaltung 5200 liest
ansprechend auf ein Anweisungssignal von der Fuzzy-Schlußfolgerungsschaltung 5100 einen
Einstellwert aus dem Datenbasisspeicher aus und gibt den Ausgabeeinstellwert an die
Ausgabetreibersteuerschaltung 600 ab.
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Im folgenden wird ein bei dieser Ausführungsform zum Berechnen der Abstandslänge
verwendeter Ausdruck angegeben:
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L : Abstandslänge
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V : Drahtzuführgeschwindigkeit
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Ia : mittlerer Ausgabestrom
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Ir : effektiver Ausgabestrom
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α : Konstante
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β : Konstante
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γ : Konstante
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Figur 9 ist eine graphische Darstellung, in der die in dieser Ausführungsform verwendete
Membership-Funktion gezeigt ist, und im folgenden werden Ausdrücke für die Membership-
Funktion angegeben:
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Membership-Funktion der Fuzzy-Variablen N (X: Eingangsvariable)
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Membership-Funktion der Fuzzy-Variablen Z, PS und PM (n = 2, 3, 4)
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µA(X) = max (0, 1- X-bn /(bn+1 - bn))
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Membership-Funktion der Fuzzy-Variablen PB
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Wie vorstehend beschrieben, liefert das herkömmliche Steuerschema einen in einer Eins-
zu-Eins-Beziehung zu einem Eingangswert stehenden Ausgangswert und der gewählte
Ausgabewert ist nicht notwendigerweise optimal, während der Einsatz der Fuzzy-Theorie eine
flexiblere Steuerung auf Grundlage der Steuerregel und der Membership-Funktion ermöglicht, was
die Einbeziehung subjektiven Wissens und mehrdeutiger Informationen zur Erzeugung der
Steuerausgabe erlaubt.
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Wenngleich die Zuführgeschwindigkeitserfassungsschaltung 300 bei den oben
angegebenen Ausführungsformen die Anzahl der Umdrehungen einer Rolle zählt, die den
Abbrandelektrodendraht 1400 berührt und an eine Codiereinrichtung oder einen Tachosignalgeber
gekoppelt ist, können alternative Anordnungen zur Erfassung der Zuführgeschwindigkeit die
Verwendung einer Interferenz von vom Draht reflektierten Laserstrahlen und die Verwendung der
Umdrehungszahl des Drahtzuführmotors beinhalten.
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Auf diese Weise berechnet das Abbrandelektrodenschweißgerät die Abstandslänge und
stellt die Schweißleistung automatisch auf Grundlage des Berechnungsergebnisses ein.
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Mit dem erfindungsgemäßen Bogenschweißgerät kann die optimale Ausgabewellenform
über eine Schlußfolgerung aus dem aktuellen Bogenzustand erhalten werden, wodurch der Erhalt
einer stabilen und optimalen Bogenbildung ermöglicht wird und das Bogenschweißen für den
Schweißer vereinfacht wird. Das Gerät ermöglicht die Vorhersage des nächsten Beginnes eines
Kurzschlusses und einer Bogenbildung auf Grundlage des aktuellen Bogenzustandes, wodurch die
Verzögerung der Wellenformsteuerung beseitigt wird, und stellt den Übergang zu einem
Kurzschluß durch eine Beseitigung von Kurzschlüssen in einem kleinen Maßstab über die
Steuerung der Kurzschlußanfangszeit sicher, wodurch das Auftreten einer Zerstäubung verhindert
sowie ein glattes Schweißraupenerscheinungsbild auf Grundlage einer gleichmäßigen
Bogenbildung verwirklicht werden kann und ermöglicht dem Schweißer auf einfache Weise den
Erhalt eines stabilen und optimalen Bogens. Zusätzlich befreit das Gerät den Schweißer von der
mühseligen Neueinstellung der Ausgabeleistung in Abhängigkeit von der Änderung der
Abstandslänge, verhindert die Verschlechterung der Schweißqualität aufgrund einer ungeeigneten
Ausgabeeinsteung oder einer Schweißunterbrechung für die Ausgabeneueinstellung, und stellt
ein stabiles Schweißergebnis unabhängig vom Können des Schweißers sicher