CH625632A5

CH625632A5 -

Info

Publication number: CH625632A5
Application number: CH1063377A
Authority: CH
Inventors: James Erwin Fellure; Endre Leslie Toth
Original assignee: Arc Systems Inc
Priority date: 1976-09-14
Filing date: 1977-08-31
Publication date: 1981-09-30
Also published as: US4093844A; SE7709064L; JPS5381154A; FR2364086A1; DE2738066A1; FR2364086B1; CA1079813A; GB1562970A

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung für die Regelung der SOLL-Länge eines Lichtbogens zwischen einem Elektrodenpaar, insbesondere für automatische Lichtbogen-Schweiss-vorrichtungen.

Beim Lichtbogenschweissen ist eine genaue Vorgabe der Länge des Schweiss-Lichtbogens wünschenswert. Die Gewährleistung einer bestimmten Lichtbogenlänge ist insbesondere bei automatischem Maschinenschweissen wichtig, also wenn Schweissnähte nicht von Schweissern erstellt werden, sondern mit hoher Produktivität von Maschinenwärtern. Beispielsweise muss beim Volumenschweissen (volume welding) von Artilleriegeschossen die Lichtbogenlänge derart gesteuert werden, dass eine hinreichende Hitzeentwicklung sichergestellt ist, um den Schweisseiektrodendraht und den Zusatzdraht zu schmelzen und die äussere Schicht des Artilleriegeschoss-Grundmate-rials bis zum Schmelzpunkt des Artilleriegeschoss-Überzugma-terials zu erwärmen. Die Lichtbogenenergie muss sorgfältig gesteuert werden, um ein intermetallisches Binden ohne wirkliche Vermengung der beiden Metalle sicherzustellen.

Wenn beispielsweise die Lichtbogenlänge unterhalb des Optimalwertes liegt, dann wird die Lichtbogenwärme auf eine Fläche konzentriert, die kleiner als die optimale Fläche ist, wodurch das Grundmaterial einer unerwünscht hohen Temperatur ausgesetzt wird. Folglich würde der Lichtbogen sich in das Material eingraben, also tief in das Geschoss eindringen, mit der unerwünschten Folge eines Eindringens von Eisen in das Überzugmaterial.

In der Praxis ist man bisher davon ausgegangen, dass die Lichtbogenspannung die Lichtbogenlänge bestimmte. Die Lichtbogenspannung jedoch, die diesbezüglich gemessen wurde, war die Spannung in der Leistungsversorgung, bei der es sich um die Gesamtspannung zwischen demjenigen Punkt, an dem der Schweisseiektrodendraht an die Stromquelle angeschlossen ist, und dem Ende des Bogens oder dem Werkstück handelt. Diese Versorgungsspannung setzt sich jedoch zusammen aus einem Spannungsanteil zum Erhitzen des Schweiss-drahtes und aus einem weiteren Spannungsanteil zum Aufrechterhalten der Lichtbogen-Länge, wobei diese Anteile als solche unbekannte Grössen sind, die sich beständig ändern. Diese Änderungen rühren beispielsweise daher, dass der Schweisseiektrodendraht mittels eines langen Kontaktrohres an die Stromquelle angeschlossen ist, woraus ein tatsächlicher Anschluss am Eingangspunkt oder im Ausgangspunkt dieses Rohres oder an irgendeiner Stelle dazwischen resultiert. Weitere Spannungsschwankungen beruhen auf der Verwendung von Schweisseiektrodendraht aus unterschiedlichen Metallen mit verschiedenem elektrischem Widerstand. Darüberhinaus kann der Oberflächenwiderstand des Schweisselektrodendrah-tes sich in Abhängigkeit von der Oberflächengüte des Drahtes ändern. Auch eine Verschmutzung der Drahtoberfläche ruft Spannungsschwankungen hervor, die ihrerseits Veränderungen der Lichtbogenspannung und somit der Lichtbogenlänge bewirken.

Im Interesse wirtschaftlichen Einsatzes hochproduktiver Schweissmaschinen liegt deshalb der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine wirksamere Regelschaltung eingangs genannter Art für automatische Steuerung der Länge eines Lichtbogens, insbesondere eines Schweisslichtbogens, zu schaffen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch einen optischen Aufnehmer zur Abgabe eines der Lichtbogen-IST-Länge entsprechenden ersten Signals, einen Umsetzer, mit dem Auf2

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nehmer verbunden, zur Erzeugung eines zweiten Signals, charakteristisch für die IST-Länge gelöst, wobei das zweite Signal auf eine Stellgliedanordnung geführt ist, zur Stellung der Lichtbogen-IST-Länge auf die SOLL-Länge.

Als IST-Wert-Aufnehmer zum Messen der momentanen Lichtbogenlänge wird dabei zweckmässigerweise eine Videokamera nach Art einer Fernsehkamera eingesetzt, deren Video-Ausgangssignal lediglich insoweit ausgewertet wird, als festgestellt wird, wieviele der Zeilen eines Bildes noch die interne Projektion des Lichtbogens innerhalb der Videokamera schneiden, gegebenenfalls unter Berücksichtigung der Winkellage zwischen der Abbildung des Lichtbogens und der Richtung der Längserstreckung der Zeilen.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen sowie aus nachstehender Beschreibung eines in den Figuren näher dargestellten, bevorzugten Ausführungsbeispiels. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild über den Aufbau einer Regelschaltung, unter Verwendung der Erfindung,

Fig. 2 ein Prinzipschaltbild für eine einer Videokamera gemäss Fig. 1 nachgeschaltete Bildsignal-Verarbeitungs- und -Bewertungsschaltung zur Ermittlung der aktuellen Lichtbogenlänge,

Fig. 3 ein Impulsdiagramm zur näheren Erläuterung von Einzelfunktionen der Schaltung nach Fig. 2,

Fig. 4 nach Art eines Flussdiagrammes eine bevorzugte funktionelle Ausgestaltung für die Übernahme der Ausgangssignale nach Fig. 2,

Fig. 5A bis Fig. 5C, entsprechend der Flussdiagramm-Dar-stellung nach Fig. 4 funktionelle Zusammenhänge in der Regler-Auswerteschaltung zum Gewinnen von Stellgrössen für die Stellgliedanordnung gemäss Fig. 1, und

Fig. 6 nach Art eines Flussdiagrammes die funktionellen Zusammenhänge einer übergeordneten Steuerung für den Ablauf der logischen Operationen innerhalb der Regler-Auswerteschaltung nach Fig. 1.

Als bevorzugtes Anwendungsbeispiel für die erfindungsge-mässe Lichtbogenlängen-Regelschaltung ist in Fig. 1 in symbolischer Vereinfachung eine Lichtbogen-Schweissvorrichtung 10 mit Regelschaltung für die Länge des Schweiss-Lichtbogens 16 dargestellt. Diese Regelschaltung beinhaltet mehrere Stellglieder zur Sicherstellung der vorgegebenen Länge des Lichtbogens 16, nämlich insbesondere eine Draht-Vorschubeinrichtung 22, eine Höhen-Verstelleinrichtung 20 für eine vertikale Abstandseinstellung, eine Zusatzdraht-Vorschubeinrichtung 27 und eine Lichtbogen-Leistungsversorgung 21. Als optischer Aufnehmer zur Istwert-Ermittlung über die momentane Länge des Lichtbogens 16 ist eine Videokamera 24 vorgesehen. Eine ihr nachgeschaltete Bildsignalverarbeitungs- und -Bewertungs-schaltung 26 wertet die aus der optischen Aufnahme und opto-elektrischen Signalwandlung gewonnenen Informationen aus, indem die aktuelle Länge des Lichtbogens 16 gemessen und ein davon abhängiges Istwert-Signal abgegeben wird. Dieses Istwert-Signal wird mit einem Sollwert-Signal verglichen, und das aus diesem Vergleich resultierende Signal über die Regelabweichung, also das Regler-Ausgangssignal, dient der Ansteuerung der einzelnen Stellglieder der Stellgliedanordnung, um einen Lichtbogen 16 vorgegebener Länge hervorzurufen. Wie in Fig. 1 in symbolischer Vereinfachung dargestellt, ist die Videokamera 24 auf den Lichtbogen 16 gerichtet, so dass auf der Bildfläche innerhalb der Videokamera 24 ein sehr helles Abbild des momentanen Lichtbogens 16 erscheint, der von der Videokamera 24 über optische Filter aufgenommen wird, um den Lichtbogen 16 deutlich von Umgebungseinflüssen abzuheben. Als Masseinheit für die Länge des abgebildeten Lichtbogens 16 dient die Anzahl der Abtast-Zeilen bei der Bildauflösung innerhalb der Videokamera 24, die die Abbildung des Lichtbogens 16 noch schneiden. Für die Messung der Länge des Lichtbogens

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16 kann also eine handelsübliche Videokamera 24 mit Zeilenauflösung des Bildes benutzt werden.

Die der Videokamera 24 nachgeschaltete Bildsignalverarbeitungs- und -Bewertungsschaltung 26 gibt ein Ausgangssignal über den Istwert der Länge des Lichtbogens 16 ab, dessen Art von der Realisierung der Regelschaltung insgesamt abhängt. Beim dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiel ist ein kodiertes Ausgangssignal vorgesehen, dessen Informationsgehalt eine Funktion der Position und der Länge des Lichtbogens 16 auf der Bildfläche in der Videokamera 24 ist, um damit eine als eigentlicher Regler innerhalb der Regelschaltung fungierende Auswerteschaltung 15 am Istwert-Eingang zu speisen. Der modernen Technologie entsprechend wird diese Auswer-teschaltung 15 bevorzugt als diskontinuierlich arbeitender Regler ausgelegt und beispielsweise unter Verwendung standardisierter Funktionsschaltungen, wie sie aus der Rechnertechnik geläufig sind, realisiert. Die Auswerteschaltung 15 kann also insbesondere unter Verwendung eines Rechners, bevorzugt eines Mikrocomputers, realisiert werden. Diese Auswerteschaltung 15 ist ferner von einem universellen Störgrössengeber 28 für die verschiedenen Systemparameter beaufschlagt, nämlich insbesondere hinsichtlich Schweissspannung, Stromstärke, Drahtvorschubgeschwindigkeit, Höheneinstellung, Lichtbogenlänge und Sollwert; die Funktion eines herkömmlichen Sollwertgebers ist bei der in Fig. 1 dargestellten Regelschaltung also mit in die Funktion des Störgrössengebers 28 integriert. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass der Regler in Gestalt der Auswerteschaltung 15 vier Stellglieder ansteuert, um die aktuelle Länge des Lichtbogens 16 im wesentlichen auf dem vorgegebenen Wert zu halten; d. h. der Rechner oder die sonstige Realisierung der Auswerteschaltung 15 beeinflusst wenigstens eines der folgenden Stellglieder:

1. Den Schweisspegel der Schweisslichtbogen-Leistungsversorgung 21,

2. die vertikale Höhe des Brenners 12 über die Höhenver-stelleinrichtung 20,

3. die Ausfahrgeschwindigkeit des Elektrodendrahtes 25, der mittels der Draht-Vorschubeinrichtung 22 von einer Spule 25a abgezogen wird, und

4. die Zufuhrgeschwindigkeit des kalten oder Zusatzdrahtes 23, der mittels der Zusatzdraht-Vorschubeinrichtung 27 von einer Spule 23a abgezogen wird.

Die Schweisslichtbogen-Leistungsversorgung 21 ist zwischen dem Werkstück 11 und einem Kontaktrohr 21 a, durch das der Elektrodendraht 25 hindurch verläuft, angeschlossen. Da das untere Ende des Lichtbogens 16 stets beim Werkstück 11 entsteht, ist es möglich, mittels der dargestellten Schweiss-vorrichtung 10 zu bewirken, dass der Lichtbogen 16 einer vorgegebenen Kontur folgt, während die gewünschte Länge des Lichtbogens 16 aufrechterhalten bleibt, indem die Schweissvor-richtung 10 mit der erfindungsgemässen Regelschaltung an eine herkömmliche, motorbetriebene Brennerpositionier-Vor-richtung angeschlossen wird. Auf diese Weise ist es mittels der dargestellten Schweissvorrichtung 10 möglich, in jedem Falle den Brenner 12 in vorgegebenem Abstand über dem Werkstück 11 zu führen, unabhängig von der Werkstückkontur,

indem die Länge des Lichtbogens 16 gemessen und konstant gehalten wird.

Die Videokamera 24 ist über ein herkömmliches Schweiss-Schutzfilter auf den Lichtbogen 16 gerichtet, und in der Videokamera 24 wird dieser Lichtbogen 16 mit einer Frequenz von 60 Hz abgetastet. Die Videokamera 24 weist 245 Abtastlinien, nämlich Bildzeilen, für ihre Bildfläche auf, bei einer Abtastzeit von angenähert 16,6 ms. Die Anzahl derjenigen Abtastlinien, also Bildzeilen, die vom hellen Abbild des Lichtbogens 16 auf der Bildfläche der Videokamera 24 überdeckt werden, dient als Mass für die Istwert-Ermittlung in der Regelschaltung der Schweissvorrichtung 10 nach Fig. 1.

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Es ist verständlich, dass das Bild des Lichtgogens 16 sich innerhalb der Bildfläche nach oben, nach unten oder zu den Seiten hin verlagern kann, nachdem der Lichtbogen 16 einmal auf die Bildfläche innerhalb der Videokamera 24 projiziert ist. Die Schaltung zur Istwert-Ermittlung hinsichtlich der Länge des 5 Lichtbogens 16 ist deshalb dafür ausgelegt, dass trotz solcher Verlagerungen des Bildes lediglich eine Auswertung hinsichtlich der Anzahl der horizontalen Abtast-Zeilen stattfindet, die das Abbild des Lichtbogens 16 schneiden, unabhängig von der Position dieses Abbildes innerhalb der Bildfläche. io

Wie ohne weiteres verständlich, hängt von dem benutzten-optischen Linsensystem der Videokamera 24 die Auflösung des Messvorganges ab, nämlich im Hinblick auf die Grösse der Darstellung des Lichtbogens 16 bezüglich der zur Verfügung stehenden Abtast-Zeilen. Bei einem typischen Ausführungsbei- 15 spiel liegt die Auflösung des Messsystems bei ±0,254 mm, dem Abstand zweier einander benachbarter Abtast-Zeilen. Es können aber auch andere opto-elektrische oder foto-elektrische Bauelemente als optische Aufnehmer zum Abtasten des Bildes des Lichtbogens 16 im Rahmen der erfindungsgemässen Regel- 20 Schaltung eingesetzt werden, etwa Fotodioden-Anordnungen. Die Entscheidung für einen konkreten optischen Aufnehmer im Rahmen der erfindungsgemässen Regelschaltung hängt von den Abmessungsgegebenheiten hinsichtlich der gewünschten Auflösung und von dem erzielbaren Frequenzgang ab. 25

Die Videokamera 24 kann mit einem internen Taktgeber für 60 Hz arbeiten, um eine Bildstandzeit von angenähert 16,6 ms zu erzielen. Die Abtastzeit beträgt vorzugsweise angenähert 15,5 ms, so dass für den vertikalen Rücklauf etwa 1,25 ms, +0,150 ms, zur Verfügung stehen. 30

Das Ausgangssignal der Videokamera 24 ist ein Videosignal 100, wie es als typisches Beispiel in der obersten Zeile von Fig. 3 dargestellt ist. Diejenigen Anteile des Videosignales 100, die oberhalb der einen Referenzpegel darstellenden Mittellinie liegen, nämlich die Lichtbogensignale 101 a, b,..., werden dadurch 35 erzeugt, dass der Abtaststrahl über die Abbildung des Lichtbogens 16 hinüberstreicht. Somit wird ein erstes Lichtbogensignal 101a erzeugt, wenn der Abtaststrahl erstmals, nämlich im oberen Bereich der Abbildung des Lichtbogens 16, über die Lichtbogendarstellung hinüberstreicht, das folgende Lichtbogen- 40 signal 101b entsteht, wenn im Zuge der nächstfolgenden Abtastzeile die Lichtbogendarstellung gekreuzt wird usw. Die unterhalb Bezugspotentials erscheinenden Anteile des Videosignales 100 sind die Rücklaufsignale 100a, b,... usw., die jeweils beim Übergang vom Ende einer Zeile zum Anfang der nächst- 45 folgenden Abtastzeile erscheinen.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich, wird das Videosignal 100 aus der Videokamera 24 in die Bildsignal-Verarbeitungs- und -Bewertungsschaltung 26 eingespeist, und zwar beim Signaleingang 29 (vgl. Fig. 2). Die in Fig. 2 detaillierter dargestellte Schaltung 26 50 besteht im wesentlichen aus zwei Funktionskreisen, nämlich einer Lichtbogenlängenschaltung 26a sowie aus einer Lichtbogenstartschaltung 26b, die die Vorgänge bis zum Beginn eines Lichtbogens 16 bestimmt. Um die Funktion dieser beiden Schaltungen 26a, 26b zu starten, wird von der Regler-Auswerte- 55 Schaltung 15 über eine Leitung 17a ein Freigabesignal in die Schaltung 26 eingespeist. Dieses Freigabesignal bewirkt ein Rücksetzen einer bistabilen Kippstufe 80, woraus Signale auf den Leitungen 80a und 80b resultieren, die ihrerseits Transistoren 92 bzw. 30 in den leitenden bzw. in den nicht-leitenden 6o Zustand versetzen. Wenn der Transistor 92 leitend ist, dann ist ein Transistor 90 nicht-leitend, und das an seinem Emiter anstehende Potential schaltet den Vergleicher 40 für horizontale Synchronisation ein. Denn der Spannungsteiler 43 ist dann wirksam, d. h. eine negative Spannung mit einem Betrag zwi- 65 sehen negativer Versorgungsspannung und Masse liegt an einem Eingang 40a des Vergleichers 40. Der andere Eingang 40b des Vergleichers 40 ist an den Signaleingang 29 der Bildsignalverarbeitungs- und -Bewertungsschaltung 26 angeschlossen. Der Vergleicher 40 vergleicht die negativen Rücklaufsignale 100a, b,.... für den horizontalen Zeilenrücklauf mit dem Bezugspotential und liefert ein Ausgangssignal, das zwei monostabile Kippstufen 42,44 ansteuert.

Bei Erscheinen des ersten Horizontal-Rücklaufsignales 100a wird die monostabile Kippstufe 44 getriggert, die das in der siebten Zeile der Fig. 3 wiedergegebene Ausgangssignal 112 liefert. Dieses Ausgangssigna] 112 erscheint an einem der Eingänge eines NAND-Gatters 46, dessen zweiter Eingang unmittelbar mit dem Ausgang des Vergleichers 40 verbunden ist. Das vom N AN D-Gatter 46 gelieferte Ausgangssignal, das durch einen Inverter 48 umgepolt wird, erscheint auf der Leitung 53 als Horizontalsignal 108.

Wie nachstehend noch im einzelnen erläutert werden wird, wird ein weiteres NAND-Gatter 52 über eine Abtastleitung 34a vorbereitet, so dass die Horizontalsignale 108 über das NAND-Gatter 52 einen Abtastzeilenzähler 82 hochzählen. Auf diese Weise zählt der Abtastzeilenzähler 82 die Horizontal-Rücklauf-signale 100a, b,..., wobei jeder dieser Signalimpulse den Ablauf einer horizontalen Abtastzeile signalisiert.

Der Inhalt des Abtastzeilenzählers 82 wird nur dann in eine Verriegelungsschaltung 86 übertragen, wenn diese mittels eines Lichtbogenstartsignales von einem Gatter 74 vorbereitet ist. Daraufhin enthält die Verriegelungsschaltung 86 eine Information über die Anzahl der horizontalen Abtastzeilen, die beim Abtasten der Bildfläche abgelaufen sind, bis zur Lage der ersten Abtastzeile, die auf die Abbildung des Lichtbogens 16 trifft. Diese Information aus der Verriegelungsschaltung 86 wird mittels einer digitalen Datenleitung in Form einer Mehrfachverbindung 17b in die Auswerteschaltung 15 übertragen.

Das Ausgangssignal 114 der monostabilen Kippstufe 42, das in der achten Zeile der Fig. 3 dargestellt ist, wird über eine Differenzierschaltung in Form eines Längskondensators 42a mit nachgeschaltetem Querwiderstand 42b auf einen Eingang eines NAND-Gatters 50 gegeben, welches den vertikalen oder Bild-Rücklauf auslöst. Dazu ist ein weiterer Eingang dieses NAND-Gatters 50 über das Horizontalsignal auf der Leitung 53 vorbereitet. Wenn das NAND-Gatter 50 durchschaltet, bewirkt dessen Ausgangssignal ein Ansteuern einer monostabilen Kippstufe 56, die, wie aus Fig. 3 (neunte Zeile) ersichtlich, in ihren quasi-stabilen Zustand gesetzt wird. Diese monostabile Kippstufe 56 verharrt in diesem quasi-stabilen Schaltzustand, bis eine Rückkippzeit ta abgelaufen ist, bei der es sich um die vertikale Rücklaufzeit handelt, worauf unten noch eingegangen wird.

Zunächst wird jedoch die Lichtbogenlängenschaltung 26a innerhalb der Bildsignal-Verarbeitungs- und -Bewertungsschaltung 26 näher beschrieben. Während deren Funktion ist der Transistor 30 abgeschaltet, was bewirkt, dass ein Spannungsteiler 30a eine Referenzspannung von einem Betrag, der zwischen der negativen Versorgungsspannung und Massepotential liegt, auf einen Eingang 36a eines Video-Vergleichers 36 schaltet. Der andere Eingang 36b dieses Vergleichers 36 ist an den Signaleingang 29 der Gesamt-Schaltung 26 angeschlossen. Der Vergleicher 36 vergleicht die differentiell-positiven Lichtbogensignale 101 a, 101 b,... mit dem Bezugspotential. So liefert der Vergleicher 36 etwa zum Zeitpunkte des Erscheinens des impulsförmigen Lichtbogensignales 101 a (wobei dieser Impuls den Beginn der Abbildung des Lichtbogens 16 anzeigt) ein Ausgangssignal, mit dem eine monostabile Kippstufe 31 angesteuert wird, die ihrerseits ein Gatter 35 freigibt. Der nichtinvertierte Ausgang der monostabilen Kippstufe 31 führt über eine Differenzierschaltung in Form eines Längskondensators 31a mit nachgeschaltetem Querwiderstand 31b auf eine bistabile Kippstufe 33, um diese mit Beginn des quasi-stabilen Schaltungszustandes der monostabilen Kippstufe 31 zu setzen.

Zu dem Zeitpunkt, da die monostabile Kippstufe 31 getrig-

gert wird, wird somit ein Setzimpuls auf die bistabile Kippstufe 33 für Vertikaldetektion gegeben. Diese bistabile Kippstufe 33 verbleibt in ihrem gesetzten Zustand, bis sie zurückgesetzt wird, weil die Amplituden der Lichtbogensignale 101a, b,... so weit abgeklungen sind, dass der Video-Vergleicher 36 kein dif-ferentiell positives Signal mehr feststellt. Nun wird das NAND-Gatter 35 gesperrt, und das dann anstehende Ausgangssignal wird invertiert und auf einen Eingang eines Gatters 38 gegeben. Der andere Eingang dieses Gatters 38 erhält die differenzierten Horizontalsignale 108 über die Leitung 53. Wie oben schon erwähnt, werden diese Horizontalsignale 108 auch im Hinblick auf den Beginn der Lichtbogensignale 101 ausgewertet. Insoweit empfängt das Gatter 38 ausser diesen nicht-invertierten Horizontalsignalen 108 auch Signale vom Video-Vergleicher 36, und er liefert ein Ausgangssignal. Dieses Ausgangssignal wird differenziert, um die bistabile Kipptufe 33 zurückzusetzen.

Darüberhinaus werden die nicht-invertierten Horizontalsignale 108 auf der Leitung 53 auch noch über einen Längskondensator 39a mit nachgeschaltetem Querwiderstand 39b differenziert und über ein NAND-Gatter 39 in einen Lichtbogenlängen-Zähler 37 eingespeist. Auf diese Weise erscheint mit jedem Horizontalsignal 108, wie es in Fig. 3 dargestellt ist, im Zähler 37 ein Zählimpuls, um diesen nach Massgabe der Anzahl der Horizontalsignale 108 hochzuzählen, bis die Horizontalsignale 108 verschwinden, was vom Video-Vergleicher 36 festgestellt wird, der dann kein Ausgangssignal mehr abgibt. Dann wird die bistabile Kippstufe 33 zurückgesetzt, die ihrerseits das NAND-Gatter 39 sperrt, so dass fortan keine weiteren Impulse den Zähler 37 ansteuern können.

Auf diese Weise werden im Zähler 37 zur Bestimmung der Lichtbogenlänge die Lichtbogensignale 101a, b,... gezählt. Die Anzahl der gezählten Impulse, also das Zählergebnis im Lichtbogenlängen-Zähler 37, wird aus diesem in eine weitere Verriegelungsschaltung 32 übernommen, wenn vom Gatter 74 her ein Lichtbogenlängen-Signal erscheint. Somit enthält dann die Verriegelungsschaltung 32 eine Information in Form einer Zahl, die der Länge des Lichtbogens 16 proportional ist und über die Mehrfachverbindung 17c, einen MEHRBIT-Bus zur Parallelübertragung eines binär-kodierten Datensatzes, als Information über die Lichtbogenlänge an die Regler-Auswerteschal-tung 15 übertragen wird.

Das erste der auftretenden Lichtbogensignale 101a, das die Auffassung des Beginnes der Lichtbogen-Abbildung angibt, bewirkt über das NAND-Gatter 39 und einen Inverter 39d das Setzen einer dem Beginn des Lichtbogens 16 zugeordneten bistabilen Kippstufe 34. Bei gesetzter bistabiler Kippstufe 34 erscheint ein Freigabesignal auf der Speicher-Abtastleitung 34a, die den Lichtbogenlängen-Zähler 37 freigibt, damit dieser in der zuvor beschriebenen Weise nach Massgabe weiterhin erscheinender Lichtbogensignale 101b, c,... hochzählen kann. Mit Beendigung des horizontalen Rücklaufes erscheint ein in Fig. 3 in der drittletzten Zeile dargestelltes Signal 128 auf einer Leitung 68a, um die bistabile Kippstufe 34 zurückzusetzen. Bei zurückgesetzter bistabiler Kippstufe 34 ist ein Weiterzählen im Zähler 37 unterbunden, gleichgültig ob weitere Lichtbogensignale 101 auftreten.

Aus der in Fig. 2 dargestellten Zusammenschaltung ergibt sich, dass bei gesetzter bistabiler Kippstufe 34 das Signal auf der Abtastleitung 34a auch ein Sperren des NAND-Gatters 52 bewirkt. Daraus resultiert, dass keine Horizontal-Rücklaufsig-nale 100a, b,... den Abtastzeilen-Zähler 82 mehr ansteuern können. Somit werden in diesem Zähler 82 lediglich diejenigen Horizontal-Rücklaufsignale 100a, b,... gezählt, die vor Erfassung des Beginns der Lichtbogendarstellung erscheinen.

Wie vorstehend schon erwähnt, bleibt die bistabile Kippstufe 34 bis zum Ende des vertikalen Rücklaufes gesetzt. Auf diese Weise unterbindet sie während dieser Zeitspanne ein

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Zählen im Zähler 82. Das Vertikal-Rücklauf-Endsignal 128 wird vom Ausgang der monostabilen Kippstufe 56 mit nachgeschalteter monostabiler Kippstufe 68 geliefert. Dieses Rücklauf-ende-Signal 128 zeigt also das Ende des Bildaufbaues an.

Über das Gatter 74 wird sowohl ein Lichtbogenlängensignal auf der Leitung 76a als auch ein Lichtbogenstartsignal auf Leitung 76b hervorgerufen. Das Gatter 78 seinerseits wird von einer Reihenschaltung zweier monostabiler Kippstufen 64 und 66 angesteuert, wobei der Eingang der monostabilen Kippstufe 64 an den Ausgang der monostabilen Kippstufe 56 angeschlossen ist. Diese Reihenschaltung der monostabilen Kippstufen 64 und 66 bewirkt eine Zeitverzögerung ab Bild-Ende, was durch die monostabile Kippstufe 56 bestimmt ist. Diese Zeitspanne nach dem Bildaufbau ergibt die Zeit zum Verriegeln und Übertragen der Lichtbogenlängeninformation und zum Starten der Verarbeitung der Lichtbogeninformation.

Nachdem auf diese Weise die Lichtbogenlängeninformation erfasst ist, bewirkt eine monostabile Kippstufe 58 die Ansteuerung eines Gatters 72, um über eine Leitung 17d an die Auswerteschaltung 15 die Information zu übermitteln, dass der Datensatz vollständig vorliegt. Ausserdem werden von der monostabilen Kippstufe 58 hintereinander geschaltete monostabile Kippstufen 60,62 angeregt, um ein Ansteuersignal für ein Gatter 70 zu erzeugen. Dieses liefert über eine Leitung 17e an die Auswerteschaltung 15 ein Unterbrechungssignal.

Wie symbolisch in Fig. 1 dargestellt, sind die Verbindungsund Signalübertragungsleitungen 17a bis 17f zwischen der Schaltung 26 gemäss Fig. 2 und der Auswerteschaltung 15 vorzugsweise über eine Schnittstellenschaltung 15a geführt. Diese Schnittstellenschaltung 15a enthält elektrisch isolierende Optokoppler, die eine ohmische Kopplung zwischen der Bildsignalverarbeitungs- und -bewertungsschaltung 26 und der als Regler fungierenden Auswerteschaltung 15 sicher verhindern. Die Schnittstellenschaltung 15a wirkt also als ein Puffer-Interface zwischen den Schaltungen 15 und 26.

Wie vorstehend unter Bezugnahme auf Fig. 2 bereits erwähnt, fungieren die Mehrfachverbindungen 17b und 17c jeweils als digitaler MEHRBIT-Datenbus zur Übertragung der kodierten Ausgangsinformationen aus der Bildsignalverarbeitungs- und -Bewertungsschaltung 26 in die als Regler fungierende Auswerteschaltung 15. Die Leitungen 17a und 17f übermitteln Signale aus der Auswerteschaltung 15 zur Schaltung 26, während die Leitungen 17d und 17e Informationen aus der Schaltung 26 zur Auswerteschaltung 15 hin übertragen. Die Leitungen 17aund 17fwirken als Freigabe-bzw. Blockierleitungen, über die die Auswerteschaltung 15 stoppend oder freigebend in die Datenverarbeitung innerhalb der Bewertungsschaltung 26 eingreift, um ein koordiniertes Zusammenwirken mit dem Ablauf der Schaltvorgänge innerhalb der Auswerteschaltung 15 sicherzustellen, die bevorzugt nicht in konventioneller Technik realisiert wird, sondern für die ein auf die entsprechenden speziellen Signalverarbeitungsfolgen programmierter Rechner eingesetzt werden wird; zur Vereinfachung der Darstellung der schaltungsmässigen Zusammenhänge bei der Auswertung der von der Schaltung 26 gelieferten Informationen ist nachstehend deshalb auf entsprechende Rechnerroutinen zurückgegriffen, wie sie in den Flussdiagrammen gemäss Fig. 4 bis Fig. 6 dargestellt sind. Die Leitungen 17aundl7fwerden ferner zur Abfrage bzw. zur Einspeicherung von Informationen im Störgrössengeber 28 herangezogen.

Die Bildsignalverarbeitungs- und -bewertungsschaltung 26 ist immer freigegeben, wenn ein Lichtbogen 16 vorhanden ist. Ein Signal erscheint auf der Leitung 17d zur Angabe der Tatsache, dass ein Datensatz komplett ist, wenn die Zähler 37 und 82 ihre Zählvorgänge beendet haben und deren Zählergebnisse in die Register- oder Verriegelungsschaltungen 32 bzw. 86 eingespeichert sind. Die Leitung 17e liefert kurze Zeit danach ein Signal, das für den Ablauf der Funktionen in der Auswerte-

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Schaltung 15 als Unterbrechungssignal wirkt, um beispielsweise während einer Leerlaufzeitspanne die Signalauswertung zu unterbrechen und die neuen verfügbaren Daten einzulesen und die Sollwerte zu berücksichtigen, worauf nachstehend noch eingegangen wird. 5

Wie schon erwähnt und aus der Übersichtsdarstellung der Fig. 1 ersichtlich wird die Auswerteschaltung 15 von einer in erster Linie als Störgrössengeber 28 dienenden Endstelle aus überwacht und gesteuert. Unter den Eingangsinformationen, die von diesem Störgrössengeber 28 an die Auswerteschaltung io

15 übermittelt werden, sind insbesondere Datensätze, die den Sollwert der Länge des Lichtbogens 16 angeben, sowie Bezugswerte für die Lichtbogen-Anfangsposition und für Anfangs-Sollwerte der von der Leistungsversorgung 21 gelieferten

' Schweissleistung für den Aufbau eines Lichtbogens 16; ferner 15 Sollwerte für die vertikale Höhe des Brenners 12, die über die Höhen-Verstelleinrichtung 20 - etwa einen Schrittmotor - eingestellt wird, für die Arbeitsgeschwindigkeit der Elektroden-draht-Vorschubeinrichtung 22 und für die Arbeitsgeschwindigkeit der Vorschubeinrichtung 27 für den kalten Zusatzdraht.

Diese aus dem Störgrössengeber 28 gelieferten Anfangs-Sollwerte dienen nach Massgabe der Regler-Ausgangssignale hinter d«r Auswerteschaltung 15 der Ansteuerung der einzelnen, oben erläuterten Stellglieder, und während der Schweiss-vorgang abläuft, werden die Ansteuerungen dieser Stellglieder über die als Regler fungierende Auswerteschaltung 15 modifiziert, also in Abhängigkeit von dem ermittelten Istwert über die Länge des Lichtbogens 16 gegenüber dem aktuell gültigen Sollwert. Darüberhinaus wird der Ausgangspunkt des Lichtbogens

16 erfasst, und dieses Signal dient dazu, die Höhe des Brenners 12 entsprechend einzustellen, so dass bei einem Werkstück 11 variierender Stärke, das unter dem Brenner 12 vorbeiwandert, die Positionierung des Brenners 12 der Kontur folgt, wodurch der Bereich von Lichtbogenlängenfehlern, auch der Lichtbogen-Anfangsfehler, minimal wird. 35

Zur Vereinfachung der Zusammenhänge bei der Signalverarbeitung innerhalb der Auswerteschaltung 15 - gleichgültig ob diese in herkömmlicher Technik oder unter Verwendung eines entsprechend programmierten Rechners realisiert wird -wird für die Erläuterung der weiteren Zusammenhänge gemäss 40 Fig. 4, Fig. 5A bis Fig. 5C und Fig. 6 nachstehend auf Übersichtsdarstellungen nach Art von Flussdiagrammen zurückgegriffen, um aufzuzeigen, in welcher Weise innerhalb der Auswerteschaltung 15 die von der Bewertungsschaltung 26 und vom Störgrössengeber 28 gelieferten Informationen ausgewertet 45 werden, um aus Regelabweichungssignalen die Ansteuersi-gnale für die einzelnen Stellglieder zu erhalten. Dabei ist hinsichtlich der Parameter und der ermittelten Informationen für die Steuerung der Stellglieder auf nachstehend zusammengestellte Abkürzungen zurückgegriffen;

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30

F3 = entsprechend Fl, jedoch bezogen auf die

Vorschubgeschwindigkeit des Elektrodendrahtes F4 = entsprechend Fl, jedoch bezogen auf die

Vorschubgeschwindigkeit des kalten Zusatzdrahtes

KW = prozentuale Lichtbogenlängen-Änderung aufgrund Schwankungen der Schweissleistung KV = prozentuale Lichtbogenlängen-Änderung aufgrund Schwankungen der Vertikalposition des Brenners 12

KE = prozentuale Lichtbogenlängen-Änderung aufgrund Schwankungen in der Vorschubgeschwindigkeit des Elektrodendrahtes KC = prozentuale Lichtbogenlängen-Änderung aufgrund Schwankungen in der Vorschubgeschwindigkeit des kalten Zusatzdrahtes WLSP = Schweissleistungs-Sollwert VPSP = Sollwert der vertikalen Brennereinstellung

(Abstand zwischen Brenner 12 und Werkstück 11) ELSP = Sollwert der Vorschubgeschwindigkeit für den Elektrodendraht CLSP = Sollwert der Vorschubgeschwindigkeit für den kalten Zusatzdraht WLOSF = Ausgabewert-Normierungsfaktor für die

Schweissleistung ELOSF = Ausgabewert-Normierungsfaktor für die

Vorschubgeschwindigkeit des Elektrodendrahtes CLOSF = Ausgabewert-Normierungsfaktor für die Vorschubgeschwindigkeit des kalten Zusatzdrahtes

VPOSF = Ausgabewert-Normierungsfaktor für die

Vertikal-Positionierung des Brenners 12 WL = Schweissleistungs-Befehl

VP = Vertikaleinstellungs-Befehl

EC = Elektrodenvorschub-Befehl

CS = Zusatzdraht-Vorschub-Befehl

ALPS AREF

AARC

ASTA

KP TI TD Fl

F2

= Lichtbogenlängen-Sollwert = Werkstück-Oberfläche als Nennposition für den Ausgangspunkt des Lichtbogens 16 = Istwert der Lichtbogenlänge (Datenübermittlung über Leitung 17c aus der Register-Verriegelungsschaltung 32 in Fig. 2) = Istwert des Lichtbogen-Anfanges (Datenübermittlung über Leitung 17b aus der Register-Verriegelungsschaltung 86 in Fig. 2) = Proportionalitäts-Konstante = Integrationszeit-Konstante = Differentiationszeit-Konstante = Skalarer Faktor; 1 % derjenigen Schweissleistungserhöhung, die erforderlich ist, um die Lichtbogenlänge um 0,254 mm zu vergrössern

= entsprechend Fl, jedoch bezogen auf die Vertikalverschiebung des Brenners 12

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Die Bildsignalverarbeitungs- und -Bewertungsschaltung 26, die mit dem 60-Hz-Abtastraster zusammenwirkt, greift in den Verarbeitungsablauf innerhalb der Auswerteschaltung 15 über die Leitungen 17d und 17e mit Signalen des Inhalts ein, dass ein Datensatz vollständig ist bzw. die Auswertung innerhalb der Auswerteschaltung 15 - nämlich zur Übernahme eines Datensatzes - unterbrochen werden soll. Auf diese Weise wird der Verarbeitungsablauf innerhalb der Auswerteschaltung 15 60mal je Sekunde in einer Leerlaufphase unterbrochen, woraufhin die logische Verarbeitung der binären Informationen innerhalb der Auswerteschaltung 15 erfolgt, wie in Fig. 4 bis 6 wiedergegeben. Auf einen Unterbrechungs-Eingriff hin übernimmt die Auswerteschaltung 15 einen Eingabe-Datensatz, d. h. einen Datensatz, der in der Register-Verriegelungsschaltung 32 abgespeichert ist. Dieser Datensatz wird über die 8-bit-Mehr-fachverbindung 17c als binär-kodierte Zahl derjenigen Rasterlinien übermittelt, in denen die Lichtbogendarstellung in der Videokamera 24 auftrat, wie oben beschrieben. Diese Zahl aus der Registerschaltung 32 (siehe Fig. 2) wird in einem der Lichtbogenlänge zugeordneten Zwischenspeicher abgespeichert und der Summe der früheren Zahlen zuaddiert, die dort bei früheren Durchläufen des Auswertezyklus abgespeichert wurden. In entsprechender Weise wird der Datensatz, der in der Registerschaltung 86 für die Anfangsposition des Lichtbogens 16 vorliegt, in einem dem Lichtbogen-Anfang zugeordneten Zwischenspeicher in der Auswerteschaltung 15 abgespeichert und der Summe der früheren, dort abgespeicherten Werte zuaddiert. Wenn diese Folge von Einlese- und Abspeicheroperationen sechsmal durchlaufen ist, dann wird das Resultat aus dem der Lichtbogenlänge zugeordneten Zwischenspeicher in ein

7 625632

Lichtbogenlängen-Istwertregister AARC übernommen und die spielsfalle ein Eintritt in die Routine zur Beeinflussung der

Summe des dem Ausgangspunkt des Lichtbogens 16 zugeord- Lichtbogenlänge lOmal je Sekunde mit Übergang aus Block neten Zwischenspeichers in ein Register, das der aktuellen 206 über den bestätigenden Abfrageausgang des Abfrageblok-

Anfangsposition des Lichtbogens 16 ASTA zugeordnet ist. Die kes 207 zu Block 209 (vgl. Fig. 4).

zuvor als Übernahmeregister benutzten Zwischenspeicher 5 Bei der Signalverarbeitung innerhalb der Auswerteschal-

werden dann wieder freigegeben. tung 15 zur Gewinnung von Stellgrössen für die Ansteuerung

Das in Fig. 4 zur Vereinfachung der Erläuterung der Vor- der Stellglieder zur Beeinflussung der Lichtbogenlänge wird gänge innerhalb der Auswerteschaltung 15 dargestellte Dienst- auf nachstehende Zusammenhänge zurückgegriffen, die in

Programm hinsichtlich der Lichtbogenlänge beginnt mit Block Fig. 5A bis Fig. 5C in ihrer logischen Verkettung ebenfalls nach

201 des dargestellten Flussdiagrammes, und zwar 60mal je io Art von Flussdiagrammen aufgeschlüsselt sind:

Sekunde, immer dann wenn die Bildsignalverarbeitungs- und

-Bewertungsschaltung 26 über die Leitung 17e ein Unterbre- A = AARC-ALPS (1)

chungssignal abgibt. Dieses bewirkt, dass innerhalb der Aus- YE = ASTA-AREF (2)

werteschaltung 15 von einem Leerlauf-oder Wartezustand auf DELTA = KP(El-E) + KP(E)/TI + KP(TD)

Ablauf der in Fig. 4 zusammengefassten logischen Signalverar- 15 ((E2-E1)-(E1-E) (3)

beitungsfolge übergegangen wird. Der erste Signalverarbei- WLSP = WLSP1 + DELTA (KW) Fl (4)

tungsschritt ist durch den Block 20la wiedergegeben, der ange- VPSP = WLSP1 + DELTA (KV) F7 + YE (5)

ben soll, dass die Zahl 6 in ein INDEX-Register eingespeichert ELSP = ELSP1 + DELTA (KE) F3 (6)

wird. Der Block 202 stellt die Übergabe des Datensatzes hin- CLSP = CLSP1 + DELTA (KC) F4 (7)

sichtlich des Istwertes der Lichtbogenlänge aus der Register- 20 WL = WLOSF (WLSP) (8)

Verriegelungsschaltung 32 (siehe Fig. 2) dar. Im Block 203 wird ES = ELOSF (ELSP) (9)

der Datensatz über den Istwert der Lichtbogenlänge AARC es = CLOSF(CLSP) (10)

dem Inhalt des schon erwähnten Abfrageregisters oder Zwi- yp = VPOSF(VPSP) (11) schenspeichers LTEMP zuaddiert. In der Block-Folge 204-205

wird in gleicher Weise der Istwert-Datensatz für die Ausgangs- 25

position des Lichtbogens 16 aus der Register-Verriegelungs- Die vorstehend eingangs genannte Gleichung (1) bestimmt

Schaltung 86 (siehe Fig. 2) übernommen und dem Zwischen- die Regelabweichung hinsichtlich der Lichtbogenlänge, also speicherinhalt im Register STEMP zuaddiert. Der Block 206 die arithmetische Differenz zwischen derjenigen Zahl, die den stellt die schrittweise Abnahme des INDEX-Registers um Istwert der Lichtbogenlänge AARC angibt, und derjenigen jeweils eine Einheit je Durchlauf des Flussdiagrammes dar. 30 Zahl, die den Sollwert der Lichtbogenlänge ALPS repräsen-Wenn der Inhalt des INDEX-Registers noch nicht auf Null tiert. Dementsprechend betrifft die Gleichung (2) die Abwei-

abgenommen hat, dann schliesst sich an die beschriebene Rou- chung der Lichtbogen-Ausgangsposition YE, bei der es sich um tine hier eine Rückkehr in den Ausgangs-Ruhezustand an, der die Differenz zwischen dem gemessenen Istwert der Lichtbo-zu Beginn unterbrochen wurde, was durch den Block 208 reprä- gen-Ausgangsposition ASTA und der Sollwert- oder Referenzsentiert ist. Wenn jedoch der Inhalt des INDEX-Registers auf 35 Ausgangsposition AREF handelt. Die Gleichtung (3) ergibt Null zurückgezählt wurde, bewirkt die Verzweigung 207 einen einen Wert DELTA, der nicht nur eine Funktion der jüngst Übergang auf Block 209. Dieser Block 209 repräsentiert eine ermittelten Regelabweichung hinsichtlich der Lichtbogenlänge Folge von logischen Funktionen mit dem Ergebnis der Division darstellt, sondern in den auch die Regelabweichungen einge-der im Register LTEMP abgespeicherten Zahl durch den Wert hen, die während der beiden vorangegangenen Zyklen zur 6 und anschliessende Abspeicherung des Quotienten im Regi- 40 Ermittlung der Regelabweichung gewonnen wurden. Diese ster für den Istwert der Lichtbogenlänge AARC. In entspre- Verknüpfungen erfolgen bei jedem Durchlauf der Steuer-Rou-chender Weise repräsentiert der nachfolgende Block 210 die tine für die Lichtbogenlänge, wie sie in den Flussdiagrammen Division des Inhalts des Registers STEMP durch den Wert 6 der Fig. 5A bis Fig. 5C dargestellt sind. Darin sind KP, TI und samt Abspeicherung des sich ergebenden Quotienten im Regi- TD die oben schon definierten Konstanten. E bezeichnet den ster für den Istwert des Ausgangspunktes des Lichtbogens 16 45 Lichtbogenlängen-Fehler, also die Regelabweichung hinsicht-ASTA. Danach werden die beiden Register LTEMP und lieh der Lichtbogenlänge, die beim momentanen Durchlauf als

STEMP gelöscht, was durch Block 211 angegeben ist, und es Informationssignal für die Regelabweichung ermittelt wird. El folgt mit Block 212 der Eintritt in die Routine für die Beeinflus- ist der Lichtbogenlängen-Fehler, der während des vorangegan-sung der Lichtbogenlänge. genen Durchlaufes ermittelt und abgespeichert wurde, um bei

Das Ergebnis einer Informationsverarbeitung entspre- 50 der Berechnung im gegenwärtigen Durchlauf zur Verfügung zu chend der in Fig. 4 dargestellten und oben erläuterten Dienst- stehen. Dementsprechend bezeichnet E2 den Lichtbogenlän-routine für die Ermittlung der Istdaten des Lichtbogens 16 ist gen-Fehler, der zwei Durchläufe zuvor berechnet und abgespei-also eine Mittelwertbildung über sechs aufeinanderfolgende chert wurde, um im gegenwärtigen Durchlauf zur Verfügung Lichtbogenlängen-Istwertaufnahmen sowie über sechs aufein- zu stehen.

anderfolgende Ermittlungen des Lichtbogen-Ausgangspunktes 55 Die oben angegebenen Gleichungen (4), (5), (6) und (7) während aufeinanderfolgender Messperioden von je 0,1 Sekun- bezeichnen Vorgaben für die Ansteuerung der vier unter-den Dauer. Diese Mittelwertbildung erfolgt im dargestellten schiedlichen Stellglieder, die auf die tatsächliche Länge des bevorzugten Beispielsfalle durch Aufsummierung sechs aufein- Lichtbogens 16 Einfluss haben. Wie in diesen Gleichungen zum anderfolgender Messergebnisse mit nachfolgender Teilung Ausdruck gebracht, ergibt sich jeweils die Stellgrösse, die wäh-durch den Wert 6 und abschliessender Löschung der dafür 60 rend des momentanen Durchlaufes ermittelt wird, aus der benutzten Kurzzeit-Register, um diese für eine neue Folge von zurückliegend ermittelten Stellgrösse zuzüglich des Betrages sechs Messvorgängen zur Verfügung zu stellen. Wie oben bei DELTA, gewichtet um den zugehörigen Normierungsfaktor der Erläuterung der in Fig. 2 wiedergegebenen Schaltung 26 und Änderungsfaktor. So ist beispielsweise die Steuerungsangegeben, wird die Abtastfrequenz von dieser Bildsignalver- • grosse für die Schweissleistung WLSP gleich der zuvor ermit-arbeitungs- und -Bewertungsschaltung 26 bestimmt, die die 65 telten Stellgrösse WLSP1 zuzüglich des Produktes aus DELTA, Unterbrechungssignale mit einer Folgefrequenz von 60 Hz lie- DW und Fl. Das entsprechende gilt für die anderen erwähnten fert und ihrerseits von den Zeilenabtastvorgängen der Video- Gleichungen (5), (6) und (7), mit der Ausnahme, dass die Glei-kamera 24 angesteuert ist. Somit erfolgt beim dargestellten Bei- chung (5) einen zusätzlichen Anpassungsterm, YE, aufweist, bei

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dem es sich um die Abweichung zwischen dem Istwert und dem Sollwert der Lichtbogen-Ausgangsposition handelt.

Wenn ein Schweissvorgang begonnen wird und deshalb keine Fehlerinformation erhältlich ist, dann werden die Werte für die vier Steuerungsvorgaben, die durch die Gleichungen (4 bis 7) definiert sind, dem Datensatz entnommen, der aus der Endstelle (Störgrössengeber 28) in die als Regler fungierende und bevorzugt als Rechner realisierte Auswerteschaltung 15 übergeben wird.

Die weiteren Gleichungen (8), (9), ( 10) und (11) stellen eine Modifikation der aus den logischen Verknüpfungen gewonnenen Steuerungsvorgaben mittels fester Normierungsfaktoren dar, um angepasste digitale Steuerungsinformationen zu erzielen, die für die speziell angewandten Digital-Analog-Umsetzer und den Schrittmotor geeignet sind, die mit den Stellgliedern zusammenwirken. So ergibt sich beispielsweise das digitale Signal WL, das in den Digital-Analog-Umsetzer 18b (siehe Fig. 1) eingespeist ist, aus einer Multiplikation des Normierungsfaktors WLOSF mit dem errechneten Ansteuerungswert WLSP. Mit dem Faktor WLOSF erfolgt also eine Umsetzung des digitalen Steuersignales, um hinter dem Digital-Analog-Umsetzer 18b ein geeignetes Analogsignal zur Ansteuerung des Stellgliedes für die Leistungsversorgung zu erhalten. Entsprechend wird die errechnete Stellgrösse ELSP mit dem Normierungsfaktor ELOSF verknüpft, ehe damit ein Digital-Ana-log-Umsetzer 18a beaufschlagt wird, der als Analogsignal eine Spannung abgibt, die die Vorschubgeschwindigkeit des Elektrodendrahtes über dessen Vorschubeinrichtung 22 als Stellglied bestimmt. Die errechnete Steuerungsgrösse CLSP wird mit dem Normierungsfaktor CLOSF beaufschlagt, um ein geeignetes Eingangssignal CS für einen Digital-Analog-Umsetzer 18c zu erzielen, der als Analogsignal eine Spannung abgibt, die den Vorschub des kalten Zusatzdrahtes über dessen Vorschubeinrichtung 27 als Stellgerät bestimmt. Schliesslich wird die Steuerungsgrösse VPSP nach Massgabe des Normierungsfaktors VPOSF modifiziert, um ein Digitalsignal VP zu erhalten, welches die Anzahl der Schritte angibt, die der Schrittmotor an der Höhen-Verstelleinrichtung 20 für den Brenner 12 ausführen soll.

Fig. 5A bis Fig. 5C stellen nach Art von Flussdiagrammen die Steuerungs-Routine für Beeinflussung der Lichtbogenlänge dar. Wie oben erläutert, wird lOmal je Sekunde, nämlich jeweils im Anschluss an das Ende der Lichtbogenlängen-Dienstroutine gemäss Fig. 4, in diese Steuerungsroutine eingetreten. Der Eintritt in diese Routine ist durch den Block 221 in Fig. 5A angegeben. Der Block 222 repräsentiert die Übernahme einer Lichtbo-genlängen-Vorgabe, die von der Bedienungsperson der Licht-bogenlängen-Schweissvorrichtung 10 über das Endgerät in Form des Störgrössengebers 28 eingegeben wurde. Dieser Wert ist als ALPS bezeichnet. Der nachfolgende Block 223 soll die Bestimmung der Regelabweichung, also des Fehlers E, als arithmetische Differenz zwischen dem gemessenen Lichtbo-genlängen-Istwert AARC und der Sollwertvorgabe ALPS symbolisieren. Die Blockfolge 224-225 repräsentiert den entsprechenden Dateneingang für die Vorgabe der Lichtbogen-Anfangsposition AREF aus dem Endgerät (Störgrössengeber 28 in Fig. 1 ) und die nachfolgende Bestimmung der Regelabweichung zu Betriebsbeginn, also des Fehlers YE in der Lichtbogenanfangsposition, d. h. die Differenz zwischen dem gemessenen Istwert über die Ausgangsposition des Lichtbogens ASTA und der Sollwertvorgabe AREF. Die Blockfolge 226 bis 235 stellt die Berechnung des Inkrementbetrages DELTA dar. KP, TI und TD sind die Konstanten, die in den Registern innerhalb der Auswerteschaltung 15 abgespeichert zur Verfügung stehen. Weitere Register R1 bis R9 der Auswerteschaltung 15 sind Zwischenregister für die Abspeicherung von Zwischenresultaten im Verlaufe der logischen Operationen, also der Stellgrössenberechnung. El ist der Lichtbogenlängenfehler, der während des vorangegangenen Durchlaufes dieser Routine bestimmt wurde, also 0,1 s zuvor. Entsprechend stellt E2 den Lichtbogenlängenfehler dar, der 0,2 s vorher bestand.

Die Blockfolge 226-227 repräsentiert diejenigen Operationen, die den Ausdruck KP (El -E) bilden. Die Blockfolge 228-229 betrifft die Ermittlung des Ausdruckes KP (E)/TI. Die Blockfolge 230-233 bezeichnet die Ermittlung des Termes KP (TD) ((E2-E1)-(E1 E)). Schliesslich betrifft die Blockfolge 234-235 das Summieren dieser drei Anteile, um einen Wert zu erzielen, der im DELTA-Register abgespeichert wird. Die Blockfolge 236-237 bezieht sich auf die Produktbildung aus DELTA, Skalafaktor Fl und Faktor KW. Dabei sind auch die Faktoren F und K Konstante, die in Registern innerhalb der Auswerteschaltung 15 abgespeichert sind.

Das resultierende Produkt DELTA (KW) (Fl) wird in das Zwischenregister R2 gespeichert. Das Register WLSP, in dem die zuvor bestimmte Schweissleistung abgespeichert ist, erhält den Inhalt des Zwischenregisters R2 hinzuaddiert, um eine aktuellere Stellgrösse für die Schweissleistung zu gewinnen, worauf sich der Block 238 bezieht. Die Blockfolge 239,240 und 241 repräsentiert dementsprechend einen fortgeschriebenen, also aktualisierten Stellwert für die Vertikaleinstellung des Brenners 12 als Funktion von DELTA und von den abgespeicherten Konstanten, die dieser Vertikalposition zugeordnet sind. Auch der zuvor ermittelte Fehler über die Ausgangsposition des Lichtbogens YE wird zum Inhalt des Registers VPSP hinzuaddiert, was durch Block 241 a zum Ausdruck gebracht wird. In entsprechender Weise wird das Register ELSP für die Steuerungsvorgaben für die Elektrodendraht-Vorschubeinrich-tung 22 fortgeschrieben, worauf sich die Blockfolge 242-244 bezieht, während die Blockfolge 245-247 entsprechende Operationen betrifft, um die Stellgrösse für die Vorschubgeschwindigkeit des kalten Zusatzdrahtes im Register CLSP zu aktualisieren. Die Blockfolge 248-251 repräsentiert unabhängige Mul-tipliktionsschritte, die dazu dienen, die akutalisierten Stellwerte nach Massgabe der zugeordneten Normierungsfaktoren zu modifizieren, um Ausgangssignale zur Ansteuerung der Digital-Analog-Umsetzer 18a bis 18c und des Schrittmotors für die VerStelleinrichtung 20 zu erhalten und damit die neuen Betriebsvorgaben zu erzielen, wie sie akuteil erforderlich sind und was durch die Blockfolge 252-253 dargestellt ist.

Am Eingang des Digital-Analog-Umsetzers 18b steht der Digitalwert WL an, und das analoge Ausgangssignal bestimmt die Einstellung der Leistungsversorgung 21 für den Lichtbogen 16. Mit dem Digitalwert VP wird der Schrittmotor innerhalb der Brennerhöhen-Verstelleinrichtung 20 angesteuert, mit der Folge, dass dieser Schrittmotor die entsprechende Anzahl von Positionierschritten ausführt und die Brennerhöhe auf die gewünschte Position einstellt. Der Digitalwert ES führt über den Digital-Analog-Umsetzer 18a zu einem analogen Ausgangssignal als Stellgrösse für die Vorschubgeschwindigkeit des Elektrodendrahtes in der Vorschubeinrichtung 22. Das digitale Ausgangssignal CS von der Auswerteschaltung 15 speist einen Digital-Analog-Umsetzer 18c, dessen analoges Ausgangssignal die Vorschubeinrichtung 27 für eine bestimmte Vorschubgeschwindigkeit des kalten Zusatzdrahtes ansteuert. Die als Lichtbogenlängenfehler ermittelte Regelabweichung bewirkt also eine proportionale Veränderung hinsichtlich der Ansteuerung der verschiedenen Stellglieder in der Richtung, dass die ermittelte Abweichung verringert oder ganz aufgehoben wird. Die Berücksichtigung von Informationen hinsichtlich Abweichungen, die bei früheren Durchläufen dieser Routine ermittelt wurden, mindert diese Änderungen, um Regelschwingungen oder andere Instabilitäten zu vermeiden.

Die letzten Schritte der Steuerroutine für die Lichtbogenlänge sind durch die Blockfolge 254-255 wiedergegeben, bei denen der Fehler E, der sich beim anstehenden Durchlauf erge-

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ben hat, nun in das Register El eingespeichert wird, während der Fehler, der im Register El abgespeichert war, nun in das Register E2 übertragen wird. Auf diese Weise bleibt der gegenwärtig aufgezeigte Fehler, also die momentane Regelabweichung, festgehalten, um ihn bei den nächsten beiden Durchläufen dieser Routine berücksichtigen zu können.

Im Anschluss an diese letzten Schritte erfolgt eine Rückkehr in den Leerlaufzustand, der durch Block 208 in Fig. 4 repräsentiert ist, d. h. nach Ausführung des letzten Schrittes springt die Steuerroutine in diesen Zustand.

In Fig. 6 ist, wiederum nach Art von Flussdiagrammen, ein Ablauf-Unterprogramm dargestellt, welches für den Start der vorstehend beschriebenen Routinen und für die Vorbereitung der Register für die Stellgrössen benötigt wird. In dieses Unterprogramm wird periodisch aus dem Verharrungszustand kommend der durch Block 261 repräsentiert ist, eingetreten. Wie durch Block 262 dargestellt, erfolgt zunächst eine Zustandsab-frage hinsichtlich der Schweisssteuerung. Die entsprechende Kennung wird immer dann gesetzt, wenn ein Lichtbogen besteht. Wenn diese Kennung gesetzt ist, dann folgt der weitere Programmablauf dem bestätigenden Zweig, und die Steuerungsinformationen (Stellgrössen) WLSP, VPSP, ELSP und CLSP werden vom Störgrössengeber 28 übernommen, das als Endgerät zur Dateneingabe durch eine Bedienungsperson dient. Diese Werte werden in zugeordneten Registern WLSP, VPSP, ELSP und CLSP abgespeichert.

Der nächste Teil des Unterprogrammes betrifft eine Abfrageserie von Steuermarken, bei denen die Marken W, V, E und C nach Massgabe der Vorgaben über den Störgrössengeber 28 gesetzt oder gelöscht werden. Wenn eine Marke gesetzt ist, dann wird der zugeordnete Änderungsfaktor in einem Register abgespeichert, um bei der Ermittlung der Stellgrössen während der Lichtbogenlängen-Steuerroutine benutzt werden zu können. Insoweit eine Marke gelöscht ist, ist eine Information 0 in das entsprechende Register eingespeichert, wodurch verhindert ist, dass die Fehlerfunktion, DELTA, irgendeine Veränderung bei der zugeordneten Steuergrösse hervorruft.

Im Block 267 erfolgt eine Überprüfung hinsichtlich einer Steuermarke W. Wenn diese Marke gesetzt ist, führt der bestätigende Zweig auf Block 268a, in dem eine Konstante, die in einem der Register abgespeichert ist, in das Register umgespeichert wird, welches den Wert KW enthält, der daraufhin bei der Bestimmung der aktualisierten Stellgrösse für die Schweiss-energie WLSP benutzt wird, wie es im Zusammenhang mit Fig. 5A bis 5C dargestellt wurde. Andererseits wird, wenn die Marke nicht gesetzt ist, die Zahl 0 in das Register KW eingespeichert, wie es Block 268b ausweist. In entsprechender Weise stellt die Blockfolge 269-270a und 270b das Abspeichern von entweder dem Wert KV oder 0 mit Register KV abhängig vom Status der Steuermarke V dar. Die Blockfolge 271,272a und 272b repräsentiert dementsprechend das Abspeichern von entweder dem Wert KE oder 0 im Register KE, abhängig vom Status der Steuermarke E. Entsprechend stellt die Blockfolge 273, 274a und 274b das Abspeichern von entweder dem Wert KC oder 0 im Register KC abhängig vom Status einer Steuermarke Cdar.

Die Steuermarken können in beliebiger Kombination gesetzt sein, vorausgesetzt dass wenigstens eine überhaupt gesetzt ist, und die Länge des Lichtbogens 16 wird über die beschriebenen Stellglieder nach Massgabe der gesetzten Marken beeinflusst. Auf diese Weise reagiert wenigstens eine der als Stellglieder des Regelkreises vorgesehenen Vorrichtungen 20,21,22 oder 27 auf ein Signal über eine Regelabweichung oder einen entsprechenden Parameter, um die Länge des Lichtbogens 16 zu beeinflussen.

Schliesslich wird ein Freigabesignal an die Bildsignalverarbeitungs- und -Bewertungsschaltung 26 übermittelt, worauf sich der Block 266 in Fig. 6 unten bezieht, woraufhin abschliessend die Rückkehr aus diesem Unterprogramm in den Verharrungszustand erfolgt.

Nachdem die Schaltung 26 freigegeben ist, unterbricht sie den Verharrungszustand 60mal je Sekunde, wie oben schon beschrieben, um lOmal pro Sekunde den Ablauf der Lichtbogenlängen-Steuerroutine auszulösen. Um die Stellgrössenregi-ster nur einmal extern vorzubereiten und daraufhin stets über die berechnete DELTA-Funktion zu aktualisieren, ist bei dem in Fig. 6 dargestellten Ausführungsbeispiel für ein Unterprogramm der Eintritt in den Block 264 über den negativen Zweig des Verzweigungsblockes 263 vorgesehen, wenn die Bildsignalverarbeitungs* und -bewertungsschaltung 26 gesperrt ist. Wenn diese Schaltung 26 jedoch freigegeben ist, dann sind, wie aus Fig. 6 ersichtlich, Block 264, Block 265 und Block 266 über den bejahenden Zweig überbrückt.

Wenn die Marke gelöscht wird, was der Fall sein würde, wenn der Lichtbogen unterbrochen ist, dann führt der verneinende Zweig des Verzweigungsblockes 262 auf Block 263a, der die Abgabe eines Sperrsignales an die Bildsignalverarbeitungsund -bewertungsschaltung 26 repräsentiert, woraufhin unmittelbar der Eintritt in dieses Unterprogramm vor Block 275 erfolgt.

Zur Vereinfachung der Beschreibung eines funktionstüchtigen Ausführungsbeispieles zur erfindungsgemässen Regelschaltung ist in Fig. 4 bis 6 auf Flussdiagramme über die logischen Zusammenhänge der einzelnen aufeinander einwirkenden Informationen gewählt, zumal die als Regler fungierende Auswerteschaltung zwischen den Istwertaufnehmern bzw. Sollwertgebern einerseits und den Stellgliedern andererseits bevorzugt unter Verwendung universell einsetzbarer und miteinander verschaltbarer digitaler Baugruppen - zumal unter Verwendung der hoch integrierten Baugruppen in Form von Rechnern oder Mikroprozessoren - realisiert werden wird. Ebenso ist aber eine Realisierung in herkömmlicher, diskreter Schaltungstechnik unter Verwendung logischer Gatterschaltungen möglich, die den einzelnen beschriebenen Funktionsabläufen entsprechend logisch miteinander verknüpft sind, wie es für die Schaltung 26 in Fig. 2 dargestellt und diesbezüglich oben beschrieben ist.

Die Flussdiagramme gemäss Fig. 4 bis 6 beziehen sich auf eine Realisierung der Regler-Auswerteschaltung 15 mittels des kommerziell erhältlichen Digitalrechners PDP11 mit opto-elek-trischer Schnittstellen-Schaltung 15a des Types Monsanto MCT-6. Auch die Digital-Analog-Umsetzer 18a bis 18c sind kommerziell erhältlich, beispielsweise als Typen DAC 80 CB1-V (BB). Als Videokamera 24 kann eine handelsübliche Kamera etwa des Types Dage-RG 50 Anwendung finden. Der als Datenendgerät bzw. Bedienungs-Eingabegerät ausgebildete Störgrössengeber 28 ist durch ein Gerät realisierbar, das unter der Bezeichnung Consul 580 kommerziell erhältlich ist. Für die Leistungsversorgung 21 wird zweckmässigerweise eine Schaltung eingesetzt, die in der US-PS 3 912 980 beschrieben ist.

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2 Blatt Zeichnungen

Claims

625632 PATENTANSPRÜCHE

1. Vorrichtung für die Regelung der Soll-Länge eines Lichtbogens zwischen einem Elektrodenpaar, insbesondere für automatische Lichtbogen-Schweissvorrichtungen, gekennzeichnet durch einen optischen Aufnehmer (24) zur Abgabe eines der Lichtbogen-IST-Länge entsprechenden ersten Signals, einen Umsetzer (26), mit dem Aufnehmer (24) verbunden, zur Erzeugung eines zweiten Signals, charakteristisch für die IST-Länge, wobei das zweite Signal auf eine Stellgliedanordnung (20,21, 22,27) geführt ist, zur Stellung der Lichtbogen-IST-Länge auf die SOLL-Länge.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellgliedanordnung voneinander unabhängig ansteuerbare Stellglieder (22,27) umfasst, zur Beeinflussung der IST-Bogenlänge.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der optische Aufnehmer eine Videokamera (24) und der Umsetzer eine Bildsignalverarbeitungs- und Bewertungsschaltung (26) ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb der Videokamera (24) das helle Abbild des Lichtbogens (16) auf eine elektrische Signale liefernde Bildfläche projiziert ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Bildsignalverarbeitungs- und -Bewertungsschaltung (26) eine Zählschaltung (37) für die Anzahl derjenigen Abtastzeilen enthält, die das helle Abbild des Lichtbogens (16) auf der Bildfläche der Videokamera (24) schneiden.

6. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stellgliedanordnung ein Vergleicher (15) vorgeschaltet ist, der einerseits vom SOLL-Wert für die Lichtbogenlänge beaufschlagt und andererseits an die Bildsignalverarbeitungs- und -Bewertungsschaltung (26) angeschlossen ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Umsetzer (26) für die Stellglieder (22, 27) je ein Stellsignal abgibt, dessen Kombination die Stellglieder zur Stellung der IST-Länge auf die SOLL-Länge beeinflusst.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellgliedanordnung eine steuerbare Lichtbogen-LeistungsVersorgung (21 ) umfasst, an die das Elektrodenpaar angeschlossen ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellgliedanordnung eine Elektrodendraht-Vorschubeinrichtung (22) zur Bewegung der einen der beiden Elektroden umfasst.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellgliedanordnung eine Höhen-Ver-stelleinrichtung (20) für die vertikale Abstandseinstellung zwischen den Elektroden umfasst.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 10,

dadurch gekennzeichnet, dass die Stellgliedanordnung eine Zusatzdraht-Vorschubeinrichtung (27) für Zufuhr kalten Zusatzdrahtes (23) im Schweissbereiche umfasst.

12. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein als Endstelle ausgebildeter Störgrössengeber (28) zugleich für Eingabe eines Lichtbogenlängen-SOLL-Wertes ausgebildet ist.

13. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass den einzelnen Stellgliedern der Stellgliedanordnung Signalumsetzer zur Gewinnung angepasster Stellsignale vorgeschaltet sind.

14. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein Vergleicher (15) für einerseits den Lichtbogenlängen-SOLL-Wert, der vorgebbar ist, und andererseits den Lichtbogenlängen-IST-Wert aus der Bildsignalverarbeitungs- und -Bewertungsschaltung (26) zur Ansteuerung wenigstens eines der Stellglieder der Stellgliedanordnung vorgesehen ist.