CH665377A5

CH665377A5 - Schaltungsanordnung zur ueberwachung der schweiss-spannung bei einem wechselstrom-widerstandsschweissgeraet und verwendung derselben.

Info

Publication number: CH665377A5
Application number: CH5596/81A
Authority: CH
Inventors: Keith Buxton
Original assignee: Metal Box Plc
Priority date: 1980-09-01
Filing date: 1981-08-31
Publication date: 1988-05-13
Also published as: DE3134346C2; US4449028A; FR2489197B3; FR2489197A1; GB2083235B; IT1138180B; GB2083235A; DE3134346A1; IT8123717A0

Description

BESCHREIBUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Überwachung der Schweiss-Spannung bei einem Wechselstrom-Widerstandsschweissgerät gemäss dem Oberbegriff des unabhängigen Patentanspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung noch eine Verwendung dieser Schaltungsanordnung gemäss dem Gattungsbegriff des unabhängigen Patentanspruchs 15.

Die ohm'sche Spannung bzw. die gleichphasige Spannung über den Elektroden eines Widerstandsschweissgerätes für die Herstellung des Längssaumes bei rohrförmigen Dosen ist noch von einer Blindspannung begleitet, die durch die Wechselstromzuleitung zu den Elektroden gekoppelt ist und im besondern aus der verteilten Induktivität der Stromschienen besteht. Zusätzlich wird jeder Versuch zur Darstellung der Schweiss-Spannung unvermeidbar durch eine weitere Blindspannung verändert, die durch die Anschlussverbindungen des Überwachungskreises selbst erzeugt werden. Die Schweiss-Spannung wird daher durch die effektive oder phasengleiche Komponente, die eigentlich zur überwachen ist und aus einer Blindkomponente, die wesentlich grösser als die ohm'sche Komponente sein kann, begleitet, so dass die ohm'sche Komponente überdeckt werden kann.

Vom Stand der Technik, wie er beispielsweise durch die US-Patente Nrn. 3 389 239, 3 582 967 und 4 242 561 dargestellt ist, wird keine Lehre dafür gegeben, dass die messbare Schweissspannung von Natur aus eine grosse reaktive Komponente hat und deshalb nur als Anzeige für die Qualität der Schweissnaht verwendet werden darf, wenn die reaktive Komponente entfernt ist.

Durch die vorliegende Erfindung soll eine Schaltungsanordnung zur Überwachung der Schweiss-Spannung geschaffen werden, mit der aus der an den Elektroden wirkenden Schweiss-Spannung ein Signal abgeleitet werden kann, aus dem die Qualität der Schweissnaht bestimmt werden kann.

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Erfindungsgemäss wird dies mit einer Schaltungsanordnung erreicht, die die Merkmale im kennzeichnenden Teil des unabhängigen Patentanspruchs 1 aufweist. Eine besondere Verwendung dieser Schaltungsanordnung ist im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 15 gekennzeichnet.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer ersten Überwachungsanordnung in bezug auf die Radelektroden und Speiseleitungen einer Anordnung zum Schweissen der Längsnähte von Dosen,

Fig. 2 bis 4 verschiedene Spannungsverläufe der Anordnung gemäss Fig. 1,

Fig. 5 ein Schaltungsschema einer zweiten Überwachungsanordnung, bei der die Anordnung gemäss Fig. 1 modifiziert ist, um eine automatische Kompensation für Veränderungen der magnetischen Permeabilität zu erhalten, und

Fig. 6 eine schematische Darstellung einer dritten Anordnung zur Überwachung.

Die Überwachungsanordnung gemäss Fig. 1 ist dazu eingerichtet, um ein Signal der ohm'schen oder phasengleichen Komponente Vr der Spannung über den Radelektroden 10 einer Dosenlängsnaht-Schweisseinrichtung abzuleiten. Die Räder sind in der Betriebsphase wenn das Gerät in Betrieb ist dargestellt, d.h. in bezug auf ein Paar von sich überlappenden Randkanten 11, die die Längsnaht einer Weissblechdose aus drei Teilen bilden. Die Dose ist rohrförmig und beidseitig offen, so dass das untere Rad 10 auf der Innenseite der Dose bewegt wird.

Die Naht wird mittels Widerstandsschweissung mit Wechselstromspeisung hergestellt. Dementsprechend und in bekannter Weise wird somit die Naht durch eine Folge von gleichmässig distanzierten aber sich überlappenden Schweissknoten gebildet, die je während einer Halbwelle des Wechselstroms hergestellt sind. Obwohl in der Zeichnung nicht dargestellt, ist die Speisung der Schweisselektroden eine übliche Ausführungsform. Diese besteht aus einem rotierenden Frequenzwandler, der mit einer dreiphasigen Spannung gespeist wird und eine einphasige Ausgangswicklung mit geerdeter Mittelabzapfung aufweist. Ein Schweiss-transformator, der über dieser Wicklung angeschlossen ist, speist die Räder 10 durch die obere und die untere Stromschiene 13,14 gemäss der Zeichnung. Ein Paar von gegensinnig parallel geschalteter Thyristoren sind im Schaltkreis zwischen dem Umformer und dem Schweisstransformator angeschaltet und werden gesteuert, um den Phasenwinkel des Schweiss-Stromes zu beschneiden und damit die elektrische Energie, die pro Schweisspunkt abgegeben wird, zu regeln.

Die Überwachungsschaltungsanordnung erhält die Schweiss-Spannung Vw über die Drähte 15 und besitzt einen Differenzverstärker 16, dem diese Spannung mittels der Leiter 15 zugeführt wird. Die Schweiss-Spannung Vw besteht aus der ohm'schen oder gleichphasigen Komponente Vr mit einer zusätzlichen, im wesentlichen grösseren induktiven Komponente Vl infolge der verteilten Induktivität zwischen den Messpunkten. Zusätzlich wird eine Spannung VE elektromagnetisch auf die Leitungen 15 induziert, die relativ gesehen wesentlich sein kann.

Die Spannung am Eingang des Verstärkers 16 ist somit VR + VL + VE (oder Vw + VE) und ist in Fig. 1 durch V'w dargestellt. Diese Spannung wird nachfolgend als «Überwachungsspannung» gekennzeichnet.

Eine Sondenspule 17 ist induktiv mit der Zuleitung an der oberen Stromschiene 13 gekoppelt (dort wo sie im wesentlichen durch die veränderbare magnetische Permeabilität der Dose nicht beeinflusst wird) und erzeugt eine Ausgangsspannung Vs als Eingangsspannung für einen zweiten Differentialverstärker 18. Es wird festgehalten, dass die Spannung

Vs im wesentlichen induktiv ist und deshalb phasengleich mit der Blindkomponente (Vl + VE) der überwachten Schweiss-Spannung V'w ist.

Die Ausgänge der Verstärker 16 und 18 sind mit einem Addierer 19 verbunden, der damit ein Ausgangssignal entsprechend der Differenz der beiden Eingangssignale erzeugt. Der Verstärkungsgrad der Verstärker 16,18 ist so gewählt, dass die Spannung Vs der Sondenspule 17 nach Verstärkung im Verstärker 18 angenähert gleich gross ist wie die Blindkomponente der Spannung V'w nach der Verstärkung im Verstärker 16 über die gesamte Halbwelle der Wechselspannung. Entsprechend ist die Ausgangsspannung aus dem Addierer 19 im wesentlichen nur die ohm'sche oder phasengleiche Komponente Vr der Schweiss-Spannung Vw und nach entsprechender Verstärkung in einem weiteren Verstärker 21 kann diese Ausgangsspannung zur Anzeige und/oder Steuerung auf eine Leitung 22 gegeben werden (der Addierer 19 und der Verstärker 21 sind üblicherweise als Differenzverstärker kombiniert).

Wie vorteilhafterweise gezeigt ist, ist der Ausgang aus dem Verstärker 21 auf einen Integrator 23 geführt, der das Signal mit Bezug auf die Zeit integriert und auf die Leitung 24 ein Signal entsprechend V=JVr dt gibt. Für einen konstanten Wert des Schweiss-Stromes Iw bedeutet dieses Integral die verwendete elektrische Energie während des Schweissens. Der Integrator wird durch einen Rückstellkreis 28 vor jeder Halbwelle des Stromes Iw zurückgestellt, so dass beim Schweissen einer Naht auf der Leitung 24 eine Folge von Signalen entsteht, die der elektrischen Energie bei jedem Schweisspunkt der Naht entspricht. Diese Signale werden einer Anordnung 29 zugeführt, die aus den absoluten Werten Proben entnimmt und diese mittels eines Kondensators 9 hält, bis sie durch das nächste Signal verändert werden.

Statistisch gesehen ist es bekannt, dass für die Herstellung zufriedenstellender Schweisspunkte die für jeden Schweisspunkt benötigte Energie innerhalb bestimmter oberer und unterer Grenzwerte liegen muss. Dosen mit einem oder mehreren Energiewerten, die ausserhalb dieses Bereichs liegen, werden automatisch durch den Dosenausscheider 25 ausgeschieden, der das Ausgangssignal aus dem Pro-benhaltekreis 29 erhält. Das Gerät 25 kann Vorrichtungen aufweisen, mit denen einem Operateur signalisiert wird, dass die Grenzen zu verändern sind, nachdem er die Nähte der Dosen überprüft hat. Dementsprechend sind Eingänge 26, 27 zur Eingabe der oberen und unteren Grenzwerte vorhanden. Das Signal auf der Leitung 24 kann zur Anzeige und/ oder Steuerung anderer Funktionen als die Ausscheidung von defekten Dosen verwendet werden.

Fig. 2 bis 4 zeigen zwei sich folgende Halbwellen mit verschiedenen Spannungsformen zur Darstellung des Betriebs der Überwachungsanordnung. Zum Zweck des Vergleichs ist der Schweiss-Strom Iw strichliert in Fig. 2 dargestellt und durch die Schweiss-Spannung V'w überlagert, die einen grossen Blindkomponentenanteil aufweist. Der Schweiss-Strom fallt natürlich auf Null bei den Stellen Iwo und der nachfolgende Anstieg ist künstlich verlängert bis zu den Stellungen Iwb mittels der vorgenannten Phasenwinkelsteuerung.

Fig. 3 zeigt die induzierte Spannung Vs in der Sondenspule 17, die in ihrer Form ähnlich der überwachten Schweiss-Spannung V'w ist.

Fig. 4 zeigt die ohm'sche oder gleichphasige Komponente VR der Schweiss-Spannung Vw am Ausgang des Addierers 19 oder des Verstärkers 21.

Infolge der Leckinduktivität im Schweisstransformer besteht eine geringe Spannung während der Zeit, in der die Phasenwinkelsteuerung wirkt, d.h. zwischen den Punkten Iwo und Iwb der dargestellten Spannungsform. Diese Span5

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nung wird durch den Integrator 23 bei der Feststellung des jVR dt ignoriert.

Die Ableitung der ohm'schen oder gleichphasigen Komponente VR der Schweiss-Spannung Vw basiert auf der Annahme, dass die magnetische Permeabilität an der Aufnahmestelle der Schweiss-Spannung konstant ist. Mit der Überwachungsanordnung gemäss Fig. 1 können Änderungen in dieser magnetischen Permeabilität bei gewissen Anwendungen die Amplituden der Blindspannungen Vr und Ve von einem Schweisspunkt zum andern soweit beeinflussen, dass das Ausgangssignal aus dem Addierer 19 eine wesentliche blind- oder phasenverschobene Komponente aufweist. Insbesondere ist dann das Signal auf der Leitung 24 als Mass für die pro Schweisspunkt aufgewendete Energie ungeeignet. Um die Annäherung der durch den Verstärker 18 erzeugten Spannung an die Blindkomponente (Vl + Ve) der überwachten Schweiss-Spannung V'w wird die Überwachungsanordnung gemäss Fig. 1 gemäss Fig. 5 verbessert, um eine selbsttätige Kompensation für die magnetische Permeabilitätsänderung durch Regeln des Verstärkungsgrades des Verstärkers 18 zu bewirken.

Gemäss Fig. 5 weist die Überwachungsanordnung zusätzlich zu den schon beschriebenen Bestandteilen gemäss Fig. 1 noch eine Anordnung 30 zur Entnahme von Proben und zur Haltung von deren Amplituden auf, die durch Impulse auf der Leitung 31 bewirkt werden und mit einem Haltekondensator 32 bestückt ist und einen Komparator 33 für das Ausgangssignal des Proben- und Haltekreises zwecks Vergleichs dieses Signals mit einer Referenzspannung am Anschluss 34 und zur Erzeugung eines fehlerabhängigen Signals auf der Leitung 35. Der Verstärker 18 ist mit dieser Leitung 35 für das fehlerabhängige Signal verbunden und kann den Verstärkungsgrad entsprechend diesem Signal verändern.

Die zeitliche Folge der Impulse auf der Leitung 31 ist derart, dass der Proben- und Haltekreis 30 die absoluten Werte der VR-abhängigen Impulse aus dem Verstärker 21 am Ende jeder Halbwelle des Schweiss-Stromes Iw abtasten kann. Danach hält er die Proben mittels des Kondensators 32 auf der Leitung zum Komparator 33. Gewöhnlich zeigt das Signal am Anschluss 34 eine Null-Spannung und es wird daher verstanden, dass in Abhängigkeit von den Impulsen auf der Leitung 31 der Verstärkungsgrad des Verstärkers 18 wiederholt geregelt wird, um jegliche Überreste des VR-abhängigen Signals zu entfernen, die am Anfang der Perioden der Phasenwinkelsteuerung noch bestehen können (d. h. während der Null-Strombedingungen).

Die Erzeugung der Impulse auf der Leitung 31 zur Steuerung des Proben- und Haltekreises 30 wird durch eine Serieschaltung eines Integrators 36 über der Probenspule 17 zur Aufnahme der Spannung Vs, eines Gleichrichters 37 zur Erzeugung eines absoluten Wertes des wechselnden Ausganges aus dem Integrator, eines Komparators 38 zum Vergleichen des Ausgangs aus der Anordnung 37 mit einem Referenzsignal an den Anschlüssen 39, das bezüglich eines mittleren Wertes kleiner ist, zwecks Erzeugung eines konstanten Ausgangssignals während der Perioden, in denen das Referenzsignal überschritten wird und eines monostabilen Kreises 40, der durch die Hinterkanten von Rechteckimpulsen aus dem Komparator 38 angestossen wird, um kurze Impulse für die Leitung 31 zu erzeugen, gebildet.

Der Integrator 36 wird am Ende von jeder Halbwelle des Schweiss-Stromes Iw zurückgestellt. Während der folgenden Halbwelle des Schweiss-Stromes integriert er die Spannung Vs, wie aus Fig. 3 entnommen werden kann, die im wesentlichen symmetrisch zwischen positiven und negativen Höchstwerten variiert. Der Integrator ist bidirektional und sein Ausgang fällt auf den tieferen Wert des Referenzsignals am Anschluss 39 während im wesentlichen derselben Zeit, in der der Schweiss-Strom Iw auf Null gelangt. Entsprechend sind die Impulse auf der Leitung 31, die durch die Geräte 36 bis 40 erzeugt werden, zeitlich korrekt am Anfang der Perioden der Phasenwinkelsteuerung, wie es für den Betrieb der weiter oben beschriebenen Verstärkungskompensation benötigt wird.

Eine dritte Überwachungsanordnung ist in Fig. 6 dargestellt und beruht bezüglich des Betriebs auf der Tatsache, dass beide Blindspannungskomponenten von V'w proportional zur Änderung des magnetischen Flusses sind, daher erzeugt die integrierte Spannung V'w ein Ausgangssignal, das proportional zum magnetischen Fluss ist und verschwindet, wenn die Integration während einer vollständigen Halbwelle erfolgt, d.h. zwischen den Nullstellen des Flusses. Somit kann durch Integration des Wertes V'w mit Bezug auf die Zeit von jedem Impuls des Schweiss-Stromes ein Signal erhalten werden, das im wesentlichen frei von Blindkomponenten ist und deshalb nur die ohm'sche oder gleichphasige Komponente VR darstellt. Zusätzlich ist das Signal schon in integrierter Form (jVR dt), die für die Rückweisung von Dosen und/oder andere Anzeichen oder Steuerfunktionen benötigt wird, vorhanden, bei denen ein Mass der elektrischen Energie, die für jeden Schweisspunkt verwendet wurde, benötigt wird.

In Fig. 6 weist die Überwachungsanordnung einen Differenzverstärker 41 auf, um die überwachte Schweiss-Spannung V'w zu verstärken. Ein bidirektionaler Integrator 42 ist mit dem Ausgang des Verstärkers 41 verbunden, um auf der Leitung 43 ein Signal V=j"VR dt zu erzeugen. Nachdem aus den absoluten Werten der Halbwellenkomponenten Proben entnommen wurden und gehalten wurden, das mittels des Proben- und Haltekreises 29 mit zugehörigem Kondensator 9 bewerkstelligt wurde, kann das Signal für ein Dosenaus-scheidegerät 25 in der vorbeschriebenen Art verwendet werden.

Es ist noch festzustellen, dass die Ausführungsformen gemäss Fig. 1 und 5 ein Signal erzeugen, das der ohm'schen oder gleichphasigen Komponente VR der Schweiss-Span-nung entspricht während kein solches VR-abhängiges Signal aus der Überwachungsanordnung gemäss Fig. 6 erhalten wird.

Die Erfindung beschränkt sich nicht auf die Herstellung von Schweissnähten für rohrförmige Dosen, bei denen Radelektroden verwendet werden, sondern auch für andere Schweissgeräte für andere Anwendungen.

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4 Blatt Zeichnungen

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PATENTANSPRÜCHE

1. Schaltungsanordnung zur Überwachung der Schweissspannung (Vw) bei einem Wechselstrom-Widerstands-schweissgerät. gekennzeichnet durch Mittel (16,18,19,21, 41) zur Bildung wenigstens eines ersten die Schweissspan-nung (\\y) repräsentierenden Signals (Vr), und durch ein Mittel (23.42). dem das genannte Signal (Vr) zuführbar ist, um daraus ein Signal (V) zu erzeugen, das die ohm'sche oder die gleichphasige Komponente darstellt.
2. Schaltungsanordnung nach Patentanspruch 1, gekennzeichnet durch erste Mittel (17,18) zur Erzeugung einer zweiten um 90 phasenverschobenen Spannung (Vs) bezüglich der ohm'schen Komponente der Schweissspannung (Vw). Mittel (19,21) zur Addition der um 90° phasenverschobenen Spannung (Vs) und der Schweissspannung (Vw), um dadurch die Blindspannungskomponente (VL + Ve) der Schweissspannung (Vw) aufzuheben und die rein ohm'sche Komponente (VR) für die Weiterverarbeitung zu erzeugen.
3. Schaltungsanordnung nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Mittel eine Sondenspule (17) umfassen, um die um 90° phasenverschobene Spannung (Vs) zu erzeugen.
4. Anordnung nach Patentanspruch 2, gekennzeichnet durch einen ersten Verstärker (16) und einen zweiten Verstärker (18) für die Schweiss-Spannung (Vw) bzw. für die genannte zweite Spannung (Vs) und ferner dadurch gekennzeichnet, dass dem Mittel zur Summierung (19) die Ausgänge aus den beiden Verstärkern zugeführt sind.
5. Anordnung nach Patentanspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Verstärker (18) geregelt ist (Fig. 5).
6. Anordnung nach Patentanspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel (30 — 35) zur Regelung des Verstärkungsgrades zur wiederholten Steuerung des Verstärkungsgrades des zweiten Verstärkers (18) eingerichtet ist, zum Zweck, jegliche Reste des ersten Signals (VR), die am Ende der Halbwelle des Schweiss-Stromes bestehen können, zu entfernen.
7. Anordnung nach Patentanspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Verstärkungsgrad des zweiten Verstärkers (18) in Abhängigkeit einer Probenspannung geregelt wird, und dass ein Haltekreis (30, 32) vorhanden ist, um die Abtastproben des ersten Signals am Ende der Halbwelle des Schweiss-Stromes zu halten und damit den Verstärkungsgrad des zweiten Verstärkers (18) zu regeln.
8. Anordnung nach Patentanspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zur Regelung des Verstärkungsgrades einen Komparator (33) umfasst, mit dem der Wert der Probe und der Wert des Signals aus dem Haltekreis (30, 32) mit einem Referenzsignal (34) verglichen wird.
9. Anordnung nach einem der Patentansprüche 2 bis 8, gekennzeichnet durch einen Integrator (23) zur Integrierung des ersten Signals (VR) mit Bezug auf die Zeit und zur Erzeugung eines Ausgangssignals (V), das dem Integral des ersten Signals (VR) entspricht und damit die verbrauchte elektrische Energie während des Schweissens darstellt.
10. Anordnung nach Patentanspruch 9, gekennzeichnet durch Mittel (25) zur Erzeugung eines Anzeigesignals aus dem Ausgangssignal (V), wenn dieses Ausgangssignal obere und untere Grenzwerte über- bzw. unterschreitet.
11. Anordnung nach Patentanspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das genannte Mittel (25) zur Steuerung des Schweissgerätes in Abhängigkeit des Ausgangssignals (V) ausgebildet ist.
12. Anordnung nach Patentanspruch 1, gekennzeichnet durch einen Integrator (42) zur Integration der Schweiss-Spannung (Vw) mit Bezug auf die Zeit und zur Abgabe eines Ausgangssignals (V) zur Darstellung des Integralwertes, der zumindest angenähert nur die ohm'sche Komponente der Schweiss-Spannung darstellt.
13. Anordnung nach Patentanspruch 12, gekennzeichnet durch Mittel (25) zur Erzeugung eines Anzeigesignals aus dem Ausgangssignal (V) des Integrators (42), zur Anzeige, wenn das Ausgangssignal ausserhalb eines oberen und unteren Grenzwertes liegt.
14. Anordnung nach Patentanspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das genannte Mittel (25) zur Steuerung des Schweissgerätes in Abhängigkeit des Ausgangssignals (V) ausgebildet ist.
15. Verwendung der Schaltungsanordnung nach Patentanspruch 1 für die Herstellung des Längssaumes bei rohrför-migen Dosen bei einem Wechselstrom-Widerstandsschweiss-gerät mit erster und zweiter Elektrode (10) zur Auflage auf sich gegenüberliegenden Partien (11) der Dose, die miteinander zu verschweissen sind, Anschlüssen (13,14) zu den Elektroden (10) zur Speisung mit Wechselstrom, einem Auswertungskreis (25) zur Darstellung der Schweiss-Spannung über den Elektroden (10) und zur Abgabe eines Ausgangssignals, das die verbrauchte Energie während jeder Halbwelle des Schweiss-Stromes (Vw) darstellt, dadurch gekennzeichnet, dass dem Auswertungskreis (25) das Ausgangssignal (V) als das Integral mit Bezug auf die Zeit der ohm'schen Komponente der Schweiss-Spannung zuführbar ist.
16. Verwendung nach Patentanspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel (25) vorhanden sind, um in Abhängigkeit vom Ausgangssignal (V) die Dosen auszuscheiden, bei denen das Ausgangssignal (V) ausserhalb der Grenzwerte liegt.