CH682889A5

CH682889A5 - Verfahren zum Widerstandsschweissen und Anordnung zur Durchführung des Verfahrens.

Info

Publication number: CH682889A5
Application number: CH676/91A
Authority: CH
Inventors: Werner Sutter
Original assignee: Elpatronic Ag
Priority date: 1991-03-06
Filing date: 1991-03-06
Publication date: 1993-12-15
Also published as: TW198106B; DE4113117C1; KR960001587B1; KR920017758A; DE59203931D1

Description

1

CH 682 889 A5

2

Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Wider-standsschweissen gemäss Oberbegriff von Anspruch 1. Verfahren mit in periodischen Halbwellen pulsierendem, insbesondere wechselndem Schweissstrom, der aus einer Primärwechselspannung eines Schweisstransformators erzeugt und durch Pulsdauermodulation derselben geregelt wird, sind bekannt.

Ausserdem betrifft die Erfindung eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens, mit einem netzgespeisten statischen Frequenzumformer, der einen Gleichstromzwischenkreis und als Ausgangsstufe einen Zerhacker aufweist, die Primärwechselspannung erzeugt und an den Schweisstransformator abgibt, dessen Sekundärkreis mit Schweisselektro-den einer Widerstandsschweissmaschine verbunden ist, und mit einem Regler, der mit dem Zerhacker des Frequenzumformers zum Regeln des Schweissstroms durch Pulsdauermodulation der Primärwechselspannung verbunden ist und einen Schweissstromsollwertgeber aufweist.

Ein solches Verfahren und eine solche Anordnung sind aus der EP-A2 0 260 963 bekannt, auf die nachfolgend noch näher eingegangen wird.

Bei einer bekannten Nahtschweissvorrichtung (EP-A1 0 261 328) zum Widerstandslängsnaht-schweissen der überlappten Ränder von Zargen für Konservendosen und dgl. wird eine dreiphasige Netzwechselspannung in eine Gleichspannung umgewandelt, die geglättet und in eine Impulsspannung mit wechselnder Polarität umgeformt wird. Diese Impulsspannung wird an die Schweisselektro-den der Nahtschweissvorrichtung angelegt. Die Frequenz der Impulsspannung wird so gewählt, dass der sich ergebende Schweissstrom kontinuierlich ist und sich deshalb die einzelnen Schweisslinsen oder Schweisspunkte, welche jeweils durch eine der rechteckförmigen Halbwellen der Impulsspannung erzeugt werden, einander überlappen. Da jede Schweissstromhalbwelle durch eine Halbwelle der Impulsspannung erzeugt wird, ist die Schweiss-stromform von der Impulsdauer der Impulsspan-nungshalbwellen abhängig. Wenn beim Regeln des Schweissstroms diese Impulsdauer während einer Halbwelle verändert wird, so führt das zu einer wesentlichen Veränderung der Schweissstromform, was als nachteilig anzusehen ist. Es wäre wesentlich vorteilhafter, wenn die Schweissstromform nicht systembedingt wäre, also nicht durch Maschinenparameter bestimmt würde, sondern zur Optimierung des Schweissergebnisses vorgewählt werden könnte. Weiter arbeitet bei der bekannten Nahtschweissvorrichtung der Schweissstromregler, der den Schweissstrom pro Schweisspunkt regelt, jeweils mit dem Messwert des vorhergehenden Schweiss-punktes. Die Reaktionszeit des Reglers ist daher, auch bedingt durch ein durch diesen angesteuertes Stellglied, relativ gross (bei einer Schweissfrequenz von 500 Hz beträgt die Reaktionszeit 1 ms). Dadurch ist der Regler nicht in der Lage, schnelle Veränderungen der Schweissparameter zu korrigieren (z.B. bei verschmutzter Blechoberfläche); Um die Reglereigenschaften bei dieser bekannten Nahtschweissvorrichtung zu verbessern, müsste also die Reglerreaktionszeit verkürzt werden. Zu diesem Zweck könnte daran gedacht werden, die Schaltfrequenz um einen bestimmten Faktor zu erhöhen. Dadurch würde aber auch die Frequenz des Schweissstromes um diesen Faktor erhöht. Da infolge der stark induktiven Last der Nahtschweissvorrichtung die Impedanz etwa proportional zur Frequenz zunähme, reduzierte sich der Schweissstrom um einen Faktor, der gleich dem Kehrwert des Faktors wäre, mit dem die Schaltfrequenz erhöht worden wäre. Um das zu kompensieren, müssten die Spannung und die Leistung des Frequenzumformers und des Schweisstransformators der bekannten Nahtschweissvorrichtung um den gleichen Faktor erhöht werden, um den die Schaltfrequenz erhöht würde. Weiter wäre dadurch dann auch die Forderung, dass die Schweissfrequenz in einem bestimmten Verhältnis zur Schweissgeschwindigkeit stehen muss, nicht nehr erfüllt. Bei dieser bekannten Nahtschweissvorrichtung lassen sich aufgrund der langen Reglerreaktionszeit Schweissparameter wie beispielsweise der Übergangswiderstand an der Schweissstelle (Oberflächenbeschaffenheit des Schweissgutes), Werkstoffeigenschaften des Schweissgutes, usw. nicht ausreichend schnell berücksichtigen, und ausserdem besteht keine Möglichkeit, die Schweissstromform unterschiedlichen Schweissbedingungen, z.B. den Bedürfnissen der verschiedenen zu verarbeitenden Werkstoffe, anzupassen.

Die eingangs bereits erwähnte EP-A2 0 260 963 schlägt vor, eine Stromquelle hoher Frequenz einzusetzen, um die Verwendung eines kleineren Schweisstransformators zu ermöglichen. Da das Probleme bei der notwendigen Phasensteuerung von Thyristoren mit sich bringt, wird mit einer Feed-forward- oder Vorwärtsregelung des Schweissstroms gearbeitet, indem in einer Halbwelle bei der Phasensteuerung ein vorberechneter Wert eingesetzt wird, der zuvor auf der Grundlage des Messwertes für die vorhergehende Halbwelle berechnet worden ist. Auch die aus dieser Druckschrift bekannte Anordnung arbeitet nicht bei allen Betriebsbedingungen zufriedenstellend, da der Schweissstrom pro Schweisspunkt ebenfalls nur einmal ein-und ausgeschaltet wird. Da auch hier der Regler jeweils mit dem Messwert des vorhergehenden Schweisspunktes arbeitet, ist die Reaktionszeit des Reglers relativ lang. Wenn bei der Pulsdauermodulation die Pulsdauer verändert wird, ändert sich auch die Schweissstromform, weshalb diese nicht an einen speziellen Werkstoff oder an spezielle Betriebsbedingungen anpassbar ist.

Gemeinsam ist darüber hinaus beiden vorbekannten Anordnungen, dass als Istwert des Schweissstroms nur dessen quadratischer Mittelwert gemessen und somit auch nur der Mittelwert des Schweissstroms geregelt werden kann. Als Sollwert wird deshalb ein konstanter Mittelwert des Schweissstroms vorgegeben.

Aus der CH-A5 668 842 ist eine Einrichtung zur stufenlosen Steuerung der Amplitude eines sinusförmigen elektrischen Wechselstromes bekannt. In jeder Halbwelle des Wechselstromes sind über

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

2

3

CH 682 889 A5

4

einem veränderbaren Teil derselben steuerbare Schaltelemente vom Sperrzustand in den Durchlasszustand versetzbar. Dadurch wird zwar eine Art elektronisch steuerbarer Stelltransformator geschaffen, der praktisch verzögerungsfrei steuerbar ist, jedoch auch hier bleibt die Einwirkungsmöglichkeit auf den Schweissstrom auf einen Schaltvorgang pro Halbwelle desselben beschränkt. Daher lassen sich auch hier keine schnelleren Regelzeiten erzielen.

Schliesslich beschreibt die DE-C2 3 005 083 ein Verfahren zur Herstellung von längsnahtge-schweissten, gerundeten Zargen, bei dem zum Erzielen einer kontinuierlichen, unterbrechungsfreien Schweissnaht die Dauer einer Halbwelle des nahezu rechteckförmigen Schweissstromes der Förderzeit einer Zarge zwischen den Schweisselektroden-rollen angepasst wird und die während des Schweissvorganges benötigte Energie dadurch direkt geregelt werden kann, dass dem Schweissstrom ein höherfrequenter Stromanteil überlagerbar ist. Die Regelmöglichkeit durch Überlagerung eines höherfrequenten Stromanteils ist naturgemäss beschränkt, und zwar hinsichtlich sowohl des Regelbereiches als auch der Regelzeit.

Schliesslich ist es dem Fachmann geläufig, z.B. aus der Soudronic-Druckschrift «Elektrisches Wider-standsschweissen» MDI 00188 D, S. 9 und 10, die Schweissstromstärke mittels einer Phasenanschnittsteuerung zu verändern. Leider ändert sich dabei jeweils auch die Schweissstromform. Dasselbe gilt, wenn der Schweissstrom bei sich ändernden Lastbedingungen konstant gehalten wird, da in beiden Fällen der Phasenanschnittwinkel verändert werden muss. Darüber hinaus ergibt die Phasenanschnittsteuerung der Primärwechselspannung eines Schweisstransformators einen lückenden Schweissstrom, was ebenfalls nachteilig ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Anordnung zu dessen Durchführung der eingangs genannten Art zu schaffen, durch die sich kürzere Regelzeiten für den Schweissstrom erzielen lassen und sich die Schweissstromform den Bedürfnissen der verschiedenen zu verarbeitenden Materialien anpassen lässt.

Diese Aufgabe ist ausgehend von einem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass die Primärwechselspannung bei der Pulsdauermodulation in jeder Halbwelle n-mal zerhackt wird, wobei n > als 1 ist, und dass in jeder Halbwelle der Schweissstrom dadurch geregelt wird, dass n Soll-Istwertvergleiche des Schweissstroms durchgeführt werden und entsprechend n-mal auf das Tastverhältnis bei der Pulsdauermodulation eingewirkt wird.

Weiter ist diese Aufgabe ausgehend von einer Anordnung der eingangs genannten Art erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass der Schweissstrom-sollwertgeber des Reglers ein Speicher ist, der der Schweissstromform entsprechende Stromsollwerte für jedes Zerhackungsintervall zum Vergleichen mit jedem pro Zerhackungsintervall ermittelten Stromistwert enthält.

Während also im oben dargelegten Stand der Technik die Primärwechselspannung bei der Pulsdauermodulation in jeder Halbwelle nur einmal zerhackt wird, wird sie erfindungsgemäss n-mal zerhackt, wobei n > 1 ist. Dadurch wird eine kurze Regelzeit erreicht, denn es werden n Soll-Istwertver-gleiche des Schweissstroms in jeder Halbwelle durchgeführt, und es wird entsprechend n-mal auf das Tastverhältnis bei der Pulsdauermodulation eingewirkt. Da die Zerhackungsfrequenz somit ein Vielfaches der Frequenz des Schweissstroms ist, wird innerhalb jedes Schweisspunktes eine schnelle Regelung erreicht. Das ermöglicht dem Regler, schnelle Veränderungen der Schweissparameter (z.B. bei verschmutzter Blechoberfläche) zu korrigieren. Die Form der Impulse, in die die Primärwechselspannung in jeder Halbwelle zerhackt wird, ist einem Rechteck angenähert. Das Tastverhältnis, d.h. das Impulsdauer/Impulspause-Verhältnis kann in weiten Grenzen verändert werden, ohne dass das einen nennenswerten Einfluss auf die einmal gewählte Schweissstromform hätte. Der Mittelwert der Primärwechselspannung lässt sich dadurch direkt beeinflussen, und die Stromform lässt sich beliebig vorgeben, also variabel gestalten, was im Stand der Technik unmöglich ist. Dort ist sie, wie oben dargelegt, systembedingt (z.B. bei der Phasenanschnittsteuerung) oder fest. Die Zerhackungsfrequenz, die im oben dargelegten Stand der Technik entweder fest ist (z.B. bei der Phasenanschnittsteuerung) oder höchstens gleich der Schweissfrequenz ist, ist bei dem Verfahren und der Anordnung nach der Erfindung ein Vielfaches der Schweissfrequenz.

In der erfindungsgemässen Anordnung enthält der Speicher wenigstens n Sollwerte pro Halbwelle der gewählten Schweissstromkurve, die bei dem Regeln des Schweissstroms mit jedem der pro Halbwelle ermittelten n Stromistwerte verglichen werden, um einen Stellwert zu gewinnen, mit welchem auf das Tastverhältnis bei der Pulsdauermodulation eingewirkt wird.

Das Verfahren und die Anordnung nach der Erfindung bieten somit folgende Vorteile:

- Die Schweissfrequenz ist variabel, und die Zerhackungsfrequenz ist ein wählbares Vielfaches der Schweissfrequenz;

- die Stromform ist vorwählbar, also variabel, und wird durch die Einwirkung auf das Tastverhältnis bei dem Regeln des Schweissstromes nicht wesentlich verändert;

- wenn die vorgewählte Schweissstromform im Betrieb nicht eingehalten werden sollte, wird durch den Regelvorgang, d.h. durch die Einwirkung auf das Tastverhältnis die Stromform entsprechend korrigiert;

- die im Speicher abgelegte Schweissstromform kann je nach Bedarf gewählt werden, d.h. als Dreieck, Sinus, Trapez, Trapez mit abfallendem Impulsdach oder Trapez mit Höckern oder Vertiefungen (je nach der gewünschten Wärmeenergiebilanz innerhalb eines Schweisspunktes, je besser sich nämlich innerhalb eines Schweisspunkts die Aufheizphase und die Abkühlphase unter bestimmten Bedingungen kontrollieren lassen, um so besser lässt sich der Schweissvorgang beherrschen, und zwar so gut, dass mit Hilfe der Erfindung nunmehr

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

3

5

CH 682 889 A5

6

Materialien geschweisst werden können, die zuvor als nicht schweissbar galten, wie z.B. mit Chrom überzogene Teile);

- die Reaktionszeit des Reglers ist wesentlich kürzer als im Stand der Technik, weil innerhalb einer Halbwelle n-mal geschweisst und der Strom jeweils nachgeregelt wird.

Erreicht werden diese Vorteile durch die hohe Zerhackungsfrequenz, die erfindungsgemäss gleich einem Vielfachen der Schweissfrequenz gewählt wird.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung bilden den Gegenstand der abhängigen Ansprüchen.

In der Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 2 ergibt sich z.B. bei einer Schweissfrequenz von 500 Hz eine Zerhackungsfrequenz von 10 kHz. Diese Zerhackungsfrequenz wird fest vorgewählt und bleibt dann unverändert. Verändert wird bei dem Regeln des Schweissstroms lediglich das Tastverhältnis. Bei dem Beispiel gemäss der Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 2 wird jede Halbwelle der Primärwechselspannung zehnmal zerhackt.

In der Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 3 wird jede Schweissstromform in einer wählbaren Sollwerttabelle abgelegt. Beispielsweise wird also eine Sollwerttabelle für eine Sinusstromform gespeichert, eine für eine Dreieckstromform, eine für eine Trapezstromform, usw.

In der Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 5 lässt sich das erfindungsgemässe Regelverfahren am einfachsten realisieren, da die als Schaltelemente verwendeten Transistoren besonders kurze Schaltzeiten haben.

In den Ausgestaltungen der Erfindung nach den Ansprüchen 6 bis 8 ist für jede Schweissstromform und/oder -frequenz eine besondere Untertabelle bzw. Sollwerttabelle verfügbar. Für kleinere Schweissfrequenzen stehen somit mehr Sollwerte pro Halbwelle zur Verfügung stehen als für höhere Schweissfrequenzen.

In der Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 9 lassen sich die kurzen Reaktionszeiten des Reglers besonders gut ausnutzen, da die Stromsollwerte und die jeweiligen Änderungen zwischen benachbarten Stromsollwerten bequem im voraus berechnet und in der Tabelle abgespeichert werden können. Als Änderung zwischen benachbarten Stromsollwerten wird vorzugsweise die erste Ableitung der Schweissstromkurve gespeichert. Das bringt den Vorteil mit sich, dass vorausschauend geregelt werden kann, d.h. ein Überschwingen bei dem Regelvorgang von vornherein im wesentlichen vermieden werden kann, weil aufgrund der gespeicherten Änderung im voraus bekannt ist, wo der nächste Stromsollwert gelegen ist.

In den Ausgestaltungen der Erfindung nach den Ansprüchen 10 und 11 lässt sich auf einfache Weise eine gewünschte Amplitude des Schweissstroms erzielen, indem die gespeicherten Tabellensollwerte mit einem entsprechenden Faktor multipliziert werden, der nach Bedarf eingebbar ist.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 ein Schaltbild einer Widerstandsnaht-schweissmaschine mit einer erfindungsgemässen Anordnung zum Regeln des Schweissstroms,

Fig. 2 eine ausführlichere Darstellung des in Fig. 1 oberhalb einer Linie II-II dargestellten Teils der Anordnung nach der Erfindung,

Fig. 3 eine ausführlichere Darstellung eines in Fig. 1 als Block dargestellten Reglers,

Fig. 4 ein erstes Beispiel eine pulsdauermoduiier-ten Primärwechselspannung eines Schweisstransformators und eines sich ergebenden sinusförmigen Schweissstroms,

Fig. 5 ein zweites Beispiel einer puisdauermodu-lierten Primärwechselspannung, die auf andere Weise als in Fig. 4 zerhackt wird,

Fig. 6 ein drittes Beispiel einer pulsdauermodu-lierten Primärwechselspannung mit einem sich ergebenden trapezförmigen Schweissstrom,

Fig. 7a-7c verschiedene Ausgestaltungen eines vorwählbaren trapezförmigen Schweissstroms mit geneigtem Impulsdach,

Fig. 8a-8c verschiedene Beispiele eines vorwählbaren trapezförmigen Schweissstroms, dessen Impulsdach einen bzw. mehrere Höcker aufweist,

Fig. 9a-9c verschiedene Beispiele eines vorwählbaren trapezförmigen Schweissstroms, dessen Impulsdach einen bzw. mehrere Vertiefungen aufweist, und

Fig. 10 ein Beispiel eines vorwähibaren dreieck-förmigen Schweissstroms.

Fig. 1 zeigt ein vereinfachtes Schaltbild einer Wi-derstandsnahtschweissmaschine zum Langsnaht-schweissen von nicht dargestellten gerundeten Dosenzargen zwischen rollenförmigen Schweisselek-troden 10, 12. Die Widerstandsnahtschweissma-schine weist einen aus einem Netz, das durch Leitungen L1-L3 angedeutet ist, gespeisten statischen Frequenzumformer 14 mit einer Eingangsstufe 14a auf, die über einen üblichen Gleichstromzwischenkreis 14c mit einer als Zerhacker ausgebildeten Ausgangsstufe 14b verbunden ist. Die Ausgangsstufe 14b ist mit dem Primärkreis eines Schweisstransformators 16 verbunden, an den sie eine Primärwechselspannung Up abgibt. Der Sekundärkreis des Schweisstransformators 16 ist mit den Schweisselektroden 10, 12 verbunden.

Gemäss der ausführlicheren Darstellung in Fig. 2 weist die Eingangsstufe 14a des statischen Frequenzumformers 14 einen dreiphasigen Gleichrichter auf, der zugleich den Eingang des Gleichstromzwischenkreises 14c bildet, was allgemein bekannt ist und hier nicht näher beschrieben zu werden braucht, da es für das Verständnis der Erfindung unwesentlich ist. Der Zerhacker in der Ausgangsstufe 14b des Frequenzumformers 14 (Fig. 1) enthält eine Brückenschaltung mit Transistoren T1-T4 als Schaltelementen und zu diesen parallelen Freilaufdioden F2-F4 gemäss der Darstellung in Fig. 2. Vier Gate-Treiber sind auf in Fig. 2 dargestelle Weise mit den Transistoren und Freilaufdioden verbunden und werden über Leitungen 15 durch einen Regler 18 (Fig.1) gesteuert. In dem Primärkreis des Schweisstransformators 16 ist ein Stromwandler 20 angeordnet, der den Istwert des im Primärkreis des

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

4

7

CH 682 889 A5

8

Schweisstransformators 16 fliessenden Stroms er-fasst.

Gemäss der Darstellung in Fig. 1 wird der Stromistwert aus dem Stromwandler 20 über einen A/D-Wandler 22 an einen Eingang des als Prozessrechner ausgebildeten Reglers 18 abgegeben. An dem Regler 18 sind über Potentiometer 24, 26 Sollwerte Isoli für den Schweissstrom bzw. fs für die Schweissfrequenz einstellbar. Die an den Potentiometer 24, 26 eingestellten Analogspannungen werden über A/D-Wandler 25 bzw. 27 an den Prozessrechner angelegt. Zusätzlich kann über einen mit MANUELL bezeichneten Eingang oder über eine Schweissmaschinensteuerung 19 eine Schweiss-stromführungsgrösse If in den Regler 18 eingegeben werden. Diese wird mit dem Sollschweissstrom Isoli verknüpft, um beispielsweise zu berücksichtigen, dass der Strom über einer Zarge nicht konstant ist. So kann die Schweissmaschinensteuerung 19, die weiss, wo sich die gerade geschweisste Dosenzarge in jedem Zeitpunkt befindet, den eingestellten Sollwert Isoli noch entsprechend verändern, damit an jeder Stelle der Dosenzarge mit der passenden Schweissstromamplitude geschweisst wird. Der Regler 18 ermittelt durch einen Soll-Istwertver-gleich des Schweissstroms einen Stellwert, den er über einen A/D-Wandler 28 und die Leitungen 15 an die Gate-Treiber (Fig. 2) in der Ausgangsstufe 14b des Frequenzformers 14 (Fig. 1) abgibt. Mit dem Stellwert wird das Tastverhältnis der Rechteckimpulse beeinflusst, in die der Zerhacker in der Ausgangsstufe 14b die geglättete Gleichspannung aus dem Gleichstromzwischenkreis 14c in jeder Halbwelle zerhackt, um so den Schweissstrom durch Puisdauermodulation der Primärwechselspannung mit durch den Stellwert beeinflusstem Tastverhältnis zu regeln, was im folgenden unter Bezugnahme auf Fig. 3 noch näher beschrieben ist.

Verschiedene Arten der Erzeugung der Primärwechselspannung durch Zerhacken der geglätteten Gleichspannung in Rechteckimpulse sind in den Fig. 4-6 dargestellt. In dem Beispiel in Fig. 4 wird die geglättete Gleichspannung derart in Rechteckimpulse mit von Halbwelle zu Halbwelle wechselndem Vorzeichen zerhackt, dass sich im Mittel eine minusförmige Primärwechselspannung Up und damit im wesentlichen eine Sinusform des Schweissstroms I ergibt.

Entsprechendes gilt für das Beispiel nach Fig. 5, bei dem die geglättete Gleichspannung in Rechteckimpulse gleicher Höhe zerhackt wird, die jeweils gleich dem Zweifachen des Scheitelwerts der im Mittel sinusförmigen Primärwechselspannung Up ist.

In dem Beispiel nach Fig. 6 erfolgt die Zerhak-kung der geglätteten Gleichspannung nach dem gleichen Prinzip wie in Fig. 4, jedoch so, dass sich ein trapezförmiger Schweissstrom I ergibt.

In Fig. 3 ist der Regler 18 ausführlicher dargestellt. Der Regler 18 ist, wie oben bereits erwähnt, als Prozessrechner ausgebildet, von welchem nur die für die Erfindung wesentlichen Teile in Fig. 3 dargestellt sind und im folgenden beschrieben werden. Er enthält einen PID-Regelkreis 50 und einen Schweissstromsollwertgeber 52 in Form eines Speichers, der der Schweissstromform entsprechende

Stromsollwerte für jedes Zerhackungsintervall zum Vergleichen mit jedem pro Zerhackungsintervall ermittelten Stromistwert enthält. Für jede Schweissstromform (Sinus, Dreieck, Trapez, usw.) enthält der Speicher 52 eine Sollwerttabelle, die über einen Eingang Wïab auswählbar ist. Ein Ausgang des Speichers 52 ist mit einem Eingang eines Multiplizierers 54 verbunden. Der Ausgang des Multiplizierers 54 ist mit einem Summierpunkt 56 verbunden. Der Summierpunkt 56 verknüpft das aus dem Multiplizierer 54 empfangene Eingangssignal mit dem Stromistwert. Das durch Soll-Istwertvergleich gebildete Ausgangssignal des Summierpunktes 56 wird an den Eingang des PID-Regelkreises 50 angelegt. Der PID-Regelkreis 50 gibt an seinem Ausgang ein Stellsignal an einen Eingang eines Summierpunktes 58 ab. Ein weiterer Ausgang des Speichers 52 ist über eine Feedforward- oder Vorwärtsführungs-schleife 60 mit einem weiteren Eingang des Summierpunkts 58 verbunden. Über die Feedforward-schleife liefert der Speicher dem Summierpunkt 58 die Änderung von dem aktuellen Stromsollwert, der an den Multiplizierer 54 abgegeben wird, zu dem nächsten Sollwert, d.h. die erste Ableitung dl/dt oder Steigung der Schweissstromkurve in dem aktuellen Stromsollwert in Richtung zu dem nächsten Stromsollwert. Diese Richtungsinformation wird mit dem Ausgangssignal des PID-Regelkreises 50 verknüpft, so dass das Ausgangssignal des Summierpunkts 58 ein Stellsignal darstellt, mit dem sich der Schweissstrom in der richtigen Richtung und Dosierung einstellen lässt, so dass es bei dem Stromregelvorgang zu keinem Überschwingen kommt. Innerhalb der jeder Schweissstromform zugeordneten Sollwerttabelle ist speziell für jede Schweissfrequenz fs noch eine Untertabelle auswählbar. Was weiter unten noch näher beschrieben ist. Die Sollwerte der mittels des Eingangssignals Wiab gewählten Stromkurve sowie deren erste Ableitung sind in jeder Sollwerttabelle gespeichert. Für jedes Mess- und Zerhackungsintervall werden die entsprechenden Sollwerte aus der Tabelle mit dem Wert der gewünschten Stromamplitude in dem Multiplizierer 54 multipliziert und dann als Sollwert dem Summierpunkt 56 zugeführt. Die gewünschte Stromamplitude wird als Signal Isoli über den A/D-Wandler 25 in den Multiplizierer 54 eingegeben und dort mit dem Stromsollwert aus dem Speicher 52 multipliziert. Die gewünschte Stromamplitude Isoli kann alternativ oder zusätzlich über den Eingang MANUELL oder von der Schweissmaschinensteuerung 19 (Fig. 1) aus noch beeinflusst werden, beispielsweise um innerhalb eines Schweisspunktes, also innerhalb einer Halbwelle der Primärwechselspannung, dem Schweissstrom I einen bestimmten Verlauf zu geben, z.B. das Impulsdach mehr und mehr zu neigen, wie es in den Fig. 7a-7c gezeigt ist, oder mit mehr oder weniger Höckern oder Vertiefungen zu versehen, wie es in den Fig. 8a-8c bzw. 9a-9c gezeigt ist.

Der Speicher 52 enthält, wie vorstehend bereits erwähnt, für jede Stromform eine Sollwerttabelle, in dem dargestellten Ausführungsbeispiel vier Sollwerttabellen. In jeder Tabelle ist die gewünschte Schweissstromform durch mehrere im voraus fest5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

5

g

CH 682 889 A5

10

gelegte Stromsollwerte gespeichert. Gegenwärtig werden pro Periode des Schweissstroms 256 Sollwerte gespeichert. Bei einer Schweissfrequenz von 500 Hz und einer Zerhackungsfrequenz von 10 kHz stehen pro Halbwelle 10 Zerhackungs- oder Schaltintervalle von je 100 us zur Verfügung. Der Schweissstrom kann also pro Halbwelle 10mal zerhackt, d.h. zehnmal ein- und ausgeschaltet werden. Von den 256 verfügbaren Schweissstromsollwerten werden daher 20 Schweissstromsollwerte pro Periode ausgewählt, also 10 Sollwerte pro Halbwelle, und für den Soll-Istwertvergleich in dem Regler 18 herangezogen. Wenn die Schweissfrequenz nur 50 Hz betragen würde, könnten pro Periode des Schweissstroms 200 Sollwerte ausgewählt werden, also 100 Sollwerte pro Halbwelle. Entsprechend der gewählten Schweissfrequenz fs wird über den A/D-Wandler 27 die zugehörige Untertabelle in der der Schweissstromform zugeordneten Sollwerttabelle ausgewählt. In der Sollwerttabelle sind auch die Änderungen von einem Schweissstromsollwert zum nächsten, d.h. die dl/dt-Werte innerhalb der Reihe von 256 vorgegebenen Schweissstromsollwerten gespeichert. Wenn mit einer Schweissfrequenz zwischen 35 und 40 Hz gearbeitet würde, kämen alle 256 Punkte bei dem Soll-Istwertvergleich zum Einsatz. Üblicherweise wird aber mit einer Schweissfrequenz von 500 Hz gearbeitet, so dass nur 20 Punkte pro Periode des Schweissstroms bei dem Soll-Istwertvergleich zum Einsatz kommen. Wenn also statt der Sollwerttabelle mit den 256 Sollwerten eine Untertabelle für eine höhere Schweissfrequenz über fs ausgewählt wird, passt der Rechner automatisch die Änderungen daran an, damit diese der gewählten Abstufung zwischen den Schweissstromsollwerten entsprechen. Eine andere Möglichkeit bestünde darin, von vornherein nicht Sollwerttabellen mit 256 Punkten pro Schweissstromperiode vorzugeben und dann Untertabellen mit weniger Schweissstromsollwerten auszuwählen, sondern diese Untertabellen im voraus zu berechnen und als Sollwerttabellen auswähibar im Speicher 52 zusammen mit den Änderungen von Sollwert zu Sollwert zur Verfügung zu stellen.

Der vom Speicher 52 abgegebene Stromsollwert entspricht genau der gewünschten Schweissstromform, noch nicht aber der gewünschten Amplitude. Diese wird, wie dargelegt, durch einen gesonderten Faktor festgelegt, der über die oben beschriebenen weiteren drei Eingänge in den Multiplizierer 54 eingebbar ist.

Der Regelvorgang geht folgendermassen vor sich:

In Anlehnung an das oben zitierte Beispiel wird angenommen, dass mit einer Schweissfrequenz fs von 500 Hz und mit einer Zerhackungsfrequenz von 10 kHz gearbeitet werden soll. Der Schweissstrom I habe Sinusform und werde durch Pulsdauermodulation der Primärwechselspannung U auf in Fig. 4 dargestellte Weise erzielt. Für den Schweissstrom I enthält die Sollwerttabelle pro Halbwelle 10 Sollwerte. Die geglättete Gleichspannung, die von dem Gleichstromzwischenkreis 14c abgegeben wird, wird mit 10 kHz so zerhackt, dass sich die den Stromsollwerten entsprechende Schweissstromkurve ergibt. Die Messfrequenz, mit welcher an dem Stromwandler 20 der Istwert des Schweissstroms ermittelt wird, ist gleich der Zerhackungsfrequenz. Zu jedem Schweissstromsollwert wird also ein Schweiss-stromistwert gemessen. Bei jedem Soll-Istwertver-gleich wird festgestellt, ob der gemessene Istwert gleich dem in der Sollwerttabelle vorgegebenen Sollwert des Schweissstroms ist. Wenn das nicht der Fall ist, liefern der Summierpunkt 56 und der PID-Regelkreis 50 ein Fehlersignal, aus dem auf oben beschriebene Weise mittels des Feedforward-Signals ein Stellsignal für das Tastverhältnis gebildet wird. Mit diesem Stellsignal wird auf das Tastverhältnis so eingewirkt, d.h. das Verhältnis zwischen Impulsdauer und Impuispause bei der Pulsdauermodulation der Primärwechselspannung so verändert, dass die Differenz zwischen Schweiss-stromistwert und Schweissstromsollwert beseitigt wird.

In extrem kurzer Regelzeit lässt sich so innerhalb einer Halbwelle des Schweissstroms, d.h. innerhalb eines Schweisspunktes der Schweissstrom nachregeln. Ein weiterer besonderer Vorteil dieser Regelmethode ist, dass zusätzlich jede gewünschte Stromform als Sollwerttabelle abgespeichert und bei Bedarf ausgewählt werden kann. Die Schweissstromform ist in bestimmten Grenzen frei wählbar, die eigentlich nur durch die Maschine gegeben sind (z.B. gibt es eine maximal mögliche Steigung der Schweissstromkurve, die aufgrund der physikalischen Gegebenheiten nicht überschritten werden kann usw.).

Bei der sogenannten Vollsinusschweissung von Dosenzargen zwischen einer oberen und einer unteren Schweissrolle wie den hier dargestellten Schweisselektroden 10, 12 wird die Aufheizstrecke unter der totalen Kontaktierungslänge zwischen Schweissrollen und Blech in sechs Phasen unterteilt, wobei diese Phasen aus einer Schweissge-schwindigkeit von 60 m/min und 500 Hz Schweissfrequenz sowie einer totalen Kontaktierungslänge von 3 mm resultieren und drei Halbwellen ergeben, welche in drei Kalt- und drei Warmzeiten unterteilt werden (vgl. die Firmen-Zeitung «Soudronic», 1. Jahrgang, Nr. 1, Juni ig85, S. 3). Das Herstellen jedes Schweisspunktes zwischen den Schweissrollen besteht somit aus einer dreimaligen Wechselwirkung zwischen Aufheizen und Kühlen. Die erfin-dungsgemässe Regelmethode erlaubt das optimale Beherrschen der Aufheiz- und Abkühlphasen innerhalb eines Schweisspunktes. Die Fig. 7-9 zeigen dafür geeignete Schweissstromformen. Mit der Erfindung ist so die Adaption an das Schweissverhalten verschiedener Werkstoffe möglich. Bleche, welche bislang nur mit Spritzern schweissbar waren, können nun mit flachen Schweissstromimpulsen ohne Stromspitzen gut geschweisst werden.

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zum Widerstandsschweissen mit in periodischen Halbwellen pulsierendem Schweissstrom, der aus einer Primärwechselspannung eines Schweisstransformators erzeugt und durch Pulsdauermodulation derselben geregelt wird, dadurch ge5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

6

11

CH 682 889 A5

12

kennzeichnet, dass die Primärwechseispannung bei der Puisdauermodulation in jeder Halbwelle n-mal zerhackt wird, wobei n > 1 ist, und dass in jeder Halbwelle der Schweissstrom dadurch geregelt wird, dass n Soll-Istwertvergleiche des Schweissstroms durchgeführt werden und entsprechend n-mal auf das Tastverhäitnis bei der Pulsdauermodulation eingewirkt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Zerhackungsfrequenz das 20-fa-che der Frequenz des Schweissstroms gewählt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schweissstromform mittels einer Sollwerttabelle vorwählbar ist.

4. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, mit einem netzgespeisten statischen Frequenzumformer (14), der einen Gleichstromzwischenkreis (14c) und als Ausgangsstufe einen Zerhacker (14b) aufweist, die Primärwechselspannung (Up) erzeugt und an den Schweisstransformator (16) abgibt, dessen Sekundärkreis mit Schweisselektroden (10, 12) einer Wi-derstandsschweissmaschine verbunden ist, und mit einem Regler (18), der mit dem Zerhacker (14b) des Frequenzumformers (14) zum Regeln des Schweissstroms (1) durch Pulsdauermodulation der Primärwechselspannung verbunden ist und einen Schweissstromsollwertgeber aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Schweissstromsollwertgeber des Reglers (18) ein Speicher (52) ist, der der Schweissstromform entsprechende Stromsollwerte für jedes Zerhackungsintervall zum Vergleichen mit jedem pro Zerhackungsintervall ermittelten Stromistwert enthält.

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Zerhacker (14b) des Frequenzumformers (14) eine Brückenschaltung mit Transistoren (T1-T4) als Schaltelementen und zu diesen parallelen Freilaufdioden (F1-F4) enthält.

6. Anordnung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Speicher (52) für jede gewünschte Schweissstromform eine Sollwerttabelle verfügbar ist, die über einen Eingang (Wïab) auswählbar ist.

7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass in jeder Sollwerttabeile in dem Speicher (52) für jede Schweissfrequenz (fs) eine Untertabelle über einen einstellbaren Schweissfrequenz-eingang auswählbar ist.

8. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass für jede Schweissfrequenz in dem Speicher (52) eine der gewünschten Schweissstromform entsprechende Soilwerttabelle verfügbar ist.

9. Anordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei der Regler (18) einen mit Feedforwardschlei-fe (60) versehenen PID-Regelkreis (50) enthält, dadurch gekennzeichnet, dass zu jedem Stromsollwert in der Tabelle die Änderung zum folgenden Stromsollwert gespeichert ist und als Feedforwardgrösse dem Ausgang des PID-Regelkreises (50) aufgeschaltet wird.

10. Anordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass dem Speicher

(52) ein Multiplizierer (54) nachgeschaltet ist, der den Tabellensollwert mit einem wählbaren Faktor multipliziert, welcher über einen einstellbaren Stromsollwert-Eingang (Isoli) des Reglers (18) eingebbar ist.

11. Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Multiplizierer (54) weitere Eingänge hat, über die weitere Faktoren manuell oder aus einer übergeordneten Schweissmaschinensteuerung (19) eingebbar sind.

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

7