DD214316A1 - Induktiver sensor fuer schweissroboter - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf einen induktiven Abstandssensor fuer Schweissroboter, der als Differentialstabsensor arbeitet. Aufgabe der Erfindung ist es, den Sensor so zu verbessern, dass ueber einen grossen Abstandsbereich eine mit einfachen elektronischen Mitteln gut zu linearisierende Abstandskennlinie entsteht.Der Sensor soll thermisch hoch belastbar sein und bei starken Aenderungen seiner Neigung zur Wand abstandsgetreu arbeiten.Die Aufgabe wird dadurch geloest, dass die geometrischen Abmessungen des Eisenkernes, der Messspulen und der Erregerspule in ausgewaehlten Relationen zum Wandabstand stehen, dass der Sensor mit niedrigen Frequenzen arbeitet und als Bauelement parallel zur Achse des Schweissbrenners dicht ueber der Huelse angeordnet ist.

Description

Induktiver Abstandssensor für Schweißroboter

Anwendungagebi e t der Erfindung

Die Erfindung betrifft einen induktiven Abstandssensor zur Führung vonSchweißbrennern längs vorgegebener Werkstückflächen. Der Sensor kann günstig in Kehlnahtschweißrobotern eingesetzt werden, insbesondere dort, wo geringe Abstände zum Lichtbogen erforderlich sind und Unstetigkeiten in und an der berücksichtigt werden müssen.

Charakteristik der bekannten Lösungen

In der Literatur sind zahlreiche Vorschläge zur Realisierung und Anwendung Visueller, induktiver, taktiler, kapazitiver, fluidischer und akustischer Sensoren für Schweißroboter bekannt. Einen Universalsensor zur Abstandsbestimmung und -Rege* lung, der die wünschenswerten Eigenschaften wie kleine Masse, kleine geometrische Abmessungen, hohe Signalempfindlichkeit, großes Signal-Rauschverhältnis, hohe thermische Stabilität, geringe Störanfälligkeit und schließlich geringe Kosten in sich vereint, gibt es nicht. In federn Pail werden die Anforderungen an den Sensor vom Prozeß bestimmt, dessen Bestandteil er ist. Danach erfolgt die Auswahl; Schweißroboter arbeiten in der Mehrzahl mit induktiven Sensoren (schweißen und schneiden Jahrgang 32 1980, H. 3 ,Schweißtechnik Jahrgang 1982 H. 7). ' . .;.' '..-I/::-'-- '. ' '^ - ' .': ' ' ' ' " ' ^: ' ' .· V Der induktive Sensor tastet mit seinen magnetischen Wechselfeld die Umgebung ab. Kommen magnetisch oder auch elektrisch leitende Materialeniii die Nähe, so ändert sich der Indük-

1 iilP-R- '?9 8.3-* Ö:.ö; 1.8 ti"G

tiohsfluß. Die Wechselwirkung besteht einmal in der Verdichtung bzw. Verstärkung des Flusses durch das magnetisierbare Material, zum andern.'/in der Schwächung des Flusses durch Wirbelstromrückwirkungen aus elektrisch leitenden Materialen. Wach diesem Prinzip arbeitenTrafo-Differentialtrafo- und Differentialstabsensoren sowie induktive Oszillatorsensoren. Im ersten Fall liefert das. Ab'standssignal eine Meßspule, die einen Schenkel eines zUr-Wand.offenen U-Kernes umschließt, der eine 50 Hz Erregerspule besitzt^ Der Differentialtransformator besteht aus einemΗ-Kern (DD PS 55096 KL B 23 K 9/12) der zwei Meßspulen besitzt, die gegeneinander geschaltet und z. B. diagonal gegenüber angeordnet; sind· Die Erreger spule umschließt den Verbindungssteg» Bei großem V/andabstand ist bei symmetrischem Aufbau4ie Di£

wächst mit der Annäherungan die Wand. Der Vorteil des Differenz-Prinzipes besteht in der ICorapensation magnetischer Fremdfelder und von Störungen, die durch Temperaturänderungen hervorgerufen werden- Zum Schweißen von Kehlnähten wurde ein Doppel-H-Kern Sensor vorgeschlagen, der den Abstand sowohl zur Wand als auch zum Boden mißt* Da die Trafo-Sensoren mit 50 Hz betrieben werden» sind die Wirbelstromdämpfungen gering* so daß sie lediglich für f^ferromagnetische Wahdmaterialen infrage kommen. Ein Betrieb^ mit mittiereri Frequenzen (20 kHz bis 200 kHz) ermöglicht eine Abstandserkennung auch bei ITichtferromagnetika, z. B. Al, Ms oder Cu. Derartige Sensoren arbeiten mit Ferrit-Kernen. Zum Beispiel besitzt der in XlW XIII-K 70-76 vorgestellte Differential-Stabsensor einen Ferritstabkern mit der Brreßerspüle in der Mitte und zu beiden Seiten eine Meßspule. Er arbeitet mit 20 kHz, die beiden Meßspulen sindgegeneinander geschaltet. Er ist zur Abstandsmessung am Eisen wie auch an Hichteisenmetalien geeignet. Ebenso der in ZIS-Mitt. 2 49 1979 vorgestellte Osaillator-Sensor: Sr arbeitet mit 200 kHz und tastet mit einem zur Wand offenen Ferrit-Schalenkern den Abstand. Bei Annäherung an die Wand wird der Oszillator zunehmend bedämpfty so daß sein .Speisestrom steigt. Er ist das LIaß für den Abstand.

V/esentlich für die nachfolgende Signalauswertung und -Verarbeitung ist Abstandskennlinie eines Sensors U = f(x) oder i=f(x).

In jedem Pall finden Wir einen nichtlinearen Zusammenhang. Pur eine einfache Abstandsregelung genügt in manchen Fällen eine Logarithmierung des Eingangssignal. Die logarithmierte Kennlinie wird in einem kleinen Bereich in der Umgebung des Sollpunktes als linear betrachtet. Pur eine programmgemäße Abstandseinsteilung über einen größerenBereich was z. B. bei Eckenführungen, Pendelschweißungen oder Helirlagenschweißungen erforderlich sein kann, eignen sich die bisher bekannten Sensoren nur in begrenztem Maße. Die linearisierung ist nicht mit einfachen schaltungstechnischen Mitteln über einen größeren Abstandsbereich zu realisieren.

Induktive Sensoren mit Perritkernen haben außerdem den Nachteil , daß sie thermisch gering belastbar sind. Das liegt im wesentlichen an der Temperaturabhängigkeit der Permeabilität. Zum Beispiel führen Temperaturgradienten im Stabsensor Zu Plußunsynimetrien in den Meß spul en und damit zu fehlerhaften Abstandsangaben oder Temperaturerhöhuhgen im Schalenkern* Oszillatorsensor zur Erhöhung des yU-Wertes des Kernes, Erhöhung der Oszillatorspeiseströmes und Zur Vortäuschung eines geringeren Abstandes.

Der TrafΟτ-Sensor mit Eisenkern besitzt diese Temperatürempfindlichkeit nicht j Jedoch sind der Miniaturisierung dieses Sensors bei Vorgabe einer bestimmten Abstandsempfindlichkeit Grenzen gesetzt. :

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, einen induktiven Abstandssensor für Schweißroboter zu realisieren, der die genannten Wachteile vermeidet und dazu beiträgt, die Automatisierung des Schweißprozesses insbesondere für Kehlnähte zu verbessern.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen induktiven Abstandsehsor für Kehlnahtschweißroboter zu entwickeln, der bei kleinen geometrischen Abmessungen, hoher thermischer Belastbarkeit und Operierfähigkeit eine Abstandskennlinie liefert, die sich über einenweiten Abstandsbereich mit einfachen schaltungstechnischen Mitteln linearisieren läßt.

Erfindungsgemäß v;ird die Aufgabe damit gelöst, daß die geometrischen Abmessungen eines an sich bekannten Stabsensors, der Durchmesser i) des Kernes, die Länge L der Meß spule und die Länge Ii der Erregerspule in ausgewählten Relationen zum Abstand χ von der Wand stehen. Zur Erzeugung einer ^2 Abstandskurve sind das die Relationen D-0,8 x, L 2 2D und S > 2L. Die Erregerspule wird mit niedriger -Frequenz, vorzugsweise im Bereich von 200 Hz bis 2 kHz gespeist. Sin oder mehrere Sensoren sind achsenparallel zur Brennerhülse dicht über ihrer Oberfläche angeordnet* Als Kernmaterial dient Trafoblech· Der aus einem Blechbündel bestehende Kern ist innerhalb der 3 Spulen so positioniert, daß der austretende Fluß beide Meßspulen gleichmäßig durchsetzt, viexixi kein metallischer Gegenstand in der Nähe ist. Der gesamte Stabsensor oder zumindest der im Bereich der Lichtbogenstrahlung befindliche iTeijL ist durch eine Hülle Öder Scheibe geschützt· Die für eine weitreichende rr2 Abstandskürve angegebenen Relatipnen stehen mit Modellvorstellungen in Verbindung, nach denen die Abstandsfunktion aus Überlagerungen punktförmiger Quellströmüngen bei festliegenden Quellpunkten im Sensor berechenbar ist.

Ausführunßsbeispj.el : ·

Die lCrfindung soll nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel erläutert werden. In'.der dazugehörigen Zeichnung zeigen Pig.1 einen Querschnitt durch den Sensor, S¹Ig. 2 seine Anordnung am Schweißbrenner und Pig. 3 ein Piagramra zur Abhängigkeit des Abstandes Von der Heigung des Sensors zur Wand. Pig. 1 zeigt die symmetrische Anordnung der Meßspulen 4 über dem lameliierten Eisenkern 2 zur Erregerspule 3 im Abstand χ zur Wand 5· Die angegebenen Relationen besagen, daß z, B. bei einem Kerndurchmesser von 4 mm, einer Meßspulenlänge von Q mm und einer Erregerspulenlänge von 16 mm der Bereich der ~aAbh&igigkeit bei χ. « 5 mm beginnt. Er reicht bis etwa 30 inm - eine Entfernung, bei der das Sensorsignal auf etwa 3 % seines V/ertes gegenüber χ = 5 ram abgefallen ist. Diese weitx"eichende ^2 Abhängigkeit schafft günstige Bedingungen für eine entsprechende Linearisierung, in dem eine

: elektronische _:--; Wandlung (U Sensorspannung) angewendet ;::..· wird, . .·.· -. .,.: ; · ·'..· .· ; -.-. · .. ·. / .·

; Eine weitere Besonderheit des Sensors ist seine Abstandstreue bei 'Neigung.'.der Sensprachse'..zur'Wand. Pig. 3 zeigt die Winkel*- abhängigkeit des Abstandes bei Vergabe eines Sollwertes von

ί ' ζ. S. 12 ima. Im Winkelbereich von 0<oc < 50⁰ beträgt die Abweichung nur + 0,5 mm. öiese Eigenschaft ermöglicht eine gute

^j : Operierfähigkeit bei konstantem Abstand* Das betrifft z, B.

das Ausfahren einer Ecke, bei dem sich die Neigung des Schweiß·

; breniiers samt Sensor während des Schweißens erheblich ändert. Die günstige Richtcharakteristik ermöglicht die achsenparal-

¹ lele Anbringung zui* Brennerhülse. Untersuchungen zur Tempera-' turempfindlichkeit ergaben, daß der Sensoi' bis zu 200 ⁰C 'y^ funktionsfähig ist und auch starke Temperaturgradienten im

: Sensor seinen Abstand nicht verstellen. Dabei muß natürlich darauf geachtet werden, daß die Erregerspule mit konstantem Strom geäpeist oder die Frequenz so gewählt wird, daß der

.;. induktive Widerstand den ohmschen v/eit übertrifft.

Claims (3)

Erfindungsansprüche:

1. Induktiver Sensor für Schweißroboter mit stabförmigem Kern, einer Erregerspule und zwei gegeneinander geschalteten Meßspulen gekennzeichnet dadurch, daß die geometrischen Abmessungen eines induktiven Sensors (T), der Durchmesser D des Kernes (2), die Länge L einer Meßspule (4) und die Länge E einer Erregerspule (3) in ausgewählten Relationen zum Abstand χ von einer Wand (5) stehen, vor-

2. Induktiver Abstandssensor nach Punkt T dadurch gekennzeichnet, daß Trafobleche als Material des Kerns (2) verwendet und bezüglich der Meßspulen (4) symmetrisch zum Kern (2) angeordnet werden,

2 .·' ..

zugsweise zur Erzeugung einer 1/x Abstandskennlinie in den Verhältnissen D.·£ 0,8x, L> 2D und E > 2L» daß eine Erregerspule (3) mit niedriger Frequenz, vorzugsweise im Bereich von 200 Hz bis 2 kHz gespeist und ein oder mehrere induktive Sensoren (1) achsenparallel zu einer Brennerhülse (6) dicht über ihrer Oberfläche angeordnet sind·

3· Induktiver Sensor nach Punkt 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, daß eine Schutzhülle oder -Scheibe (7),insbesondere im Bereich der Lichtbogenstrahlung, verwendet wird*

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen