DD277587A3

DD277587A3 - Verfahren zur kontrolle der prozesszustaende "flamme brennt", "schnitt" und "fehlschnitt" beim thermischen trennen

Info

Publication number: DD277587A3
Application number: DD31548288A
Authority: DD
Inventors: Hans Froehlich; Hans-Joachim Telzer; Frank Scheming; Hans-Joachim Roloff; Wolfgang Goettert
Original assignee: Zentralinstitut Schweiss
Priority date: 1988-05-06
Filing date: 1988-05-06
Publication date: 1990-04-11

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Kontrolle der Prozesszustaende "Flamme brennt", "Schnitt" und "Fehlschnitt" beim thermischen Trennen unter Ausnutzung der elektrischen Leitfaehigkeit des Gasplasmas zwischen Brenner und Werkstueck. Ziel ist, das thermische Trennen durch eine bessere Ueberwachung und Steuerung effektiver zu gestalten. Aufgabengemaess soll eine reproduzierbare Prozessauswertung insbesondere hinsichtlich der Flammenerkennung und der Unterscheidung zwischen Schnitt und Fehlschnitt bei Vorhandensein von normalen duennen und dicken Rostschichten ermoeglicht werden. Kennzeichnend fuer die Erfindung ist, dass bei normal duennem Rost eine periodisch sich wiederholende Folge von mindestens drei zeitlich kurzen unterschiedlichen positiven Konstantgleichstroemen durch das Gasplasma geleitet wird, dass die zugehoerigen Spannungsabfaelle gemessen und gespeichert werden, dass Prozesssteuergroessen erfasst und als logische Groessen zugeordnet gespeichert und mit Grenzwerten verglichen werden und dass beim Vorhandensein dicker Rostschichten eine hoechstens 20 ms lang periodische Folge von zeitlich kurzen groessenmaessig verschiedenen Konstantgleichstroemen durch das Gasplasma geleitet und deren Spannungsabfaelle zur Approximation der Kennlinie so ausgewertet wird, dass durch Erfassung des linearen Teils, des Knickstroms und der Knickspannung eine Relation zu einer Sollknickspannung hergestellt wird.

Description

Ein weiterer Nachteil dieser Lösung ist, daß zwar durch den relativ niedrigen parallel zum Brenner liegenden Widerstand der gesamte Widerstandsbereich der Flamme erfaßt werden kann, daß aber der für die Erkennung der Flamme in größerer Entfernung von Werkstück zu erfassende, relativ große Widerstand nur eine geringe Änderung des Spannungsabfalls bewirken kann. Somit ist die Flammenerfaßbarkeit erst in relativ geringer Entfernung von Werkstück oder von anderen auf demselben Potential liegenden Objekten möglich oder zumindest durch die normalen Spannungsschwankungen im schaltungstechnischen Aufbau erschwert.

Weiterhin ist nach PCT/US 79/00174 ein Verfahren bekannt, das durch Abtastung der U-I-Kennlinie im linearen Bereich des positiven Kennlinienastes durch Konstantgleichströme und Messung der über der Flamme bei jedem Konstantgleichstrom abfallenden Spannung eine Höheninformation und eine Schnittabrißinformation gewinnt. Nachteil dieses Verfahrens ist, daß die EMK der Flamme zur Erkennung des Schnittabrissea dient, diese jedoch durch Massepotentialverschiebungen aufgrund ihrer geringen Größe sehr störanfällig ist und außerdem in ihrer Größe vom Zustand der Oberfläche des Werkstückes und von der Zusammensetzung des Heizgasgemisches abhängig ist, was eine sichere Funktion des vorgestellten Verfahrens bozüglich der Schnitt-Fehlschnitt-Auswertung verhindert.

Ein Nachteil beider Verfahren ist, daß während des Prozeßablaufs auftretende, insbesondere durch den Oberf lächenzustand des Werkstücks und die Größe des Schmelzbades hervorgerufene, abrupte Leitfähigkeitsänderungen zu Fehlinterpretationen des Prozeßzustandes führen.

Ziel der Erfindung

Es ist das Ziel der Erfindung, die Kontrolle der Prozeßzustände „Flamme brennt", „Schnitt" und „Fehlschnitt" beim thermischen Trennen zu vervollkommnen und den Anteil manuellen Aufwandes dabei drastisch zu senken.

Wesen der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu entwickeln, mit dem unter Ausnutzung der elektrischen Leitfähigkeit der Brennerflamme während des Durchflusses eines Meßstromes durch das Gasplasma eine reproduzierbare Prozeßauswertung und -steuerung insbesondere hinsichtlich der Unterscheidung der Prozeßzustände „Flamme brennt", „Schnitt" und „Fehlschnitt" auch bei während des Prozeßablaufs sich verändernden technologischen Randbedingungen, die durch die auf der Werkstückoberfläche befindlichen, insbesondere Rostschichten hervorgerufen werden, möglich ist. Die Aufgabe wird unter Ausnutzung der elektrischen Leitfähigkeit des Gasplasmas zwischen Erenner und Werkstück, wobei ein elektrischer Strom definierter Stärke und Polarität durch das Gasplasma geleitet wird und dessen Spannungsabfälle über dem Gasplasma erfaßt und die Vergleichsergebnisse als logische Größen zugeordnet gespeichert werden, wobei die den Prozeßsteuergrößen und die den Spannungsabfällen zugeordnet gespeicherten logischen Größen untereinander und miteinander logisch verknüpft werden sowie Signalisationsgrößen für Prozeßzustände und/oder Prozeßsteuergrößen ausgegeben werden, erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine periodische Folge von 3 zeitlich kurzen, größenmäßig verschiedenen positiven Konstantgleichströmen bei normalen rostigen Oberflächen durch das Gasplasma geleitet wird und im Zeitintervall eines jeden Konstantgleichstromes der Spannungsabfall über dem Gasplasma gemessen und dem zugehörigen Konstantgleichstrom zugeordnet gespeichert wird und mindestens die Prozeßsteuergrößen „Heizgasgemisch", „Schneidsauerstoff" und „Vorschub" nach ihrem Schaltzustand erfaßt werden und den Prozeßsteuergrößen als logische Größe zugeordnet gespeichert werden, und daß die gespeicherten Spannungsabfälle mit einem jeweils zugeordneten Spannungsgrenzwert verglichen werden sowie bei dicken Rostschichten eine periodische höchstens 20 ms lange Folge von 11 zeitlich kurzen, größenmäßig verschiedenen positiven Konstantgleichströmen, die in einem bei 0 beginnenden Intervall liegen, durch das Glasplasma geleitet wird und im Zeitintervall eines jeden Konstantgleichstroms der Spannungsabfall über dem Gasplasma gemessen und dem zugehörigen Konstantgleichstrom zugeordnet gespeichert wird, wobei eine Approximation des positiven Kennlinienastes des Gasplasmas erfolgt und daß mindestens die Prozeßsteuergrößen „Heizgasgemisch", „Schneidsauerstoff" und „Vorschub" nach ihrem Schaltzustand erfaßt werden und der positive Kennlinienast bezüglich seiner wesentlichen Merkmale: mittlerer Anstieg des linearen Teils, Knickstrom und Knickspannung bewertet wird. Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß bei einem positiven elektrischen Strom durch das Gasplasma, wobei der Brenner positiv gegenüber dem Werkstück gepolt ist, aufgrund der Erwärmung des Werkstücks von dessen Oberfläche Elektronen emittiert werden, die aufgrund der entsprechenden Polarität des Werkstücks gegenüber dem Brenner in den Leitungsprozeß des Gasplasmas einbezogen werden.

Dio besonderen Wirkungen der Erfindung boruhen auf der Erkenntnis, daß die Anzahl der emittierten Elektronen begrenzt ist und somit ein Kennlinienknick dann auftritt, wenn zusätzlich zur normalen, bereits nahezu gesättigten Plasmaleitfähigkeit Elektronen am Loitungsprozoß beteiligt sind. Die Anzahl der emittierten Elektronen ist dabei vom Prozeßzustand und vorn Zustand der Workstückoborflächo abhängig. Üborraschondorwoiso tritt jedoch der Kennlinienknick boim „Fehlschnitt" trotz unterschiedlicher Oberflächen in oinom Stromboroich auf, dor stets kleiner als der Strombereich des Kennlinienknicks beim Prozoßzustnnd „Schnitt" und unterschiedlichen Oberflächen ist. Somit ist eine sichere Unterscheidung hinsichtlich dieser boidon Prozoßzuständo in oinom großon Boreich dor Oborflächoneigenschafton dos Werkstücks möglich, ohne bestimmte Enlschoidungsgronzworto zu vorändorn.

Ohno don Rahmon dor Erfindung zu vorlasson, ist os möglich, woitore Proioßsteuergrößen zu erfassen, zusätzliche oder ausgewählte Signalisationsgrößon und/odor Prozeßsteuorgrößon auszugeben.

Ausführiingsbeispiel

Von einer zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeigneten Anordnung werden für die Messung der Spannungsabfälle U₁, U₂, U₃ folgende Konstantströme I ausgegeben:

1₁ = 1 275 μΑ für die Kurzschlußerkennung,

1₂ = 300 uA für die Flammenerkennung und für die Unterscheidung zwischen Schnitt und Fehlschnitt, I₃.i = 350 μΑ bei sauberer sandgestrahlter Oberfläche,

1₃ 2 = 625 μΑ bei leicht' rostiger Oberfläche und I₃ 3 - 1 000 μΑ bei stärkb- verrosteter Oberfläche.

Als Spannungsgrenzwerte werden unabhängig von Strom I₃ folgende Werte vorgegeben:

G₂ = 34V und

G₃ = 17,5V, deren digitale Werte mit dem digitalen Spannungswerten verglichen werden.

Weiterhin werden als logische Größen erfaßt:

5₁ = („Heizgasgemisch" = Schaltzustand „Ein")

5₂ = („Schneidsauerstoff" = Schaltzustand „Ein")

5₃ = („Vorschub" = Schaltzustand „Ein")

Im Ergebnis des Vergleichs der gemessenen Spannungsabfälle U₁, U₂, U₃ mit den Spannungsgrenzwerten G₁, G₂, G₃ entstehen die logischen Größen L₁, L₂, L₃.

Diese werden dann zu folgenden Signalisationsgrößen 0 verknüpft, gespeichert und ausgegeben:

O₁= T₃ L₁ S₁ S₂ S₃; . „Schnitt",

0₂ = L₃ · L₂ · S₁ · S₂ · S₃; „Fehlschnitt",

0₃ = L₂-S₁; „Flamme nicht erfaßbar", O₄= L₂-S₁; „Flammevorhanden",

O₅ = T₁; „Kurzschluß".

Weiterhin werden folgende Prozeßsteuergrößen S erzeugt:

5₁ = S₁-O₂; „Heizgasgemisch",

5₂ = S₂- O₂; „Schneidsauerstoff",

5₃ = S₃-CT₂; „Vorschub",

5₄ O₅; „Brennerheben" (Kurzschluß).

Dabei werden die Prozeßsteuergrößen S₁, S₂ und S₃ der jeweils letzten 3 Verfahrenszyklen zwischengespeichert und für S₁, S₂ und S₃ der während dieser Zyklen häufigere Zustand ausgegeben. Die Prozeßsteuergröße S₄ wird sofort ausgegeben. In einer zweiten Variante werden innerhalb von 10 ms 11 positive Konstantgleichströme L_s; i = 0,1... 10 aus einem Intervall (ΟμΑ, 1000μΑ) in äquidistanten Schritten beginnend mit I₀ = ΟμΑ ausgegeben und die Spannung.iabfälle U₁; i =-0,1 ...10 über dem Gasplasma bei jedem Konstantgleichstrom V, gemessen und zugeordnet als Uj (Ι₍); i = 0,1... 10 gespeichert. Weiterhin werden folgende Prozeßsteuergrößen entsprechend ihrem Schaltzustand erfaßt und als logische Größen S₁, S₂, S₃ den Prozeßsteuergrößen zugeordnet gespeichert:

5₁ = („Heizgasgemisch" = Schaltzustand „Ein"),

5₂ = („Schneidsauerstoff" = Schaltzustand „Ein"),

5₃ = („Vorschub" = Schaltzustand „Ein").

Danach wird der Grundanstieg A₀ ermittelt und gespeichert, wobei jeder Anstieg A₁; j = 0,1 ...9 folgendermaßen ermittelt wild:

A₁. "...«...>-".«.> _;i„ ₀₎₁, „₉ ¹I-I-I,

und jodom Anstieg A₁ dor Stromwort I* = — ; j = 0,1. .9 zugeordnet wird. Danach werden die Anstiege A,;

j -- 1,2...9 fortlaufend solange ormittolt, bis oino dor Bedingungen α), b) oder r.)'

a) A₁ > A₀ t Τ_Λ;

c) j - 9 nrlülll ist.

Dabei ist Ta ein vorgegebener Toleranzwert und Ug ein aus den Kennwerten der Anordnung resultierender Grenzwert. Je nachdem welche der Abbruchbedingungen a), b) oder c) erfüllt ist, werden dann:

a) IK=If;

_b)lK 0,_A

Ij- Io

j 1 Ό

ermittelt und gespeichert, wobei I_K ein Knickstrom und A ein mittlerer Anstieg ist.

Durch den Vergleich mit 4 Grenzwerten werden folgende logische Größen L₁... L₅ erzeugt und gespeichert:

L₁ = (Ik^O),

L₂ = (I_K > O₁),

L₃ = (Ik = O)-(AaG₁).

U = (Ik = O)-(AsG₃),

L₅ = (Ik = O) (AsG₄),

Diese_fdie Eigenschaften der Kennlinie charakterisierenden logischen Größen L₁... L₆ werden mit den logischen Größen Si, S₂, S₃ der Prozeßsteuergrößan logisch verknüpft, so daß die Signalisationsgrößen O₁,0₂,0₃,0₄ und O₅ wie folgt entstehen:

0₁ = S₁ · S₂ · S₃ · (L₂ + L₃ · T₄); „Schnitt",

0₂ = S₁ · S₂ S₃J ( L 2 + L₄ · L ₃); „Fehlschnitt",

0₃ = S, -(L₄+ L₁); „Flamme nicht erfaßbar",

0₄ = S₁-( L₄ + L₁); „Flammevorhanden", O₅= L₂; „Kurzschluß"

und die Prozeßsteuergrößen S₁, S₂, S₃, S₄ wie folgt entstehen:

51 = Sr^₂; „Heizgasgemisch"

5₂ = S₂-O₂; „Schneidsauerstoff"

5₃ = S₃U₂; „Vorschub"

5₄ = O₅; „Brenner heben"

und gespeichert werden. Dabei werden die Prozeßsteuergrößen S₁, S₂, S₃ der jeweils letzten 3 Verfahrenszyklen zwischengespeichert und für Si, S₂ und S₃ der während dieser Zyklen jeweils häufigere logische Zustand ausgegeben. Die Prozeßsteuergröße S₄ wird sofort ausgegeben.

Das konkrete Ausführungsbeispiel stellt eine Variante der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dar. Prinzipiell ist diese Variante die schnellste und zugleich Ungenaueste der möglichen Varianten. Durch eine engere Abtastung der Kennlinie, indem die Anzahl der auszugebenden Konstantgleichströme erhöht wird, läßt sich die Genauigkeit steigern, wobei aber zugleich die Geschwindigkeit des Verfahrens sinkt.

Resultierend aus den Kennwerten der Anordnung werden zur Durchführung des Verfahrens folgende Toleranz- und Grenzwerte verwendet:

T_A = 5kii

U_G = 0,9 · U_max

G₂ = 1 kli G₃= 4,8 kü G₄= 10Ok(I

Meßwer te

11... 20 21... Ί0 >h0

151 μΛ 126 μΛ 11<+ μΛ

Claims

Patentanspruch:

Verfahren zur Kontrolle der Prozeßzustände „Flamme brennt", „Schnitt" und „FeNsrhnitt" beim thermischen Trennen von normal rostigen und stark rostigen oder verschmutzten Werkstückoberflächen unter Ausnutzung der elektrischen Leitfähigkeit des Gasplasmas zwischen Brenner und Werkstück, wobei ein elektrischer Strom definierter Stärke und Polarität durch das Gasplasma geleitet wird und dessen Spannungsabfälle über dem Gasplasma erfaßt und die Vergleichsergebnisse als logische Größen zugeordnet gespeichert werden, wobei die den Prozeßsteuerprößen und die den Spannungsabfällen zugeordnet gespeicherten logischen Größen untereinandei und miteinander logisch verknüpft werden sowie Signalisierungsgrößen für Prozeßzustände und/oder Prozeßsteuergrößen ausgegeben werden, gekennzeichnet dadurch, daß eine periodische Folge von 3 zeitlich kurzen, größenmäßig verschiedenen positiven Konstantgleichströmen bei normalen rostigen Oberflächen durch das Gasplasma geleitet wird und im Zeitintervall eines jeden Konstantgleichstromes derSpannungsabfall über dem Gasplasma gemessen und dem zugehörigen Konstantgleichstrom zugeordnet gespeichert wird und mindestens die Prozeßsteuergrößen „Heizgasgemisch", „Schneidsauerstoff" und „Vorschub" nach ihrem Schaltzustand erfaßt werden und den Prozeßsteuergrößen als logische Größe zugeordnet gespeichert werden und, daß die gespeicherten Spannungsabfälle mit einem jeweils zugeordneten Spannungsgrenzwert verglichen werden sowie bei dicken Rostschichten eine periodische höchstens 20 ms lange Folge von 11 zeitlich kurzen, größenmäßig verschiedenen positiven Konstantströmen, die in einem bei 0 beginnenden Intervall liegen, durch das Gasplasma geleitet wird und im Zeitintervall eines jeden Konstantgleichstroms der Spannungsabfall über dem Gasplasma gemessen und dem zugehörigen Konstantgleichstrom zugeordnet gespeichert wird, wobei eine Approximation des positiven Kennlinienastes des Gasplasmas erfolgt und daß mindestens die Prozeßsteuergrößen „Heizgasgemisch", „Schneidsauerstoff" und „Vorschub" nach ihrem Schaltzustand erfaßt werden und der positive Kennlinienast bezüglich seiner wesentlichen Merkmale: mittlerer Anstieg des linearen Teils, Knickstrom und Knickspannung bewertet wird.

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kontrolle der Prozeßzustände „Flamme brennt", „Schnitt" und „Fehlschnitt" beim thermischen Trennen unter Ausnutzung der elektrischen Leitfähigkeit des Gasplasmas zwischen Brenner und Werkstück.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Nach DD-PS 249598 ist ein Verfahren zur Prozeßkontrolle beim thermischen Trennen bekannt, bei dem unter Ausnutzung der elektrischen Leitfähigkeit des Gasplasmas zwischen Brenner und Werkstück durch die Brennerflamme ein elektrischer Wechselstrom mit einer Frequenz um 1 kHz konstanter Amplitude sowohl in der positiven als auch in der negativen Halbwelle unterhalb der Sättigungsstromstärke des Gasplesmas geleitet wird und die Spannungsabfälle beider Halbwellen im Gasplasma erfaßt, gespeichert und rr.it Vorgabewerten und untereinander verglichen werden, die Vergleichsresultate untereinander und mit den Prozoßgrößen Schnittgeschwindigkeit, Schneidsauerstoffdruck und Brennertemperatur logisch verknüpft und zur Steuerung von Prozeßabläufen ausgewertet werden.

Die Anordnung zur Durchführung dieses Verfahrens ist derart realisiert, daß eine Stromquelle, ausgelegt für einen konstanten Wechselstrom um 1 kHz sowie ein mit einem Anschluß auf Werkstückpotential liegender Abgleichwiderstand an den Brenner angeschlossen sind und zusammen mit einem von diesen Bauelementen galvanisch getrennten Trennverstärker verbunden sind, der ome Einrichtung zur Spitzenwertgleichrichtung der positiven und negativen Meßspannungshalbwelle sowie einen Anstiegsdotektor für dio Temperaturmoßspannung enthält, daß die Ausgänge des Trennverstärkers mit einem Antriebsregler für ein Motorventil für Heizsauorstoff, einom Komparator und einem Logikbaustein verbunden sind, an dessen Eingängen der Tronnvorstnrkor und (lon Zustand dos Maschinenvorsc' ubs und des Schneidsauerstoffdrucks darstellende Schaltglieder gelegt sind, und daß die Ausgänge dos Logikbausteins mit Scholtgliodorn der Prozeßzustände verknüpft sind. Ein Nachtoil der Lösung ist, daß dio gomessonon Spnnnungsabfällo bei bestimmten technologisch bedingten Loitfahigkoitsandorungon, bozüglich dos Prozeßzustandos, Fehlinterprotationon liefern. Solche Loitfähigkeitsänderungen ontstohon boispiolswoiso, wonn sich auf dor Oborflächo des Workstücks Rost, Zunder, Konservierungsmittel oder Farbaufstriche in ungloichmäßigor Dicko und Zusair.monsotzung bofinden. Durch diose technologischen Randbedingungen, die mit der Workstückoborflächo vorbundon sind, wird die Aussagokraft der gemessenen Spannungsabfälle in Frage gestellt. Praktisch äußert sich dios darin, daß mit dom obengonannton Vorfah^on boim thormischen Trennen von Biochan, dio mit normalem Flugrost bohaftot sind, koino sichero Auswortung, insbosondoro dor Prozoßzuständo Schnitt bzw. Fehlschnitt, möglich sind.