DD282802A7

DD282802A7 - Verfahren zur regelung der brennerhoehe beim thermischen trennen

Info

Publication number: DD282802A7
Application number: DD31548188A
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: 1990-09-26

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Regelung der Brennerhoehe 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. Gemaesz der Aufgabe soll eine reproduzierbare Prozeszauswertung und -steuerung insbesondere hinsichtlich der Brennerhoehe auch bei waehrend des Prozeszablaufs sich veraendernden technologischen Randbedindungen, die durch die Heizgaszusammensetzung hervorgerufen werden, ermoeglicht werden. Kennzeichnend fuer die Erfindung ist, dasz eine periodisch sich wiederholende Folge von mindestens 11 zeitlich kurzen, groeszenmaeszig verschiedenen, positiven Konstantgleichstroemen, die in einem bei 0 beginnenden Intervall liegen, durch das Gasplasma geleitet wird, dasz Spannungsabfaelle gemessen und gespeichert werden, dasz Prozeszsteuergroeszen erfaszt und gespeichert werden, dasz die Merkmale mittlerer Anstieg des linearen Teils der Kennlinie und Knickstrom mit Grenzwerten, verglichen, dasz die Vergleichsergebnisse mit den Prozeszsteuergroeszen logisch verknuepft werden.{thermisches Trennen; Brennschneiden; Schneidprozesz; Prozeszkontrolle; Prozeszsteuerung; elektrische Leitfaehigkeit der Flamme}

Description

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Es ist bekannt, daß zur Konstanthaltung des Abstandes zwischen dem Werkstück und einem Schneidbrenner berührungslose Höhenstelleinrichtungen verwendet werden.

Es ist auch bekannt, daß für berührungslose Höhenstelleinrichtungen mechanische, induktive oder kapazitive (DE-OS 1941728) sowie pneumatische (DE-OS 24 02053) und optische (DE-OS 3541134) Höhengeber verwendet werden. Grundsätzlicher Nachteil dieser Lösungen ist, daß zusätzliche Geber am Schneidbrenner befestigt werden müssen, wodurch bei Konturschnitten oder nichtebenen Werkstücken Schneidfehler unvermeidbar sind. Zwar können diese Nachteile teilweise durch Ermittlung von Korrekturgrößen wie in DD-PS 225651 verhindert werden, dennoch bleiben Einschränkungen des Bewegungsraumr des Brenners, die durch die am Brenner befestigten Geber verursacht werden.

Weiterhin sind Methoden bekannt, die die elektrischen Eigenschaften der Brennerflamme zur Höhensteuerung nutzen (US-PS 2364645, DD-PS 149034, DD-PS 141637 sowie PTC-US 79/00174). Der wesentliche Nachteil dieser Lösungen oesteht darin, daß die EMK und/oder der lineare Teil des positiven Kennlinienastes des Gasplasmas ständigen, teils stochastischen, starken Größenschwankungen unterliegt. Diese starken Änderungen der Leitfähigkt.t entstehen durch unterschiedliche Oberflächenzustände (Rost, Zunder, Konservierungsmitte! und Farbaufstriche in unterschiedlicher Größe und Dicke), durch die wechselnde Größe des Schmelzbades beim Schnitt, durch Massepotentialverschiebungen sowie durch Veränderungen der Gaszusammensetzung. Somit ist mit diesen Verfahren nur unter speziellen technologischen Randbedingungen eine sichere Höhensteuerung möglich.

Weiterhin gilt nach DE-OS 1954030, daß zwischen der Düse und dem Werkstück eine Sinuswochselspannungsquelle angeschlossen wird, die eine Abweichung einer Kennlinie des durch die Flamme fließenden Stromes von einer Bezugskennlinie registriert. Nachteilig ist dabei, daß bei Veränderung des Flammenbildos bzw. der Gaszusammensetzung infolge der jeweilig vorhandenen Ladungsträger sich der Meßstrom ändert und es zu Fehlmeldungen kommt. Gemäß DD-PS 249598 wird zwar ebenfalls ein Verfahren sowie auch eine Anordnung vorgeschlagen, wobei eine Wechselspannung und dazugehöriger konstanter Wechselstrom an das Gasplasma angelegt werden, jedoch stellt sich dabei als Nachteil heraus, daß es ebenfalls zu Fehlmeldungen bei unkontrollierten Veränderungen in der Zusammensetzung des Gasplasmas kommt.

Ziel der Erfindung

Es ist Ziel der Erfindung, das thermische Trennen durch (ine bessere Überwachung/Steuerung der Brennerhöhe effektiver zu gestalten und den Anteil manueller Einflußnahmen dabei drastisch zu reduzieren.

Wesen der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu entwickeln, mit dem unter Ausnutzung der elektrischen Leitfähigkeit des Gasplasmas der Brennerflamme während des Durchflusses eines Meßstroms durch das Gasplasma eine sichere Regelung der Höhe des Brenners über dem Werkstück bei weitgehender Unabhängigkeit vom Prozeßzustand sowie von der Flammengaszusammensetzung möglich ist.

Die Aufgabe wird unter Ausnutzung der ele rtrischen Leitfähigkeit des Gasplasmas zwischen Brenner und Werkstück, wobei ein elektrischer Strom definiertet Stärke und Polarität durch das Gasplasma geleitet wird und dessen Spannungsabfälle über dem Gasplasma erfaßt und die Vergleichsergebnisse als logische Größer, zugeordnet gespeichert werden, wobei die den Prozeßsteuergrößen und die den Kennlinienmerkmalen zugeordneten gespeicherten, logischen Größen untereinander und miteinander logisch verknüpft werden und Signalisationsgrößen für die Prozeßzustände und/oder Prozeßsteuergrößen ausgegeben werden, erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine höchstens 20ms lange periodisch sich wiederholende Folge von mindestens 11 zeitlich kurzen großenmäßig verschiedenen positiven Konstantgleichströmen, die in einem bei 0 beginnenden Intervall liegen, durch das Gasplasma geleitet wird und eine Messung der Spannungsabfälle über dem Gasplasma mit einer Approximation des positiven Kennlinienastos erfolgt und mindestens die Prozeßsteuergrößen „Heizgasgemisch", „Schneidsauerstoff" und „Vorschub" nach ihrem Schaltzustand erfaßt und den Prozeßsteuergrößen als logische Größen zugeordnet gespeichert werden und, daß der positive Kennlinienast hinsichtlich seiner wesentlichen Merkmale mittlerer Anstieg des linearen Teils der Kennlinie und Knickstrom bewertet und die ermittelten Merkmale mit zugehörigen Grenzwerten verglichen werden.

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. Die besonderen Wirkungen der Erfindung beruhen nunmehr darauf, daß die Anzahl der so emittierten Elektronen begrenzt ist und somit ein Kennlinienknick dann auftritt, wenn zusätzlich zur normalen, bereits nahezu gesättigten Plasmaleitfähigkeit die o. g. Elektronen am Leitungsprozeß beteiligt sind, daß aber die Anzahl der am Leitungsprozeß beteiligten Elektronen in Abhängigkeit vom Prozeßzustand sowie von der Größe des Schmelzbades schwankt und somit der Anstieg des linearen Teils der Kennlinie sehr unterschiedlich ist. In überraschender Weise läßt sich nun jedoch ein funktionaler Zusammenhang zwischen dem die Anzahl der am Leitungsprozeß beteiligten Elektronen beschreibenden Knickstrom und der zugehörigen Knickspannung bzw. dem mittleren Anstieg des linearen Teils der Kennlinie erkennen, wobei ein wesentlicher Parameter dieses funktionalen Zusammenhangs die Länge des Gasplasmas zwischen Brenner und Werkstück ist. Semit läßt sich aus der Kenntnis des Knickstroms der Kennlinie mittels des Parameters Brennerhöhe eine Knickspannung ermitteln, die einen Sollwert darstellt. Über einen Vergleich zwischen Istwert und Sollwert der Knickspannung ist somit die Regelung der Brennerhöhe möglich.

Hervorhebenswert ist weiterhin die Tatsache, daß der funktionale Zusammenhang zwischen Knickstrom und Knickspannung bzw. mittlerem Anstieg des linearen Kernlinienteils weitgehend unabhängig vom Prozeßzustand sowie von der Größe des Schmelzbades ist.

Aiisführungsbeispiel

Von einer zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeigneten Anordnung, werden innerhalb von 10ms 11 positive Konstantgleichstiöme li; i = 0,1 ...10 aus einem Intervall (ΟμΑ; 1000μA) in äquidistanten Schritten beginnend mit I₀ = ΟμΑ ausgegeben und die Spannungsabfälle U;; i = 0,1...10 über dem Gasplasma bei jedem Konstantgleichstrom I; gemessen und zugeordnet als U,- (U; i = 0,1... 10 gespeichert. Weiterhin werden folgende Prozeßsteuergrößen entsprechend ihrem Schaltzustand erfaßt und als logische Größen Si, S₂, S3 den Prozeßsteuorgrößen zugeordnet gespeichert:

S, = („Heizgasgemisch" = Schaltzustand „EIN"),

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

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

Danach wird der Grundanstieg Ao ermittelt und gespeichert, wobei jeder Anstieg Aj, j = 0,1... 9 folgendermaßen ermittelt wird:

I — I· und jedem Anstieg Aj der Stromwert If = -^—-;\ = 0,1 ...9sowie der Spannungswert

zugeordnet wird. Danach werden die Anstiege A₁; j = 1,2...9 fortlaufend solange ermittelt, bis eine der Bedingungen a), b) oder c):

b) Uj ₊ , (Ij _{+ 1}) > U₀;

erfüllt ist. Dabei ist Ta ein vorgegebener Toleranzwert und U₀ ein aus den Kennwerten der Anordnung resultierender Grenzwert. Je nachdem welche der Abbruchbedingungen a), b) oder c) erfüllt ist werden dann:

a) Ik =ή Uk =Uf Jj(lj)-Uodo)

Ii-Io

b) Ik =lf Uk = U$ . Uj(Ij)-Uo(Io)

I₁

O Ik =14 Uk =UJ

ij+1 — Ό

ermittelt und gespeichert, wobei l.< ein Knickstrom, Uk eine Knickspannung und A ein mittlerer Anstieg ist. Aus dem Knickstrom Ik wird eine Sollknickspannung Us ermittelt, wobei folgende Werte der Sollknickspannung Us als Ergebnis eines funktionalen Zusammenhangs bei einer Sollhöhe h = 5mm entstehen:

ΙκίημΑ Us = fdK«h

50	1,3
150	2,1
250	2,6
350	3,0
450	3,4
550	3,7
650	4,0
750	4,3
850	4,5
950	4,7
Durch den Vergleich mit



L₁ = (AaG₁)
L₂ = (ASG₂)
L₃ = (Uk > Us)

Durch den Vergleich mit 3 Grenzwerten werden folgende logische Größen L₁, L₂, L₃ erzeugt und gespeichert:

Die logischen Größen L₁, L₂, L₃ werden mit den logischen Größen S₁, S₂, S₃ der Prozeßsteuergrößen logisch verknüpft, so daß die Signalisationsgrößen O₁,0₂, O₃, O₄ und O₆ wie folgt entstehen:

0₁ = S₁-L₂; „Flamme nicht erfaßbar"

0₂ = S₁-UV; „Flamme vorhanden"

0₃ = L₁; „Kurzschluß"

0₄ = S₁-S₂-S₃-L₃; „Brenner heben" Os = Si ·S₂ S₃·L₃; „Brennersenken"

und die Prozeßsteuergrößen S₄ und S₅ wie folgt entstehen:

5₄ = O₃ + O₄; „Brenner heben"

5₅ = Os; „Brennersenken"

und gespeichert sowie ausgegeben werden.

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:

Uq = 0,9 · U_msx G₁ = IkO G₂ = IOOkO

Claims

Verfahren zur Regelung der Brennerhöhe beim thermischen Trennen 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 Prozeßsteuergrößen und die den Kennlinienmerkmalen zugeordneten, gespeicherten, logischen Größen untereinander und miteinander logisch verknüpft werden und Signalisationsgrößen für die Prozeßzustände und/oder Prozeßsteuergrößen ausgegeben werden, gekennzeichnet dadurch, daß eine höchstens 20ms lange periodisch sich wiederholende Folge von mindestens 11 zeitlich kurzen größenmäßig verschiedenen positiven Konstantgleichströmen, die in einem bei 0 beginnenden Intervall liegen, durch das Gasplasma geleitet wird und eine !Messung der Spannungsabfälle über dem Gasplasma mit einer Approximation des positiven Kennlinienastes erfolgt und mindestens die Prozeßsteuergrößen „Heizgasgemisch", „Schneidsauerstoff" und „Vorschub" nach ihrem Schaltzustand erfaßt und den Prozeßsteuergrößen als logische Größen zugeordnet gespeichert werden und daß der positive Kennlinienast hinsichtlich seiner wesentlichen Merkmale, mittlerer Anstieg des linearen Teils der Kennlinie und Knickstrom, bewertet und die ermittelten Merkmale mit zugehörigen Grenzwerten verglichen werden.

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung der Brennerhöhe beim thermischen Trennen unter Ausnutzung der elektrischen Leitfähigkeit des Gasplasmas zwischen Brenner und Werkstück.