-
AUTOMATISCHER REGLER DER ABSTANDS ZWISCHEN EINEM WERKZEUG
-
UND EINER Erfindung betrifft automatische Kontroll- und Regelsysteme,
und zwar automatische Regler des Abstands vom Werkzeug bis zur stromleitenden Oberfläche.
-
Die Erfindung kann vorteilhaft beim Gasbrennschneiden, besonders
bei der Benutzung von zwei und mehr Gasschneidbrennern verwendet werden. außerdem
kann die Erfindung bei der elektroerosiven Metallbearbeitung sowie zur #ufrechterhaltung
des Arbeitsspaltes zwischen dem werkzeug und der stromleitenden Oberfläche mit veränderlichem
Profil, z. B.
-
beim Lackieren von Kraftwagenkarosserien mit Benutzung von Zerstäubern
verwendet werden.
-
Zur Bestimmung der Abstandsänderung vom Werkzeug bis zur Oberfläche
des Erzeugnisses werden in automatischen ltegelsystemen
Geber verschiedener
Typen verwendet. Die existierenden automatischen Regler des Abstands vom Werkzeug
bis zur Oberfläche des Erzeugnisses gewährleisten keine ausreichend hohe Regelgenauigkeit,
da die Parameter der in ihnen verwendeten Geber, sowohl solcher, die auf dem Kontaktprinzip
beruhen, als auch kontaktloser, bei einer Änderung der Oberflächenbeschaffenheit
des zu Erzeugnisses und/oder bei einer Änderung der Bedingungen des umgebenden Mediums
sich auch ändern.
-
Bei der Werwendungtva einem automatischen Xegle Ç einez mechanischen
Gebers (siehe US-PS 3432366Y, der in Form eines über die zu bearbeitende Oberfläche
des Erzeugnisses gleitenden oder rollenden Fühlers ausgeführt ist, folgt der Regler
den geringsten Schlackenbildungen auf der Oberfläche des Erzeugnisses. Außerdem
ändern sich die Kenndaten des mechanischen Gebers infolge des allmählichen Verschleißes
des über die Oberfläche gleitenden oder rollenden Fühlers. Weiterhin wird bei der
Verwendung eines mechanischen Fühlers im automatischen Regler die Möglichkeit eines
Durchgang8. des Werkzeugs beim Gasbrennschneiden über einen früher ausgcführten
Schnitt ausgeschlossen, da der Fühler dabei in den Schnitt einfällt und stehenbleibt.
-
Be ist eine Einrichtung zur Regelung des Abstands zwischen einem
Gasschneidbrener und der Oberfläche des Werkstücks bekannt (siehe DT-PS i94i?28),
in der der Geber der scnkrechten
Ver##eilung des Werkzeugs ins
bug auf die Oberfläche einen Kondensator darstellt, der durch die mit dem Gasschneidbrenner
verbundene Ringelektrode und die Oberfläche des Werkstücks gebildet wird. Das Signal
des Gebers-wird mit dem Signal des Sollwertgebers für den Ausgangsabstand zwischen
dem Gasschneidbrenner und der Oberfläche verglichen und das erhaltene Differentialsignal
steuert die senkrechte Verstellung des Gasschneidbrenners. Da im Kondensator als
Dielektrikum Zuft dient, so werden die Änderungen der Temperatur, Feuchtigkeit und
des Drucks der Luft zwischen den Kondensatorbelägen einen Einfluß auf die dielektrischen
Parameter des Kondensators ausüben. Die Parameter des kapazitiven Gebers ändern
sich desgleichen bei einer Änderung der Menge und der Zusammensetzung des aus dem
asschneidbrenner ausströmenden Gases sowie beim Vorhandensein von Rost oder Zunder
auf der Oberfläche des Werkstücks. Eine Änderung der Parameter des Gebers führt
zu einer Herabsetzung der Regelgenauigkeit des Abstands vom Gasschneidbrenner bis
zur Oberfläche des Werkstücks.
-
Bs ist ein automatischer Regler des abstands vom Werkzeug bis zur
stromleitenden Oberfläche bekannt (siehe den Urheberschein der UdSSR Nr. 421452),
der einen Geber der senkrechten Verstellung des Werkzeugs inbezug auf die stromleitende
Oberfläche, welcher konzentrisch mit dem starr mit ihm verbundenen Werkzeug1 dem
Gasschneidbrenner#angeordnet ist, einen Hochspannungsimpulsgenerator zur Speisung
des
Gebers und einen Komparator zum Vergleich des Gebersignals mit
dem Bezugssignals enthält. Der Ausgang des Somparators ist elektrisch über einen
~leistungsverstärker mit dem Stellwerk verbunden, das mechanisch mit dem Geber gekuppelt
ist.
-
Der Geber der senkrechten Verstellung des Werkzeugs inbezug auf die
stromleitende Oberflache stellt ein ringartiges stromleitendes Element dar, das
dem Hoch#pannungsimpulsgenerator über einen Begrenzungs- und einen telastungswiderstand
zugeschaltet ist. Beim Betrieb dieses Reglers springt ein Durchschlagsfunken zwischen
der Oberfläche des ringartigen Gebers und der stromleitenden Oberfläche ober.
-
Der parallel dem Belastungswiderstand eingeschaltete Umformer erzeugt
eine Gleichspamiung, die der zeitabhängigen Dichte der elektrischen Entladungen
im Kreis ~'Ringelement -stromleitende Oberfläche" proportional ist. Der Ausgang
dieses Umformers steht in Verbindung mit dem Komparator, die auch mit der Bezugsspannungsquelle
verbunden ist, wobei die Bezugsspannung den erforderlichen Abstand zwischen dem
Werkzeug und der stromleitenden Oberfläche vorgibt.
-
Dieser automatische Regler kann desgleichen wie die oben beschriebenen
keine hohe Regelgenauigkeit des Abstands vom Werkzeug bis zur stromleitenden Oberfläche
gewährleisten, da auf das Entstehen des Funkens zwischen dem Geber und der stromleitenden
Oberfläche die Ionisationßbedingungen der umgebenden luft, und zwar deren Temperatur
und Feuchtigkeit,
die Ausströmungsgeschwindigkeit des Gases aus
dem Gasschneid brenner, die Zusammensetzung dieses Gases u. a. einen h'influß ausüben.
Außerdem ist der Geber des beschriebenen reglers nicht gefahrlos beim Betrieb infolge
des Vorhandenseins der Hochspannung in der Werkzeugszone.
-
genauen infolge der unzureichend v aufrechterhaltung des Abstands
zwischen dem werkzeug und der Oberfläche des Erzeugnisses können sämtliche oben
angegebene automatische Abstandsregler beim Gasbrennschneiden mit mehreren Gasschneidbrennern
nicht effektiv verwendet werden, da die sich beim Schneiden ausbildenden Kanten
den Parametern, z. B.
-
der Abfasung der Kanten, die zur nachfolgenden Werschweißung der zugeschnittenen
Platten erforderlich sind, nicht entsprechen. Deshalb ist nach dem Schneiden des
Metalls mit verwendung solcher Regler die Durchführung einer zuaätzlichen Bearbeitung
der Kanten erforderlich, wodurch die wrbeitsleistung bei der Schweißung der Erzeugnisse
herabgesetzt wird.
-
Das Ziel der vorliegenden Erfindung besteht in der Besei tigung der
genannten lGachteile der existierenden automatischen Regler des Abstands vom Werkzeug
bis zur stromleitenden Oberfläche.
-
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen automatischen
Regler des abstands vom Werkzeug bis zur stromleitenden Oberfläche zu entwickeln,
der eine gesteigerte
Regelgenauigkeit durch Erhöhen der Stabilität
der elektrischen Parameter des Gebers der senkrechten Verstellung des Werkzeugs
in bezug auf die stromleitende Oberfläche gewährleistet.
-
Die angegebene Aufgabe wird dadurch gelöst, daß im automatischen
Regler des Abstands vom Werkzeug bis zur stromleiwenden Oberfläche, der einen starr
am Werkzeug befestigten Geber der senkrechten Verstellung des Werkzeugs inbezug
auf die stromleitende Oberfläche, einen Generator zur Stromversorgung des Gebers,
einen dem Geber zugeschalteten Kompara einem tor zum Vergleich seines Signals mit
v Bezugssignal sowie ein elektrisch über einen Verstärker mit dem Ausgang des Komparators
verbundenes und mechanisch mit dem Geber gekuppeltes Stellwerk enthält, erfindungsgemaß
der leber der senkrechten Verstellung des Werkzeugs in bezug auf die stromleitende
Oberfläche im Porm einer Metallwindung und eines mit ihr verbundenen Koaxialkabelabschnitts
für das Zuschalten zum Generator ausgeführt wird, Wobei der Koaxialkabelschnitt
vom Werkzeug entfernt ist und seine Impedanz den Wirkwiderstand der Metallwindung
bedeutend überschreitet.
-
Die Vorteile des erfindungsgemäßen automatischen Heglers bestehen
darin, daß die elektrischen parameter des in ihm verwendeten Gebers der senkrechten
Verstellung des Werkzeugs in bezug auf die stromleitende Oberfläche von den Änderungen
der Bedingungen des umgebenden Mediums - der Temperatur,
Feuchtigkeit
und des Drucks der luft - sowie von der Gasausströmungsdeschwindigkeit und der Zusammensetzung
des Gases beim Gasbrennschneiden nicht abhängen und folglich eine hohe Stabilität
besitzen. Die Parameter des Gebers hängen desgleichen vom Vorhandensein der Schlacke
auf der stromleitenden Oberfläche sowie von Zunder oder fremden, nichtstromleiüenden
Teilchen, und von den änderungen der Werkstoffeigenschaften der stromleitenden Oberfläche
nicht ab. Die das empfindliche Element des Gebers darstellende Metallwindung ändert
ihre geometrischen Abmessungen und also auch ihre elektrischen Parameter bei einer
Änderung der Demperasur und Feuchtigkeit der umgebenden luft nicht und weist eine
große Wärmeabgabefläche auf, wodurch der Betrieb des Reglers unter den Bedingungen
hoher Temperaturen zugelassen wird. Die geometrischen Abmessungen ändern sich <#[1MMhtauch
bei Erschütterungen, Schwingungen und anderen mechanischen Beanspruchungen. Da der
Wirkwiderstand der Metallwindung viel geringer als die Impedanz des Koaxialkabelabschnitts
und damit des gesamten Gebers ist, so wird auch die Änderung des von der stromleitenden
Oberfläche eingebrachten Wirkwiderstands infolge einer Änderung der elektrischen
Leitfähigkeit des Werkstoffs dieser Oberfläche sich wenig auf die Änderung der Parameter
des Gebers im ganzen auswirken. Die verteilten (ortsahhängigen) Parameter des Koaxialkabels
weisen eine hohe Stabilität auf und ändern
sich bei Erschütterungen
und Schwingungen nicht. Zwecks Vermeidung einer Änderung der verteilten Parameter
des Kabels in Abhängigkeit von der Temperatur und der Eigenschaftsände rung der
stromleitenden Oberfläche ist das Kabel aus der Zusammenwirkungszone der Metallwindung
mit der stromleitenden Oberfläche herausgebracht, d. h. von der einer Erwärmung
ausgesetzten Lone entfernt. Außerdem überbrückt der geringe Wirkwiderstand die auf
den Geber aufgebrachten Störungen, die sich seinem Signal überlagern können.
-
Das Vorhandense in im induktiven Geber des erfindungsgemäßen Reglers
einer Windung bedingt die Stromversorgung des Gebers von einem Hochfrequenzgenerator.
Dabei wird der durch die Signale des Gebers im erzeugnis induzierte Strom an der
Oberfläche des Erzeugnisses fließen und in die Tiefe des Werkstoffes nicht eindringen.
Deshalb wird der Geber nur auf die Änderung des Abstands bis zur stromleitenden
Oberfläche ansprechen und sein Signal wird nicht von der Änderung der Werkstoffeigenschaften
des Erzeugnisses abhängen.
-
Die Stabilität der Parameter des Gebers im erfindungsgemäßen Regler
gewährleistet eine hohe degelgenauiækeit.
-
Im folgenden wird die Erfindung durch die Beschreibung eines Ausführungsbeispiels
und die beigelegten Zeichnung erläutert, in der der erfindungs#emäße automaLische
Regler des Abstands vom Werkzeug bis zur stromleitenden Oberfläche schematisch dargestellt
ist.
-
Der erfindungsgemäße:iautomatische ziegler des Abstands vom 0.3erkseug
bis zur stromleitenden Oberfläche enthält einen Geber 1 der senkrechten Verstellung
des Werkzeugs inbezug auf die stromleitende Oberfläche, einen Hochfrequenzgenerator
2 zur Stromversorgung des Gebers 1, einen Komparator, dessen Funktion in der beschriebenen
Ausführungsvariante der Erfindung ein Kondensator 3 ausübt und die zum Vergleich
des Signals des Gebers 1 mit dem Bezugssignal dient, einen Gleichstromverstärker
4 und ein Stellwerk 5 mit einem Getriebe 6 zur Ausführung der senkrechten Verstellung
eines Werkzeugs 7 in Ubereinstimmung mit dem Wert und der Polarität der Spannung
am Vergleichskondensator 3.
-
Der Geber 1 der senkrechten Verstellung des Werkzeugs inbezug auf
die stromleitende Oberfläche besteht aus zwei Teilen: einem aktiven Teil, der eine
Metallwindung 8 darstellt, und einem passiven Teil in Form eines Koaxialkabelabschnitts
9.
-
Die als empfindliches Element des Gebers 1 dienende Metallwindung
8 ist starr an einer Grundfläche 10 befestigt, auf der das Werkzeug 7, z. B. die
Gasschneidbrenner, angebracht sind.
-
Sie ist über der stromleitenden Oberfläche 11 eines Erzeugnisses vor
dem Werkzeug 7 in der Bewegungsrichtung des Werkzeugs 7 angeordnet wobei zwecks
Wereinsachung der Zeichnung die Gasschneidbrenner um den Winkel 900 gewendet dargestellt
sind. Der Koaxialkabelabschnitt 9 ist aus der Zusammenwirkungszone der Metallwindung
8 mit der stromleitenden Oberfläche 11 heraus verlegt, so daß die hohen Tempern
turen
beim Gasbrennschneiden keinen Einfluß auf die elektrischen Parameter des Kabels
9 ausüben können. Das eine Ende der Metaliwindung 8 ist mit der Innenader des Koaxialkabels
9 und das andere mit dem an das Gehäuse 12 des elektrischen Teils des Reglers gelegten
Schirmmantel des Kabels verbunden. Die lvietallwindung 8 ist aus einem Hohlleiter
zum Durchströmen von Kühlluft durch diese ausgeführt und hat eine solche Größe der
Querschnittsfläche, daß der Wirkwiderstand der Windung 8 bedeutend geringer als
die Impedanz des Koaxialkabelabschnitts 9 ist. Die Induktivität der Metallwindung
8 bildet gemeinsam mit den verteilten Parametern des Koaxialkabelabschniubs 9 und
parallel dem Geber 1 zugeschalteten Kondensatoren 13 und 14 einen Schwingungskreis,
dessen Resonanz-~ frequenz durch den Ausgleichkondensator 14 geregelt wird.
-
Der Hochfrequenzgenerator 2 hat eine hohe Stabilität der Frequenz,
wobei die Resonanzfrequenz des durch den Geber 1 und die Kondensatoren 13 und 14
gebildeten Schwingungskreises sich in der Mitte des linearen Abschnitts der Frequenzkennlinie
des llochfrequenzgenerators 2 und zwar links von der Resonanzfrequenz des Generators
2#befindet, da als wechselparameter des Schwingungskreises, in den der Geber 1 einbegriffen
ist, die Induktivität auftritt. Eine solche gegenseitige Lage der Resonanzfrequenzen
des Generators 2 und des Schwingungskreises, zu dem der Geber 1 gehört, gewahrleistet
eine lineare abhängigkeit des nals des Gebers 1 von der Änderung seiner Induktivität,
deren Wert vom Abstand zwischen
der Metallwindung 8 und der stromleitenden
Oberfläche 11 abhängt.
-
Dem Ausgang des Hochfreque#zgenerators 2 ist ein Transformator 15
zugeschaltet, der eine Primärwicklung 16 und eine Sekundärwicklung 17 be sitzt.
Das eine Ende der Sekundärwicklung 17 des Transformators 15 ist mit der Anode einer
Diode 18 und mit der Katode einer Diode 19 verbunden. Die Katode der Diode 18 ist
dem Verbindungspunkt der Kondensatoren 13 und 14 mit der Ader des Koaxialkabels
9 zugeschaltet. Die Anode der Diode 19 ist über einen Wechselwiderstand 20 mit dem
Gehäuse 12 verbunden. Der Wechselwiderstand 20 dient zur Einstellung des Bezugssignalwerts,
der den erforderlichen Abstand zwischen dem Werkzeug 7 und der stromleitenden Oberfläche
11 vorgibt. Das andere sende der SekUndärwicklung 17 des Transformators 15 ist der
einen ausweitung des Wergl.ichskondensators 3, dessen andere Ausleitung mit dem
Gehäuse 12 verbunden ist, und dem Eingang des Gleichstromverstärkers 4 zugeschaltet.
-
Der Ausgang des Gleichstromverstärkers 4 ist mit der (nicht dargestellten)
Wicklung des Stellwerks 5 verbunden, dessen Ausgangswelle mit dem Getriebe 6 gekuppelt
ist, Das Getriebe 6 ist mit der Zahnleiste 21 verbunden, die starr an der Grundfläche
10 befestigt ist, auf der das Werkzeug 7 und die Metallwindung 8 des Gebers 1 beSestigt
sind.
-
Beim Betrieb des Reglers fließt der durch die positive
Spannungshalbwelle
des Hochfrequenzgenerators 2 erzeugte Strom über die Diode 18 und den durch den
Geber 1 und die Kondensatoren 13 und 14 gebildeten Schwingungskreis und lädt den
Kondensator 3 auf, wobei der Wert dieses Stroms und damit der Spannunswert, bis
auf den der Kondensator 3 aufgeladen wird, durch den Schwingungsl{reiswiderstand
bestimmt wird, der von den rarametern des gebers 1, insbesondere von der Induktivität
der Metallwindung abhängt, die ihrerseits vom Abstand zwischen dem Werkzeug 7 und
der stromleitenden Oberfläche 11 abhängig ist.
-
Der durch die negative Spannungshalbwelle des Hochfrequenzgenerators
2 erzeugte Bezugsstrom fließt durch die Diode 19 und den Wechselwidersüand 20, wobei
er den Kondensator 3 in Abhängigkeit vom Verhältnis der Wert des Bezugsstroms und
des durch die Parameter des Gebers 1 bestimmten Stroms entlädt oder- umlädt.
-
Die Benutzung der Spannung des Hochfrequenzgenerators 2 zur Speisung
des Gebers 1 und zum Erhalten des Bezugsstroms schaltet den Einfluß der Instabilität
der Spannung des Generators 2 auf den Wert der resultierenden Spannung am Kondensator
3 aus, wie das bei der Verwendung einer separaten Bezugsstromquelle der Fall ware.
-
Vor Beginn des Betriebs wird das Werkzeug 7 im vorgegebenen Abstand
von der stromleitenden Oberfläche 11 des bezeugnisses angeordnet, und es wird ein
solcher Widerstandswert des Wechselwiderstands
20 eingestellt,
daß der Wert des Bezugsstroms dem Wert des Stroms, der durch die Parameter des Gebers
1 bestimmt wird, gleich ist und die resultierende Spannung am Kondensator 3 gleich
Null sein wird.
-
Bei der horizontalen Verstellung des Werkzeugs 7 über der stromleitenden
Oberfläche 11 (die Richtung der horizontalen aerstellung des Werkzeugs 7 ist in
der Zeichnung durch einen Pfeil angedeutet) kommt es bei einer Änderung des Abstands
zwischen der Metaliwindung 8 und der stromleitenden Oberfläche 11, z. B. im Fall
einer Krümmung der stromleitenzu den Oberfläche 'Il#ein#gnderung der Induktivität
der Metallwindung 8, und es ändert sich entsprechend der Wert des Stroms der durch
die Diode 18 und den Schwingungskreis, in den der Geber 1 einbezogen ist, fließt,
und zwar bei einer Näherung der#MeÜallwindung 8 zur stromleitenden Oberfläche 11
fällt die Induktivität der Windung 8 ab und der Strom steigt an, während im Fall
einer Entfernung der Windung 8 von der stromleitenden Oberfläche 11 die Induktivität
der Windung 8 ansteigt und der Strom abfällt, Am Kondensator 3 tritt eine Spannung
auf, deren Wert durch die Größe der Differenz zwischen dem Strom, der auf die Induktivitätsänderung
des Gebers 1 anspricht, und dem Bezugsstrom, und deren polarität durch das Vor#eichen
dieser Differenz bestimmt wird.
-
Dar Wert der resultierenden Spannung am Kondensator 3 bestimmt
die
Größe der senkrechten Verstellung des Werkzeugs 7, die zur whiederherstellung des
vorgegebenen Ausgangsabstands zwischen dem Werkzeug 7 und der stromleitenden Oberfläche
11 erforderlich ist, und die Polarität der resultierenden-Spannung am Kondensator
5 bestimmt die dichtung der angegebenen Verstellung.
-
Die resultierende Spannung am Kondensator. 3 wild durch den Gleichstromverstärker
4 verstärkt und steuert das Stellwerk 5, indem sie dessen (nicht dargestellte) Ausgangswelle
um einen solchen Winkel verdreht, daß die senkrechte Verstellung der mit ihm über
das Getriebe 6 verbundenen und an der Grundfläche 10 befestigten Zahnleiste 21 die
Einstellung des vorgegebenen Abstands zwischen dem Werkzeug 7 und der stromleitenden
Oberfläche 11 gewährleistet.
-
Da erfindungsgemäß der Wirkwiderstand der Metallwindung 8 viel geringer
als die Impedanz des Koaxialkabelabschnitts 9 ist, so wird auch der eingebrachte
Wirkwiderstand der Metallwindung 8 viel geringer als der Widerstand des gesamten
Gebers im ganzen sei, welcher von der Impedanz des Koaxialkabelabschnitts 9 bestimmt
wird, die sich wiederum durch eine hohe Stabilität auszeichnet, weil der Koaxialkabelabschnitt
9 vom Werkzeug 7 entfernt ist, d.h. sich außerhalb der einer Brwärmung ausgesetzten
Zone befindet. Dadurch wird eine derung des eingebrachten Wirkwiderstands der Windung
8 z. B.
-
bei einer Änderung der elektrischen ~leitfähigkeit der stromleitenden
Oberfläche
11 praktisch keinen Einfluß auf den Wert des durch den Geber 1 fließenden Stroms
ausüben. Das gestattet in dem erfindungsgemäßen Regler eine Segelgenauigkeit des
Abstands zwischen dem Werkzeug 7 ud der stromleitenden Oberfläche 11 gleich D,35
mm, d.h. eine um das Dreifache höhere Regelgenauigkeit als diejenige, die durch
die bekannten regler gewährleistet wird, zu erhalten.
-
Di hohe Genauigkeit des erfindungsgemäßen Reglers gestattet, denselben
beim Gasbrennschneiden mittels mehrerer Gasschnvidbrenner mit Ausbildung von zur
nachfolgenden Sch'#ei#ung fertigen Kanten effektiv zu verwenden.
-
Der erfindungsgemäße Regler hat außerdem einen einfachen Aufbau des
Gebers, der eine gute Reparaturfahigkeit, eine hohe Sicherheit und Gefahrlosigkeit
im Betrieb aufweist.