Die Schweißprozess-Versteher

Die Quelle bester Schweißqualität - Prozess-Steuerung Virtuelle Maschine

Mehr als fünftausend Virtuelle Maschinen steuern heute Lichtbogen- und Punktschweißgeneratoren, die weltweit in der Produktion und insbesondere in der Automobil-Fertigung und Karosseriereparatur eingesetzt werden.

Was ist die Virtuelle Maschine?


Alle Schweißprozesse oder auch Prozesse des thermischen Spritzens jeglicher Art, ob hand- oder robotergeführt, müssen sehr exakt und flexibel gesteuert werden.

Physikalische Parameter wie z.B. die Materialart der zu schweißenden Stoffe, Materialstärken, Strom, Spannung, Drahtvorschub, Elektrodenkräfte, Prozessgasfluss und Zeit müssen hierbei in ganz unterschiedlichen Anwendungsfällen und auch unterschiedlichen Schweißtechnologien jeweils optimal aufeinander abgestimmt werden.

Hierbei reichen die Anforderungen etwa im Lichtbogendrahtspritzen bis hin zur extrem individuellen und feinnuancierten Prozessführung. Gleichzeitig muss bei industriellen Anwendungen die ständige Reproduzierbarkeit exakt dieser komplexen Prozesse (Prozesssicherheit) gegeben sein.

Genau diese Aufgaben werden im Hause ELMA-Tech seit Gründung äußerst erfolgreich von der Prozesssteuerung „Virtuelle Maschine“ (Virtuelle Maschine nach Puschner, P.) erledigt. Die Virtuelle Maschine kann deshalb zu Recht als das wesentliche technologische Herzstück der Schweißtechnik von ELMA-Tech betrachtet werden. Als Schweißprozess-Steuerung löst sie mit geringstmöglichem Programmieraufwand die Führung komplexer Fügeprozesse mit höchster Reproduzierbarkeit. Als Prozess-Steuerung für das thermische Spritzen (z.B. Lichtbogendrahtspritzen) realisiert sie eine vollständig flexible Einstellung von Spritzparametern für optimierte Haftung und extrem feine Spritzgefüge.

Historische Kontinuität und fundamentales Praxiswissen

Seit 1970 wurde von Prof. Dr. Peter Puschner modernste Steuerungs- und Leistungselektronik für die Schweißtechnik entwickelt. Die damit verbundenen grundlegenden Techniken haben dabei breiten Eingang in die gesamte Schweißtechnik gefunden und markieren die Innovationsspitze bei elektronischen Schweißgeräten. Weltweit erteilte Patente unterstreichen den Innovationscharakter der ELMA-Tech-Entwicklungen.

Im Jahre 1997 wurde auf Basis dieser technologischen Entwicklungen ein neuartiges Steuerungssystem für technologische Prozesse umgesetzt: die Virtuelle Maschine.

Die Virtuelle Maschine wird als Schweißprozess-Steuerung in der inzwischen 3. Generation weltweit ausschließlich von ELMA-Tech eingesetzt und begründet den technologischen Spitzenplatz, den ELMA-Tech heutzutage einnimmt.

Wie funktioniert die Virtuelle Maschine?


Ein Hinweis: Der folgende Abschnitt bietet eine nur sehr grobe und unscharfe Erklärung der Virtuellen Maschine (VM). Auf die Erläuterung der strukturellen Abläufe im Rechnersystem der VM selbst wird verzichtet.

Der grundlegende Denkansatz hinter dem Konzept der VM als Schweißprozess-Steuerung für elektronische Generatoren lautet sehr stark vereinfacht:

Versuche nicht, die im Schweißprozess auftretenden physikalischen Größen wie Strom und Spannung eines elektronischen Generators zu steuern, da diese auf Grund der Komplexität bzw. Freiheitsgrade des Prozesses nicht exakt deterministisch vorherbestimmbar sind.

Sondern: Zerlege die einzelnen Prozesszustände beim Schweißen in allerkleinste Zeiteinheiten oder Segmente. Stelle für jede dieser Zeiteinheiten für deine reale Schweißmaschine eine genau für diese Einheit optimierte „vollständige Maschine“ bzw. optimierten Generator zur Verfügung. Wiederhole diesen Zerlegeprozess entsprechend den Erfordernissen der jeweiligen Schweißaufgabe bis zum Abschluss des Schweißvorgangs.

Die in der VM umgesetzte Statik- und Dynamiksteuerung wertet diese sich schnell ändernden Prozesszustände aus. Hierbei handelt es sich um Abläufe, die sich im Tausendstel Sekundenbereich abspielen. Die VM reagiert auf jeden unterschiedlichen Zustand im Bereich ihrer Zyklusfrequenz von 20 kHz, also innerhalb von 50 Mikrosekunden.

Anders ausgedrückt: Die VM stellt je nach Prozesszustand innerhalb einer Sekunde bis zu 20.000 unterschiedliche Generatoren mit optimaler Charakteristik für ein hochwertiges und optimales Schweißergebnis zur Verfügung. Sie bedient sich hierzu einer als Expertensystem ausgebildeten Datenbank mit allen erforderlichen physikalischen Parametern, die derartige Generatoren in ihrem dynamischen und statischen Betriebsverhalten jeweils optimal beschreiben.

Das Steuerungskonzept der VM lässt es somit zu, den elektronischen Generator der Schweißmaschine mit einer Zykluszeit von 50 Mikrosekunden komplett neu in Statik und Dynamik zu konfigurieren. Die Parameter für Statik und Dynamik sind in Echttext in physikalischen Größen wählbar, so dass eine 100%-ige Reproduzierbarkeit der Prozessführung gegeben ist.

Dies ermöglicht es, die Stromquellencharakteristik optimal für unterschiedliche Prozessanforderungen auf einfachste Weise phasenbezogen einzustellen und zum Beispiel den Anforderungen des Lichtbogens bzw. seines Plasmas gerecht zu werden.

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Weshalb wird von einer 'virtuellen' Maschine gesprochen?


Da jeder dieser Generatoren von außen betrachtet klassische Elemente der Elektrotechnik in deren Wirkung darstellt, z. B. Innenwiderstände oder Drosseln, die tatsächlich auch im Zusammenspiel mit dem Prozess nachweisbar wirken, in der Realität aber nicht vorhanden sind und somit auch keine Verluste erzeugen, erklärt sich auch die Begriffsverwendung „Virtuelle“ Maschine - nämlich als Option auf eine Vielfalt möglicher zu realisierender Generatorzustände.

Zum anderen weist das Rechnersystem der Virtuellen Maschine aus informationstheoretischer Sicht Merkmale eines virtuellen Systems auf.

Drittens weist die Messtechnik der Punktschweißmaschinen von ELMA-Tech einen virtuellen Charakter auf, da sie so „tut“, als würde sie bestimmte elektrische Größen direkt auf den Oberflächen der Elektrodenkappen einer Punktschweißzange messen, obwohl dort gar keine Messleitungen hingeführt sind.

Vorteile der Virtuellen Maschine


Die immensen Vorteile eines Einsatzes der ELMA-Tech Prozesssteuerung variieren je nach Einsatzgebiet. Es gibt aber einige grundlegende Vorteile, die allen Anwendungen gemeinsam sind.

  • Hohe Prozesssicherheit heißt Reproduzierbarkeit
    Das Aufspalten eines Schweißprozesses oder auch eines thermischen Spritzprozesses in eine Vielzahl von Einzelprozessen, von denen jeder einzelne für sich dank einer praxisgesättigten, evidenzbasierten Parameter-Datenbank jeweils maximal optimiert ist, sorgt im Einklang mit sorgfältig erstellten Schweißprogrammen für eine maximale Reproduzierbarkeit. Dies gilt vor allem für sehr komplex ablaufende Prozesse.

  • Beste Schweißqualität
    Die exakte Prozessführung der ELMA-Tech Schweißmaschinen durch die Schweißprozesssteuerung Virtuelle Maschine garantiert eine sehr hohe Qualität der Schweißergebnisse und der Ergebnisse des thermischen Spritzens. Im Lichtbogenschweißen werden zum Beispiel bei dünnsten Aluminium-Blechen und Edelstählen durch den „sehr kalten“ MIG AC Prozess superiore, verzugsarme Nahtqualitäten bei absolut spritzerfreiem Tropfenübergang erzielt.

  • Maximale Flexibilität und schnelle Anpassungsfähigkeit
    Aufwändige Prozesstypen können je nach Bedarf in verschiedene, beliebig optimierbare Einzelphasen oder Segmente zerlegt werden, wie dies beispielsweise im MIG-MAG-Schweißen geschieht oder auch im Lichtbogendrahtspritzen. So kann die momentane energetische Führung sehr exakt an Prozessanforderungen angepasst werden.

  • Hohe Energieeffizienz
    Ein mit der Virtuellen Maschine gesteuerter Generator arbeitet unabhängig vom momentanen Prozesszustand immer mit dem Wirkungsgrad des Leistungsteils (90 – 95%) und ist damit herkömmlichen Generatoren in der Energieausbeute deutlich überlegen.

    Mit Virtueller Maschine betriebene Generatoren bieten einem stochastisch ablaufenden Prozess keine festen Parameter, sondern einen Arbeitsbereich an, bei dem sich Quelle und Prozess auf momentane optimale Arbeitspunkte einigen können. Dies begründet eine hervorragende Prozess-Stabilität.

    Besonders im Widerstandspunktschweißen sorgt dieses Prinzip in Kombination mit einer virtuellen Messung von Spannung und Strom an den Elektrodenkappenoberflächen der Punktschweißzangen für einen optimalen Energieeinsatz, der auf hohen Anpressdruck der Elektrodenarme und massiven Stromeinsatz verzichten kann.

Plug & Weld Punktschweißen durch Vollautomatik

Ein besonderer Vorteil ergibt sich aus dem Einsatz der Virtuellen Maschine im Widerstandspunktschweißen. Der vollautomatische Punktschweißprozess ist ein klares Alleinstellungsmerkmal der ELMA-Tech Widerstandstechnologie und führt seit 2003 das Plug & Weld Prinzip ein:

Maschine starten – Automatikmodus auswählen – schweißen!
Bleckdicken und Materialarten werden automatisch von der Schweißsteuerung erkannt.

  • Keine Schweißprobenerstellung im Vorfeld mehr notwendig
  • Keine Parameterfindung mehr notwendig
  • Hochfeste Stähle erkennen und schweißen
  • Unterschiedliche Materialien ohne Parametereinstellung in einem Schweißvorgang durchschweißen
  • Problemlos bis zu 10 mm Gesamtblechstärke schweißen
  • Alu-Schweißen von Dünnblechen bis zu 3 mm (Karosseriereparatur)
  • Kein Anlernen von Personal mehr notwendig
  • Effektiver Energieeinsatz (soviel Energie wie nötig für ein optimales Ergebnis)
  • Schweißparametersicherung und Qualitätssicherung beim Punktschweißen
    Mit der SpotQS Viewer – Software werden Schweißparameter fahrzeugspezischer Punktschweißverbindungen aufgezeichnet und ausgewertet. Die Parameter sowie das Schweißergebnis können nach Beendigung einer Schweißaufgabe auf den USB-Stick geschrieben werden. Die Aufzeichnung des Schweißergebnisses entspricht dem Abbild der QS-Ampel in der Bedienfront einer Punktschweißmaschine.

Der Prozessablauf im Widerstandspunktschweißen


Das von der Virtuellen Maschine abgearbeitete Prozessmodell verfolgt vier zu unterscheidende Aufgaben zur Durchführung einer qualitativ hochwertigen Punktschweißung:

  • Test des Anfangszustandes durch gezielten Energieeintrag. Unterscheidung zwischen Totalisolation, Teilisolation und idealen Anfangsbedingungen. Erkennen von Blechdicken und Stahlsorten.
  • Herbeiführen einer Erstlinsenbildung durch Einbringen eines gezielten Energieeintrages. Im häufigsten anzutreffenden Falle einer Teilisolation wird durch das Einbringen eines gezielten Energiebetrages eine Annäherung der zu verschweißenden Bleche im Fügebereich herbeigeführt.
  • Durchführung des eigentlichen Schweißprozesses (Strom-Zeit-Programm). Hierbei wird kontinuierlich der eingebrachte Energiebetrag aufsummiert, um bei Erreichen einer Sollenergie den Schweißprozess zu beenden.
  • Ermittlung konstruktionsbedingter oder sich aus dem Fügeverlauf selbst ergebender Nebenschlüsse und Nachsetzen der darin umgesetzten und dem eigentlichen Punkt verloren gegangenen Energie.

Das Programm der Virtuellen Maschine erkennt also den Zustand der zu fügenden Teile, insbesondere, ob Teilkontaktierungen durch Strukturkleber, Lackreste oder Verschmutzungen vorliegen und stellt sich über die Programmlogik so ein, dass eine Schweißung mit hohem Qualitätsstandard erfolgt.

Prozess-Steuerung der Roboterschweißzangen

Einzigartige Vollautomatik, bei der der Roboter die Zange an die Stelle des zu schweißenden Punktes positioniert und dann die Verantwortung allein an Zange und Schweißsteuerung (Virtuelle Maschine) abgibt. Diese führt die folgenden Schritte aus:

  • Schließen der Zangenarme mit automatischer Balancierung (Floatbetrieb)
  • Kraftaufbau und Erfassen der Gesamtblechdicke
  • Kalkulation der einzubringenden Punktenergie
  • Starten des Schweißvorgangs mit phasenabhängiger Generator-Charakteristik
  • Energiegeführter Schweißprozess und Beenden des Prozesses mit der kalkulierten Punktenergie
  • Ermitteln der Stahlqualität (normal / hochfest)
  • Nachwärmen entsprechend der ermittelten Stahlqualität
  • Qualifizierung des Prozessverlaufs
  • Öffnen der Zange (7. Achse-Funktion)
  • Deaktivieren der Zangenbalance
  • Ausgabe des Fortschaltkontakts FK an den Roboter

 

 

Einsatzgebiete


Die ELMA-Tech GmbH ist der einzige Hersteller im Bereich der Schweiß- und Beschichtungstechnologie mit einem derart breiten Produktspektrum. Alle Anlagen basieren auf schnell getakteten Leistungsteilen mit sehr geringen Trafogewichten im Bereich Widerstand und Lichtbogen.

  • Widerstandstechnologie
    Mobile und stationäre Punktschweißmaschinen
    Manuelle und robotergeführte Punktschweißzangen

  • Lichtbogentechnologie
    Mobile Lichtbogenschweißmaschinen
    Hochleistungsstromquellen für stationäre schwerindustrielle Anwendungen

  • Oberflächenbeschichtung
    Mobile Stromquellen für das thermische Spritzen
    Hochleistungsstromquellen für das thermische Spritzen (Lichtbogendrahtspritzen)


VM3 - die 3. Generation


Die ständige Optimierung der VM-Technologie besteht zum einen in der jeweils zeitgemäßen und produktlebenszyklustypischen Verbesserung und Anpassung der Hard- und Betriebssoftware des Steuerungsmoduls.

Zum anderen erfolgt eine wesentliche Konsolidierung und Erweiterung von Schweißprogrammen sowie der physikalischen Prozessparameter, die im Verlauf von Kundenprojekten entweder gewonnen oder in der hauseigenen Anwendungstechnik bei Probeschweißungen entwickelt worden sind und nunmehr evaluiert in die VM-Datenbank einfließen. In genau diesem Sinn wächst also der „Wissensstand“ der VM beständig. Die VM3 ist also „klüger“ als die VM2.

Die 3. Generation der VM verfügt gegenüber der Vorgängergeneration über schnellere Prozessoren und ein aktuelleres Betriebssystem für den Kommunikationsaustausch mit der eigentlichen Prozesssteuerung, die damit bei Einstellungsänderungen durch Bediener- oder Robotereingriffe noch schneller reagiert.

Die Bedienfront der VM3 (siehe Bild) wurde neu gestaltet und besteht aus einem 7“ TFT-Farbdisplay (16:9) mit einer 800 x 480 px-Auflösung sowie LED-Backlight. Das Benutzer-Interface der VM3 ist nunmehr vollständig multilingual, d. h. zum Beispiel, dass chinesischsprachigen Anwendern das Interface in Landessprache mit chinesischen Schriftzeichen angeboten werden kann. Des Weiteren ist die VM3 schnittstellentechnisch auf die Vernetzung in Anwendungen mit dem Organisationsgestaltungskonzept Industrie 4.0 vorbereitet.

Für den Einsatz der Schweißtechnologien von ELMA-Tech garantieren diese Neuerungen auf der Bedienerseite spürbare Verbesserungen in der Anwenderfreundlichkeit. Mit Blick auf die industrielle Prozessqualität bzw. die Qualität der Schweißergebnisse oder auch die Ergebnisse beim thermischen Spritzen insgesamt verschiebt die VM3 die Messlatte nochmals ein Stück nach oben.

Bedienfront der VM3

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Rechtliche Hinweise


© Prof. Dr.-Ing. Peter Puschner, 1997.
VM-Struktur und Programme, all rights reserved, licensed by ELMA-IVG mbH, Aachen.


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