Spektral gesteuerte Puls-Schweißmaschinen (SPS)

Motivation

Im Rahmen von BMBF und BMWi geförderten Projekten gelang es, erste, spektral geregelte Pulsschweißmaschinen zu entwickeln.
Hinter der Entwicklung steht folgende Motivation.
Metalle sind wärmeempfindlich. Man denke an Brennlöcher beim Schweißen oder Löten von Dünnblech, an unschöne, farbige Ränder beim Schweißen von Edelstahl, an wärmeempfindliche Stähle, an Verspödung oder Erweichung des Gefüges unter Temperatureinfluß oder an zu minimierenden Verzug beim Schweißen. Temperaturen im Lichtbogen, wie im Bad können aber über die spektrale Zusammensetzung des Schweißlichts gemessen werden.
Gefördert durch BMBF und BMWi entstand an der GFaI ein Spektralregler (ION), der Zeitfunktionen in sechs verschiedenen Spektralbereichen von µm bis nm aufnimmt und in Echtzeit bewertet. Er steuert eine Pulsschweißmaschine. Je nach Einsatzfeld kann der Energieeintrag bei Überhitzung des Lichtbogens oder des Schweißbades innerhalb von etwa 100 Mikrosekunden nachgeregelt werden.
2007 konnte der erste (analog arbeitende) Spektralregler vorgestellt werden. Ein Jahr später folgte der erste Mikrocontroller-gesteuerte, aber noch teil-analoge Regler. Seit Februar 2013 kann nun der erste Spektralregler gezeigt werden, der vollständig digital arbeitet (ION). Der Regler-Kernalgorithmus, der 8000 mal pro Sekunde ausgeführt wird, besteht jetzt aus Software (ionOS), diese kann jederzeit geändert oder angepasst werden.
Dabei tastet ION alle 8 eingehenden Kanäle derzeit mit 500 kHz ab. Die Vorverstärker besitzen eine Nutzbandbreite von 100 kHz. Die Verbindung zum ION ist differentiell und isoliert, somit störsicher, da davon auszugehen ist, daß das Verbindungskabel zur Schweißmaschine (RS485) zusammen mit dem Schweißstromkabel zum Brennerkopf geführt werden muß.
Im Flash-Speicher des Mikrocontrollers finden mehrere hundert Regleralgorithmen Platz, die über das Parameter-Menü der Windows-API "Lion" ausgewählt werden können. Dutzende freier Parameter stehen zur Verfügung, um ionOS und Lion einzustellen.
In die Reglerphilosophie intergriert ist ein 13-kanaliger, virtueller Datenrecorder, der es gestattet, über Lion die ein- und ausgehenden Zeitfunktionen zu beobachten und den Regelalgorithmus zu bewerten.
2008 erhielt das Team für den ersten spektralen Schweißregler den Binzel-Abicor-Innovationspreis (3.). Auf Wunsch des projektbegleitenden Ausschusses aus der Schweißindustrie (PbA) wurde die Technik zum Schutz deutscher Firmen patentiert.
Mit der physischen Verfügbarkeit des Spektralreglers wird es möglich, technologische Untersuchungen zu beginnen, die neuartige Einsatzbereiche des Schweißens erschließen können.

Kundennutzen

Mit Spektralreglern soll der Markt für high-tech-Schweißmaschinen potentiell erweitert werden. Derzeit sind verschiedene Einsatzfelder im Gespräch, technologische Studien müssen zeigen, in welchen Bereichen die Anwendung spektraler Regler zu einer signifikanten Erhöhung der Produktqualität führen kann, in welchen Bereichen Nutzen entsteht.
Mit dem ION wird es möglich, schnelle thermische Prozesse zu untersuchen, sowie atomare (linienartige) und voll ionisierte (kontinuierliche) Plasmaprozesse optisch zu steuern.

Vision

Hätte man um 1900 vorausgesagt, daß der Mensch einmal im All um die Erde kreisen würde, wäre dies dem Bereich der Sternendeutung zuzuordnen gewesen.
Ähnlich verhält es sich mit dem Spektralregler. Bevor nicht damit gearbeitet werden kann, weiß man nicht, wozu er taugt. Technologische Breitenstudien sind erforderlich.
So existieren eine Reihe von problematischen Schweißprozessen, man denke an eingangs genannte Beispiele, die mit spektraler Regelung machbar sein werden.
Heute scheint es recht sicher, daß mit dem Regler künftig die Möglichkeit entsteht, extrem dünne Stahlbleche zu schweißen, das Spratzen deutlich zu reduzieren, oder Schweißmaschinen zu konstruieren, die über eine Analyse des Spektrums eingestellt werden können. Oder Schweißmaschinen, die vollautomatisch optimale Schweißparameter finden.

ION Busse

ION Details

ION Timing

• (PDF, 3 MB) Abschlußbericht Projekt "CAN-Bus gesteuerter Spektralregler" (CANS) vom 28.2.2013 (incl. Beschreibung Spektralregler ION)
• (PPS, 12 MB) Vortragsfolien von der Projektabschlußveranstaltung "Busgesteuerte Spektralregler (CANS)" am 5.4.2013
• (PDF, 13 MB) Abschlußbericht Projekt "Spektral gesteuerte Pulsschweißmaschinen" (SPS) vom 30.4.2011
• (ZIP, 14 MB) Dokumente der PbA-Sitzung Projekt SPS vom 27.11.2009
• (ZIP, 9 MB) Abschlußbericht "Gepulste Lichtbogen-Fügeprozesse" (OPTISPEK), (1.2.2006 bis 31.12.2007)
• (PDF, 1MB, 20 S.) Zur Selektivität breitbandiger Photodioden (2007/02/09)
• (PDF, 14MB, 55 S.) Dynamische Untersuchung von Pulslichtbogen mit 6-Kanal Spektrometer (2007/01/17)
• (ZIP, 7 MB) Sicherungskopie der Ergebnisberichte des Vorläufers, BMBF-Projekt Choparc 2001-2004. Seite existiert nicht mehr. Zugehörige Lichtbogensimulationen von CFX

WCTR

Beschreibungen, Soft- und Hardware

• Spektralregler ION mit RS485-Ausgabe 5 MBit/s
• Maschinenadapter QUION mit Wandler RS485-USB
• Photodiodenstrom-Simulator DAC2x4BIT
• Bedienprogramm LION unter Windows-32Bit/64Bit (siehe Bilder oben)

• USB-Datenausgabe 8 Meßkanäle + 5 Ergebniskanäle, 8kHz pro Kanal
• Speichern in Binärformat oder CSV-Format (Excel)
• Isolierte Schnittstelle RS485-duplex 5MBaud zu USB
• ionOS Betriebssystem des Sensors in AVR-C
• eigene Reglerprogramme in C implementierbar
• Hardware, Software, Datenblätter, User Manual
• Bedienungsanleitung ION v11 (PPS, 6 MB)
• Firmware ionOS v11 (ZIP 1 MB)
• Stand v11, 2016 (ZIP 44 MB), (Lion_v33 mit CSV-Ausgabe)
• Stand v10, 2013 (ZIP 30 MB, ergänzt)

• analoge Datenausgabe 6 Kanäle, 0 Hz...100 kHz, gleichspannungsgekoppelt
• Optisch isolierte Schnittstelle USB zu RS485-simplex 115,2 kBaud
• digital gesteuerte Verstärkungseinstellung über USB-VCP (PuTTY, Hyperterm)
• 6-Kanal BNC-Adapter für zum Anschluß eines Mehrkanal-Oszilloskops
• Hardware, Software, Datenblätter, User Manual
  • Stand 08/2013 (ZIP, 22 MB)
  • Stand 03/2012 (ZIP, 28 MB)
  • Stand 03/2010 (ZIP, 8 MB)

• Das WCTR-Konzept wurde zugunsten des ION aufgegeben. Photodioden waren zu weit weg vom WCTR im Schweißgerät, starke Störungen der Signale waren unvermeidbar
• Schaltungsunterlagen Regler-Modul WCTRv10 mit CortexM3
• Stand 04/2010 (ZIP, 4.3 MB)

• 2-Kanal-Spektralregler, PCB-Version V10, Schaltung identisch V5
• Stand 12/2007 (ZIP, 2.7 MB)

• 2-Kanal-Spektralregler, Versuchsmuster V5, TU Berlin
• erster Spektralregler, der eine Pulsschweißmaschine steuerte (30.11.2007)
• Stand 11/2007 (ZIP, 2 MB)

• OS DE102008045501 A1 Patent: Verfahren zum Regeln eines Energiereintrags eines Pulslichtbogenplasmas bei einem Fügeprozess und Vorrichtung, (lokale Kopie).
• WO/2010/025709 Patent: Method for regulating energy input of a pulsed arc-plasma during a joining process and apparatus, (lokale Kopie).
• (PDF Kurz) Schöpp, H., Heinz, G.: Forschungsprojekt Spektral gesteuerte Pulsschweißmaschinen (SPS), BMWi/AiF-IGZ Vorhaben 15649 BG Laufzeit: 5/2008 bis 12/2010. Projektreport DVS-Fachausschuss 03 Lichtbogenschweißen, 24.03.2010, 10 Uhr, Universität der Bundeswehr München, Werner-Heisenberg-Weg 39, 85577 Neubiberg
• (Abstract/Full) Gregor Gött, Heinz Schöpp, Frank Hofmann and Gerd Heinz: Improvement of the control of a gas metal arc welding process. Journal Measurement Science and Technology, vol.21 no.2 2010, 21 025201, doi: 10.1088/0957-0233/21/2/025201
• (Abstract/Full) Heinz, Gerd ; Hofmann, Frank ; Schöpp, Heinz ; Gött, Gregor: Echtzeit-Spektralregler für Impulsschweißmaschinen. Schweißen und Schneiden, Jhrg. 61, 2009 Heft 3, S. 144-150
• (PPT-PDF) Heinz, G., Hofmann, F., Gött, G., Schöpp, H.: Spectral Control for Pulsed Arc Welding. Material Science and Engineering (MSE08), 1-4 September 2008, Nürnberg Congress Center

Entwicklung der Hardware

Am Anfang stand ein Photosensor aus dem BMBF-Projekt Choparc, der von der Schweißmaschine extrem stark gestörte Signale lieferte, mit denen nichts anzufangen war. Da es keine störfeste Technik zu kaufen gab, mußte sie entwickelt werden. Hier einige Fotos von Entwicklungsetappen der Hardware auf dem Weg zum sauber digital und spektral geregelten Schweißprozess (mit zeitlichem Bezug):

1. 6-Kanal Photoverstärker V5 mit analog-differentieller Ausgabe, Februar 2007
2. 2-Kanal Spektralregler Optocont_v5, Versuchsaufbau in Hardware (TTL + OPV), Oktober 2007
3. 2-Kanal Spektralregler Optocont_v10, PCB-Version der Version V5, Dezember 2007
4. 6-Kanal Photoverstärker Champ6_v11 (Auto-Offset Chopper) µC-gesteuert über ATmega8-UART, März 2009
5. 6-Kanal Photoverstärker Champ6_v20 (ohne Chopper), µC-gesteuert über ATmega8-UART, Dezember 2009
6. 6-Kanal Photoverstärker Champ6_v21 (anderes Gehäuse), µC-gesteuert über ATmega8-UART, Januar 2010
7. 8-Kanal Spektralregler WCTR (6+U/I) mit STM32F103 (ARM Cortex M3) und Analogausgabe, August 2009
8. 8-Kanal Spektralregler ION_v10 (6+U/I) mit ATXmega192A3 und digitaler Ausgabe, Januar 2011

Und so fing es an

vlnr.: 2-Kanal-Spektralregler, erste Skizze vom 31.1.2007 und erster, an der TU Berlin schweißender Analog-Regler (Bilder v5 und v10), rechts Regler in der Schweißvorrichtung.

Links Gruppenbild des PbA vom 30.11.2007: vlnr.: Frank Hofmann (TUB), Wolfgang Queren-Lieth (DVS), Dr. Gerd Heinz (GFaI), Andreas Warmbier (Cloos), Armin Kuder (Rehm), Dr. Heinz Schöpp (INP), Sven Goecke (TUB).
Rechts: Verleihung des Abicor-Innovationspreises 2008 für den ersten, spektral geregelten Schweißprozeß in Dresden, vlnr.: Frank Schmitz (DVS), Frank Hofmann (TUB), Dr. Heinz Schöpp (INP), Gregor Gött (INP), Dr. Gerd Heinz (GFaI), Prof. Dr. Emil Schubert (Abicor Binzel), Prof. Dr. Heinrich Flegel (DVS-Präsident). Siehe auch die Bilder von der Preisverleihung .