5 Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Einstellung mindestens eines vorge¬ gebenen Abstands zwischen einem Bearbeitungswerkzeug und einem me¬ tallischen oder nichtmetallischen, elektrisch leitfähigen Werkstück gemäß 10 Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. 2.

Bei vielen Bearbeitungswerkzeugen wie beispielsweise Brennschneidwerk¬ zeugen, die zum Bearbeiten eines elektrisch leitfähigen, vorzugsweise metal¬ lischen Werkstücks dienen, ist es von großer Bedeutung, dass für den Bear- 15 beitungsvorgang ein vorgegebener Abstand zum Werkstück möglichst präzi¬ se eingestellt wird. Wenn beispielsweise der Abstand zwischen einem Plas¬ maschneidbrenner und dem zu schneidenden Werkstück nicht exakt einge¬ stellt ist, führt dies zu erhöhtem Verschleiß des Plasmaschneidbrenners und zu einer ungenauen Bearbeitung des Werkstücks. Eine exakte Einstellung 20 des Abstands, in dem der Plasmaschneidbrenner gezündet wird bzw. des Abstands, in dem sich der Brenner während des Schneidvorgangs vom Werkstück entfernt befindet, ist vor allem deshalb schwierig, weil die Position des Werkstücks bzw. seine Höhe oft nicht exakt bestimmt werden können. Eine bekannte Methode zur Einstellung des Zündabstands besteht darin, 25 dass der Schneidbrenner so weit auf das Werkstück zubewegt wird, bis er dieses berührt. Anschließend wird er mittels einer mechanischen Wegmess¬ einrichtung bis zum Zündabstand vom Werkstück abgehoben. Diese Metho¬ de hat jedoch den Nachteil, dass sie ungenau ist, wenn das Werkstück ein dünnes Blech ist. Das Blech wird beim Auftreffen des Schneidbrenners de- 30 formiert und dieser dringt in die Delle im Blech ein, so dass der Abstand zwi¬ schen Schneidbrenner und der Oberfläche des Blechs, von dem aus der Schneidbrenner mittels der Wegmesseinrichtung auf den Zündabstand an- gehoben wird, nicht Null ist, sondern negativ. Des Weiteren ist die Deforma¬ tion des Blechs eine oft unerwünschte Beschädigung.

Eine weitere bekannte Methode sieht vor, dass der Brenner zunächst auf das Werkstück zu bewegt wird, dann aber in einem vorgegebenen Abstand oberhalb des Werkstücks angehalten wird. Dieser Abstand wird als Erstfin- dungsabstand bezeichnet. Vom Erstfindungsabstand wird der Brenner mit¬ tels der Wegmesseinrichtung auf den gewünschten Zündabstand gebracht. Die Genauigkeit des eingestellten Zündabstands hängt somit von der Ge- nauigkeit ab, mit der der Erstfindungsabstand eingestellt wird. Zur Einstel¬ lung des Erstfindungsabstands weist der Brenner einen um seine Spitze herum angeordneten ringförmigen kapazitiven Sensor auf, der mit einer Auswerteelektronik verbunden ist. Die Auswerteelektronik weist einen elekt¬ rischen Schwingkreis auf, dessen Kapazität durch den Sensor sowie das Werkstück gebildet wird. Bei Annäherung des Brenners sowie des an ihm fixierten Sensors an das Werkstück nimmt die Resonanzfrequenz des Schwingkreises ab. Die Abhängigkeit der Resonanzfrequenz vom Abstand zwischen dem Sensor und dem Werkstück kann bei einer Kalibrierungsmes¬ sung gemessen werden, so dass die Resonanzfrequenz als Maß für den Abstand zwischen dem Sensor und dem Werkstück dienen kann. Diese Me¬ thode hat den Nachteil, dass sich die Kurve der über dem Abstand aufgetra¬ genen Resonanzfrequenz durch Umwelteinflüsse wie Luftfeuchtigkeit oder Umgebungstemperatur deutlich verschieben kann, so dass die Einstellung des Erstfindungsabstands bei veränderlichen äußeren Bedingungen unge- nau ist.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, dass eine Einstellung des Erstfindungsabstands mit größerer Genauigkeit möglich ist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. des Anspruchs 2 gelöst. Zur Durchführung des Ver- fahrens wird eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 8 vorge¬ schlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche 3 bis 7, vorteilhafte Weiterbildungen der Vorrichtung sind Gegenstand der Ansprüche 9 bis 11.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass sich die Resonanzfre¬ quenz des Schwingkreises bei einer Änderung der äußeren Bedingungen um einen für alle Abstände annähernd konstanten Wert verändert. Eine Verän¬ derung der äußeren Bedingungen bewirkt somit im Wesentlichen nur, dass sich die Kurve der über dem Abstand aufgetragenen Resonanzfrequenz nach oben oder nach unten verschiebt. Die Steigung der Kurve bleibt jedoch bei jedem Abstand annähernd konstant. Die Änderung der Resonanzfre¬ quenz in einem vorgegebenen Zeitintervall, die einer Änderung der Reso¬ nanzfrequenz bei Annäherung um einen bestimmten Weg entspricht, ist so- mit ein wesentlich genaueres Maß für den Abstand als der absolute Wert der Resonanzfrequenz. Voraussetzung hierfür ist der nichtlineare Verlauf der Resonanzfrequenzkurve, deren Steigung bei zunehmendem Abstand ab¬ nimmt. Voraussetzung für die Anwendbarkeit des erfindungsgemäßen Ver¬ fahrens ist, dass das Werkstück elektrisch leitfähig, also zumindest halblei- tend ist.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird zwar bevorzugt mit einem kapazitiven Sensor durchgeführt, der zusammen mit dem Werkstück die Kapazität eines elektrischen Schwingkreises bildet. Die ausgelesene Kenngröße ist dann die Resonanzfrequenz des Schwingkreises. Es ist jedoch auch möglich, andere Arten von kapazitiven oder induktiven Sensoren zu verwenden. Die Kenn¬ größe kann, abhängig vom verwendeten Sensor und von der verwendeten Auswerteelektronik, die Lade- und Entladezeit einer Kapazität, die Halbwert¬ zeit eines Spulenstroms oder bei von außen aufgeprägter fester Frequenz die Phase zwischen Strom und Wechselspannung oder die Amplitude des Wechselstroms sein. Das einzig zwingende Kriterium ist, dass die Kenngrö- - A - ße einen nicht linearen Verlauf über dem Abstand zwischen dem Sensor und dem Werkstück aufweist.

Zweckmäßig wird jeder ausgelesene Wert der Kenngröße mit dem ein Zeitin- tervall zuvor ausgelesenen Wert verglichen. Es ist jedoch auch möglich, den ausgelesenen Wert mit einem n Zeitintervalle zuvor ausgelesenen Wert zu vergleichen, wobei n eine natürliche Zahl ist.

Eine Verfeinerung des Verfahrens sieht vor, dass jeder ausgelesene Wert mit mehreren, jeweils vorgegebene Anzahlen von Zeitintervallen zuvor aus¬ gelesenen Vergleichswerten verglichen wird, dass die Differenzen des aus¬ gelesenen Werts und der Vergleichswerte bestimmt werden, dass in der Da¬ tenverarbeitungseinheit zu jedem Vergleichswert eine den vorgegebenen Abstand charakterisierende Grenzdifferenz gespeichert ist und dass die Be- wegung des Bearbeitungswerkzeugs dann angehalten wird, wenn eine vor¬ gegebene Anzahl von Differenzen des ausgelesenen Werts und der Ver¬ gleichswerte die jeweils zugeordnete Grenzdifferenz betragsmäßig erreicht oder überschreitet. So kann beispielsweise der ausgelesene Wert mit den fünf zuvor ausgelesenen Vergleichswerten verglichen werden. Zu jedem der zuvor ausgelesenen Vergleichswerte ist in der Datenverarbeitungseinheit eine Grenzdifferenz gespeichert. Wenn alle Differenzen zwischen dem aus¬ gelesenen Wert und den Vergleichswerten mindestens so groß sind wie die den Vergleichswerten zugeordneten Grenzdifferenzen, gilt der Erstfindungs- abstand als erreicht. Eine falsche Bestimmung des Erstfindungsabstands aufgrund einer einzelnen Fehlmessung der Kennzahl wird dadurch ausge¬ schlossen.

Vorzugsweise werden ein erster und ein zweiter vorgegebener Abstand ein¬ gestellt und das Bearbeitungswerkzeug wird nach Erreichen des ersten vor- gegebenen Abstands abgebremst und mit verringerter Geschwindigkeit bis zum zweiten vorgegebenen Abstand bewegt. Der zweite vorgegebene Ab¬ stand ist dann der Erstfindungsabstand. Dieser vorteilhaften Weiterbildung liegt der Gedanke zugrunde, dass einerseits der Erstfind ungsabstand im täg¬ lichen Gebrauch schnell eingestellt werden sollte, dass aber andererseits eine zu hohe Geschwindigkeit beim Annähern an das Werkstück zu einer ungenaueren Messung führt. Wenn die Annäherungsgeschwindigkeit varia- bei gewählt werden kann, ist es überdies erforderlich, daß mittels der Daten¬ verarbeitungseinheit die Geschwindigkeit des Bearbeitungswerkzeugs ge¬ messen wird und dass die Grenzdifferenz geschwindigkeitsabhängig vorge¬ geben wird.

Vorteilhafterweise geht der Einstellung des Erstfindungsabstands eine Kalib¬ rierung voraus. Bei dieser wird zur Bestimmung der den Erstfindungsabstand charakterisierenden Grenzdifferenz das Bearbeitungswerkzeug bis zur Be¬ rührung des Werkstücks auf dieses zu bewegt, und mittels der Datenverar¬ beitungseinheit wird die Kenngröße abstandsabhängig bestimmt und gespei- chert. Die Verlaufskurve der Kenngröße über dem Abstand kann damit für unterschiedliche Werkstücke individuell bestimmt werden.

Die Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens weist vorteilhafterweise als Sensor einen metallischen Kopf des Bearbeitungs- Werkzeugs auf. Dieser ist gegen die anderen Bauteile des Bearbeitungs¬ werkzeugs elektrisch isoliert und bildet zusammen mit dem Werkstück die Kapazität eines elektrischen Schwingkreises. Im Gegensatz zu dem aus dem Stand der Technik bekannten ringförmigen kapazitiven Sensor liefert dieser Sensor auch am Rand des Werkstücks zuverlässige Ergebnisse.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung schema¬ tisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Schneidbrenners zur Aus- führung des Verfahrens; Fig. 2 eine typische Kurve der Resonanzfrequenz aufgetragen über dem Abstand und

Fig. 3 die Differenz der Frequenzen zweier aufeinander folgender Mess- punkte der Kurve aus Fig. 2 über dem Abstand aufgetragen.

Ein Plasmaschneidbrenner 10 (Fig. 1), der zum Schneiden eines Metall¬ blechs 12 bestimmt ist, weist an seiner dem Metallblech 12 zugewandten Spitze 14 eine Düsenkappe 16 aus Metall auf, aus der beim Schneidvorgang das Plasma austritt. Die Düsenkappe 16 ist gegenüber den übrigen Bautei¬ len des Plasmaschneidbrenners 10 mittels einer Isolierung 18 elektrisch iso¬ liert. Die Düsenkappe 16 dient als kapazitiver Sensor und bildet zusammen mit dem Metallblech 12 eine Kapazität. Über eine Kontaktfeder 20 ist die Dü¬ senkappe 16 mit einer Sensorelektronik verbunden, die einen elektrischen Schwingkreis 22 und eine Datenverarbeitungseinheit 24 aufweist. Die Sen¬ sorelektronik 22, 24 ist über einen Halter 26 am Plasmaschneidbrenner 10 befestigt und über ein Kabel 28 mit einer Steuereinheit für den Plasmabren¬ ner 10 verbunden, die dessen Bewegung in vertikaler Richtung mittels einer Antriebseinrichtung steuert.

Die Resonanzfrequenz des Schwingkreises 22 ist abhängig vom Abstand zwischen dem Sensor 16 und dem Metallblech 12. Fig. 2 zeigt den Verlauf der Resonanzfrequenz aufgetragen über dem Abstand. Die ermittelten Messpunkte wurden in konstanten Abstandsintervallen aufgenommen, die Frequenz ist in Kilohertz, der Abstand in Millimeter angegeben. Die Kurve zeigt einen nichtlinearen Verlauf und weist eine Steigung auf, die bei zu¬ nehmendem Abstand kleiner wird. In Fig. 3 ist für jeden Messpunkt der Kur¬ ve aus Fig. 2 die Differenz zwischen der bei dem jeweiligen Messpunkt ermit¬ telten Frequenz und der bei dem benachbarten, bei größerem Abstand ge- messenen Messpunkt ermittelten Frequenz betragsmäßig aufgetragen. Je näher die Messpunkte der Fig. 2 beieinander liegen, desto genauer ent¬ spricht die Kurve gemäß Fig. 3 der Ableitung der Kurve gemäß Fig. 2. Bevor der Plasmaschneidbrenner 10 gezündet wird, wird er in definierter Po¬ sition in einer vorgegebenen Höhe über der Oberfläche des Metallblechs 12 positioniert. Hierzu wird er zuerst mit konstanter Geschwindigkeit auf das Metallblech 12 zu bewegt. In konstanten Zeitintervallen, die typischerweise eine Millisekunde betragen, wird die Resonanzfrequenz des Schwingkreises 22 durch die Datenverarbeitungseinheit 24 ausgelesen. Die Datenverarbei¬ tungseinheit 24 vergleicht jede gemessene Resonanzfrequenz mit der ein Zeitintervall zuvor gemessenen als Vergleichswert und bildet zu jedem Mess- punkt die Differenz aus gemessener Resonanzfrequenz und dem Ver¬ gleichswert. Wenn der Plasmaschneidbrenner 10 einen bestimmten vorge¬ gebenen Abstand zur Oberfläche des Metallblechs 12 erreicht, so ist dies damit korreliert, dass der Differenzbetrag der Frequenzen einen bestimmten Grenzwert erreicht. Dies wird gemessen, und der Vorschub des Plas- maschneidbrenners 10 wird in diesem sogenannten Erstfindungsabstand zum Metallblech 12 angehalten. Da äußere Einflüsse, wie Luftfeuchtigkeit oder Raumtemperatur, im Wesentlichen lediglich den Verlauf der Frequenz¬ kurve gemäß Fig. 2, nicht aber den Kurvenverlauf ihrer Ableitung gemäß Fig. 3 beeinflussen, ist mit dem dargestellten Verfahren der Erstfindungsabstand sehr genau einstellbar.

Wenn der Erstfindungsabstand präzise eingestellt ist, kann auch der Ab¬ stand des Plasmaschneidbrenners 10 vom Metallblech 12, in dem dieser gezündet wird, präzise durch Rückzug um einen bestimmten Weg eingestellt werden. Vor der Anwendung des Verfahrens wird die Messkurve gemäß Fig. 2 mittels einer Kalibrierungsmessung bestimmt, bei der der Plas¬ maschneidbrenner 10 bis zur Berührung des Metallblechs 12 auf dieses zu bewegt wird, wobei die die in Fig. 2 dargestellte Messkurve ergebenden Messpunkte aufgenommen werden.

Zusammenfassend ist folgendes festzuhalten: Die Erfindung betrifft ein Ver¬ fahren zur Einstellung mindestens eines vorgegebenen Abstands zwischen einem Bearbeitungswerkzeug 10 und einem metallischen oder nichtmetalli¬ schen, elektrisch leitfähigen Werkstück 12, wobei am Bearbeitungswerkzeug 10 dem Werkstück 12 zugewandt ein kapazitiver und/oder induktiver Sensor 16 fixiert ist, wobei das Bearbeitungswerkzeug 10 mittels einer Antriebsein- richtung mit konstanter Geschwindigkeit auf das Werkstück 12 zu bewegt wird und wobei mittels einer Datenverarbeitungseinheit 24 in vorgegebenen Zeitintervallen ein Sensorsignal ausgelesen wird, das eine Kenngröße auf¬ weist, die sich in Abhängigkeit vom Abstand des Bearbeitungswerkzeugs 10 zum Werkstück 12 nichtlinear stetig ändert. Erfindungsgemäß ist vorgese- hen, dass mittels der Datenverarbeitungseinheit 24 jeder ausgelesene Wert der Kenngröße mit einem eine vorgegebene Anzahl von Zeitintervallen zuvor ausgelesenen Vergleichswert verglichen wird und die Differenz der mitein¬ ander verglichenen Werte berechnet wird, dass in der Datenverarbeitungs¬ einheit 24 eine den vorgegebenen Abstand charakterisierende Grenzdiffe- renz gespeichert ist und dass die Bewegung des Bearbeitungswerkzeugs 10 angehalten wird, wenn der Betrag der Differenz der miteinander verglichenen Werte die Grenzdifferenz erreicht oder überschreitet.