一种焊接系统的焊接室活动监控装置

摘要

本发明公开了一种监控焊接系统(100)焊接室(104)和相关活动的装置。利用各种传感器(106、108、110、112、114、116)检测活动，再将活动报告给控制器(102)或远程位置。

说明书

技术领域

本发明大体上涉及焊接室技术，具体涉及焊接室的活动监控。

背景技术

焊接室是执行焊接和相关工作的区域或房间。焊接室的活动跟踪用途广 泛，包括帮助提高效率、质量、可靠性、试验和通知。本发明涉及焊接和/或 相关工作以及/或者焊接或相关信息的跟踪。

焊接包括定位焊和终焊。焊接性能包括燃弧时间和焊枪使用时间。除了 焊接时效性信息以外，焊接相关信息还包括焊接参数(电流、电压、工序节 拍、升降温速度等)。

很多相关工作互不相同，例如，装饰物装配研磨和/或刮削以及/或者飞溅 清除、上件、下件、零件查找、零件移动、零件等待(等待来自另一焊接工 序的零件或零件等待发货)和零件订购。很多相关工作的执行效率不高或者 工作人员的技能远远超过所需水平。例如，焊接通常需要较高的技能水平， 而移动零件却不需要这么高的技能水平。最好还掌握与操作员有关的其他信 息，例如，健康和安全信息(心率、热应力或核心或头部或身体温度、运 动、夹点(手、手指、脚趾、脚等))、烟气接触、反复性动作等。此外最 好还掌握整体设备效率(OEE)、整体过程有效性(OPE)、焊接顺序、等 待所用时间、预热温度、内部传递温度和后热温度等质量指标。

很多企业为了提高效率而追求精益生产、六西格玛原则和单件流等。员 工活动分解以及对于制造过程中的浪费和物料通过量的限制理解属于有用信 息，特别有利于持续改进。减少或消除非增值瓶颈和活动可提高生产能力和 整体焊接时间。操作员研磨和装配零件的时间往往超过焊接时间，同时又缺 乏用于确定相对时间的数据。由于缺乏焊接室活动的相关信息和硬数据，有 时只能靠猜测而不是确定的事实改变生产流程。要了解做出改变的时间和方 法以及评估改变的结果都需要数据。焊接室的这些数据特别难以获取。

因此，有必要提供焊接室活动的跟踪方法和装置。

发明内容

本发明第一个方面所述的焊接系统包括一个电源、一台控制器和一个以 上的焊接室活动传感器。

本发明第二个方面所述的焊接室活动跟踪系统包括经配置至少响应焊接 室第一项活动的第一传感器。与第一传感器连接的发射器发送至少表明焊接 室第一项活动的信息。接收器接收发射信息。

在一个实施方式中，传感器包括射频发射器，经配置发送表明跟踪活动 的信息。

在另一个实施方式中，控制器包括网络或互联网网关/接口，用于通过网 络提供发射信息。

在各种实施方式中，通过网络提供的发射信息包括时间相关数据以及/或 者与一个或多个燃弧、工作焊枪、研磨所用时间、砂磨所用时间、上件所用 时间、温度等待时间和装配所用时间有关。

在各种实施方式中设置附加传感器。

下面结合附图、具体实施方式和权利要求书对本发明的其他主要特点和 优势进行说明。

附图说明

图1的框图显示了本发明的一种实施方式；及

图2的框图显示了本发明的另一种实施方式。

在对本发明的一种以上实施方式进行详细说明之前，必须理解，本发明 的应用并不局限于下文所述的或附图所示的构造细节及组件布局。本发明还 有其他实施方式，还能以各种方式实践或实现本发明。需要注意的是，本文 用语和术语仅作说明之用，不得视为限制条件。本文用类似的编号表示类似 部件。

具体实施方式

需要注意的是，虽然下文将结合具体的活动和具体的活动跟踪和报告方 法对本发明进行说明，但是还可以用其他方式实施本发明，用于跟踪和报告 其他活动。焊接室一般包括焊接系统，焊接系统包括电源和控制器。本发明 可以与控制器集成，能根据需要检测电源输出，本发明也可以是结合/不结合 电源使用的独立系统。

用本发明跟踪的一些焊接室活动/值包括终焊、定位焊(可以用燃弧时 间、焊接参数、焊枪工作时间确定焊接作业的时间)、刮削、研磨、等待、 上件和下件。下文将结合一种或多种具体的焊接室活动介绍各种跟踪方法和 传感器，这些跟踪方法和传感器也可以配合其他焊接室活动使用，还可以根 据需要形成更有效、更稳健或更经济的检测方法。在本文中，焊接室活动包 括一般在焊接室中开展的一种或多种工作。焊接室活动跟踪传感器检测焊接 室活动的开始时间、结束时间或进行时间。

检测到的信息可以输送给焊接系统控制器，也可以发射到焊接室外，例 如，发给操作员、管理员等。发射可以采用有线或无线方式。在优选实施例 中，使用Monnit射频传感器系统。射频将检测信息发送到网络或互联网网 关，通过互联网提供给监控服务器，以图形、图表的形式发送到PC、控制面 板，再根据需要以电子邮件的形式发送给操作员、主管等。在优选情况下， 提供的数据是活动的时间相关数据。在本文中，活动的时间相关数据指响应 焊接室活动的开始、结束或持续时间的数据。网络界面使信息能够通过网络 发送或接收。互联网网关使信息能够通过互联网发送或接收。

举例来说，可以在焊接电缆附近设置磁簧开关，向射频传感器系统提供 磁簧开关的输出。电弧引燃时，磁簧开关检测到焊接电缆的电流形成的磁 场，射频发射器发送信号，响应引燃的电弧。电弧熄灭时，磁簧开关改变状 态，此时发送另一个射频信号，表示电弧熄灭。在替代实施例中，只要电弧 引燃就一直重复发送射频信号。因此，一旦没有射频信号就表示电弧熄灭。 网关接收射频信号，通过互联网提供信息。用引燃/熄灭时间确定燃弧时间 (射频信号之间的差值或重复射频信号的持续时间)。

零件装配和飞溅清除可能需要进行研磨/砂磨。本发明可用于检测研磨/砂 磨所需的时间以及操作员研磨或砂磨所需的时间。在一个实施方式中，跟踪 研磨机/砂磨机操作时间和研磨机工作时的“空气流动”时间(例如，从安放 处取得研磨机、搬到零件处、围绕零件移动、定位零件、定位身体、把研磨 机放回原处等)。可以用本文所述的任意方法跟踪研磨机操作时间和空气流 动时间。

有很多方法记录操作员的时间分配。其中不少方法可用于检测焊接室的 其他活动，包括下面结合其他活动和电流检测、气流检测、位置的三角测 量、软管缩回传感器、目视火花检测、每日消耗磨片统计(结合人工记 录)、研磨面罩的使用量、研磨面罩的振动、夹具振动、人体工学运动、声 监控、取得自动机械数据(用于空气流动等)所述的方法。

在一个实施方式中，装置的电源检测(电流、空气、液压……)可用于 多种活动，包括研磨和砂磨。同样，磁簧开关、霍尔效应或研磨机电源线的 其他电流传感器可用于检测研磨机的工作情况。通过某种形式的三角测量、 地垫压力传感器及/或光进行的工具及/或操作员GPS定位可用于定位操作员/ 工具，识别焊接室的多种活动。检测何时从卷轴中拉出软管、电线等的方法 也能检测多种活动。检测何时产生(点亮)火花的方法可用于检测研磨或砂 磨(实际发生时间)。记录工具的使用时间(从产生火花开始)和工具脱离 工具板的总体时间有利于推断空气流动时间。记录耗材(研磨/砂磨片)数量 有利于推断实际研磨或砂磨时间。可以配合很多活动使用检测夹具使用特定 工具时的不同振动及/或检测操作员的实际运动及/或位置以识别位置和动作 (某些位置/行动与特定活动相关)的方法。使用与特定活动有关的特定保护 设备(研磨面罩)也是一种跟踪活动时间的方法。有些工具的声音特点也可 用于识别活动(用或不用定向传声器)。传感器可以组合使用(1号地垫+ 音锤＝在1号站锤击，2号地垫+锤声＝在2号站锤击)，或使用声音和工 具板，声音和火花等。空气或保护气流量的检测可用于检测工具或焊接电源 的工作时间。例如，气动研磨机或其他气动工具的空气流量检测或焊接电源 的保护气流量检测可用于确定研磨机、工具或电源的使用时间。

在一个实施方式中，选择能产生最有效的数据、成本最低的方法/传感 器。在另一个实施方式中，使用不显眼的传感器减少监控对操作员的行动产 生的影响的可能性。

在优选情况下，传感器与数据采集方法(将数据转化成清晰、直观的信 息)相关。刚开始可以将数据转储成Excel工作表或数据库等通用数据格 式，以备操作。最后的成果是所用时间饼图，操作员、工作站、当日时间、 班、天及/或自动帕累托报告可以分别标记、计算具体的活动，用红色突出显 示当天时间的活动分段、标记活动(非增值)、健康和安全问题、质量及/或 流程和生产指标，用图形方式显示上述内容。

关于刮削，检测何时进行刮削的各种传感器和方法包括监控刮刀的安放 位置，使用刮刀及/或操作员射频标签，在刮刀上设置检测力等参数的传感 器，在刮刀/零件上使用电信号，在刮刀上使用本地化GPS装置，扫描刮刀及 /或手套上的条形码，刮刀上的简易加速计等运动传感器，刮刀上的USB/数 据端口(包括无线端口)，检测刮刀磨损的传感器，刮刀上用于收集飞溅的 永磁体(与飞溅量相关)，人工记录刮刀的使用，签入签出工具的扫描仪 (在签入前禁止或不使用签入)，例如，条形码扫描仪、图像识别扫描仪、 重量传感器、射频扫描仪，视频识别(使用白板(设有深色工具或零件)的 有效方法)或音频特征——用于安全帽、护目镜、研磨面罩，温度检测(刮 刀使用时温度上升，或检测握刀的手部热量)——用于零件、手套、夹具、 工具、安全帽，开/关传感器，操作员的动作/身体运动，安全帽语音识别—— “研磨”……“焊接”……，手部发热，手柄压力传感器，工具板压力传感 器的振动传感。其中每一种传感器/方法都能用于识别刮削所用时间。也可以 结合上文或下文所述的其他焊接室活动使用上述传感器/方法，以确定活动所 用时间。系统包括训练模式，使用户能够训练系统。举例来说，在训练模式 下，用户进行研磨，系统针对声音创建音频特征。此外也可以结合视频识别 或其他检测使用训练。

可以用上文和下文所述的传感器和方法监控的其他焊接室活动包括零件 检查、印刷读取、补偿(锤击、弯曲、撬动)、预热、起拱、零件查找、使 用凿锤、钢丝刷清理、使用测温笔(或以其他方式测量温度)、使用针枪和 等待。对于某些活动，了解活动的发生原因是有益的。例如，当焊工等待主 管、等待帮助、等待起重机、等待预热温度、等待零件、等待达到中间传递 温度、休息、等待冷却、等待维修时会发生等待。确定焊工等待的原因是实 现精益过程的第一步。改进通信系统、预测引起等待的事件和自动传播/报告 有人等待的原因有利于避免等待。Monnit传感器可用于检测温度、红外运 动、ID、光、照度(光强度)、打开/关闭位置、磁的存在、活动、加速、电 流、电压等性质。上述或定制传感器可用于检测活动。

确定等待的原因可以采用上文或下文结合其他活动所述的检测，或者检 测运动类型、检测无振动运动等，使用GPS、音频传感器、语音识别、无其 他(明显的)活动、安全帽的预编码键、安全帽的“揭面”时间、馈线电缆 的重量、检测空的夹具以及检测工序之间的时间。上述每一种传感器和方法 均可用于监控焊接室内或与焊接室有关的其他活动。

确定上件和下件所用时间可以检测起重机重量、夹具的重量/压力传感 器、夹具的打开/关闭、焊接工序之间的时间、视频-零件动作、夹具的光/激 光传感器、起重机运动、检测零件工具板、看板箱、室内人数、佩戴的安全 帽(温度/压力传感器)、音频传感器以及上文和下文结合其他活动介绍的传 感器。

在一个实施方式中，各种传感器采用联网、有线或无线、或CAN/LAN 技术，有/无GPS，以使操作员、管理员等确定用什么以及如何解决非增值活 动。可以使用USB/SD卡等移动存储器。

在焊机上设置电流传感器(常用电压115V的电路，电流阈值略小于研 磨机电流消耗水平或研磨机插头插座电流阈值)有助于监控非焊接活动。焊 机可以存储既定时段的研磨时间，创建某些时段的研磨时间跟踪和记录，可 通过互联网、USB/SD、GPS、LAN、以太网/CAN和有线/无线网络访问上述 时间和记录。类似装置插入工厂总线系统或焊机的115V或230V电源，具有 类似的电流阀值，检测时间、得出研磨结论。装置插入115V或230V电源， 研磨机或其他装置插入该装置。插入插座的装置具有类似的功能，可以使用 互联网、USB/SD、GPS、LAN、以太网/CAN和有线/无线网络进行监控。

上述电流传感器的工作电压为115V或230V，可用于起重机、液压电机/ 泵、自动机械/自动装置以及焊接产品的其他生产装置。这些装置向数据中心 提供数据，以确定操作员在什么地方花时间，是有价值的信息源，有助于了 解情况，决定相应的方法，通过采取纠正措施，调整产生研磨等非增值活动 需求的不同成型工艺、加工工艺和焊接工艺减少非增值活动。系统或数据中 心可查看时间和频域，通过报告图形、柱状图和其他常用统计分析方法总结 活动。可以将装置调到训练模式，运行研磨机、起重机等建立阈值，对系统 进行电流消耗训练。

另一种传感器/方法使用反光标记或LED等光源，可以放在操作员头部 或身上，焊接室内设置一个或多个摄像头，以确定操作员的位置以及操作员 花时间进行研磨和焊接的地点。这种传感器/方法可以结合前文所述的电流消 耗方法和其他信息使用。系统获取摄像头信息，将信息置入频域，评估位置 和时域，确定相应位置的时间量。该方法可过滤非经常性位置/活动或耗时很 少的活动，以缩短计算时间，降低计算需求。摄像头和相关软件具有网络工 作功能。另一个实施方式使用射频接收器跟踪操作员的活动区域。操作员可 以佩戴接收器或射频发射装置。各种工具可以设置射频装置，或者针对操作 员在工具上设置接收器，以确定每种工具在研磨、起重和加工等操作员活动 中的工作时间。此外还可以跟踪操作员查看印刷、工作包和等待零件的时 间。

由于研磨与焊接音频或起重机的使用音频具有特定性，因此在另一个实 施方式中，使用麦克风或制造室的麦克风确定既定活动的总体时间。这些声 音的针对性很强，可确定活动内容以及制造流程中特定活动所用的时间，但 较难滤除背景噪声。必须对声音进行滤波处理，查看频域，并与标准研磨 机、起重机或锤子的典型噪声印迹进行比较。由于不同公司之间的研磨机或 工具之间存在差异，因此需要将系统置入训练模式，运行工具对系统进行已 知印迹训练。声音分析系统可接入网络，供制造工程师或焊接工程师或操作 员进行分析，以实现持续改进，减少非增值时间。

系统还可以与MRP或ERP系统通信，以了解焊接的零件，记录操作员 识别信息或其他质量和材料跟踪信息。因此，管理人员可以按员工和正在制 造的零件查看趋势。同样也可以就零件切割和加工人员评估趋势，发现时间 延迟。

本文所述的传感器/方法还能跟踪其他焊接室活动，包括PPE(个人防护 设备)的调整/更换、焊接室的出入情况、培训、维护、夹紧、焊工/机器调 整、返工-出错零件的纠正-刨削/重新焊接等、帮助另一个焊接室、定位、行 走、报告、与主管的交谈-沟通等、休息、会议、清洁(清扫、组织等)、工 具交换/切换、改变焊接室布置、改变工具位置、锻炼/拉伸、操作员安全—— 热量、活动等、布置零件、移动零件以及安装/拆卸撑杆。

另外还可以跟踪焊接室内外的焊接相关活动，例如采购——零件订购、 零件加工区(切削/成型/冲压)、油漆流水线、总装、测试，物流——上述焊 接室之间的移动、将上述内容全部集成到焊接室中，保养技术监控以及操作 员身份。可以采用本文所述的多种方法/传感器跟踪上述内容。

跟踪本文所述的一些或多种活动能产生数据，帮助做出改进决策，使制 造商在焊接室中实施持续改进、六西格码和精益原则。

其他可以监控的工作/工具/内容包括操作员的健康和安全情况，例如心 率、热应力或身体温度(核心、头部等)、运动、夹点(手、手指、脚趾、 脚等)、烟气接触、反复性动作以及整体设备效率(OEE)、整体过程有效 性(OPE)、焊接顺序、x等待、等待所用时间、预热温度、内部传递温度和 后热温度等质量指标，这些内容可以自动报告(连同其他问题)给管理人 员。在优选情况下，用软件模块完成自动报告和其他报告。此外还可以跟踪 其他“可拆卸”工具、夹具、零件架、工具板、焊接耗材、零件、半成品、 通风罩/设备(尤其涉及焊枪)、桥式吊车、载式吊车、定位器、起重机、吊 杆等，与焊件相对的操作员位置，其他气动或电动手持工具(扭矩枪、传动 器、气锤、气动凿)等工具，油漆等流体喷雾设备，切割设备等。

可以使用的附加传感器包括上文所述的传感器以及纳入工具和设备的传 感器(可减少对于操作员的妨碍)。本文所述的很多传感器是无线传感器。 另外也可以使用加速计、活动等的微机电系统(MEMS)传感器。虽然上文 结合一种或多种具体工作介绍了传感器，但这些传感器适用于任何工作和工 具。

本发明可用于实施精益生产、六西格玛原则、单件流、持续改进等，以 提高效率。员工活动分解以及对于制造过程中的浪费和物料通过量限制的理 解是有利于提高效率的有用信息。确定活动发生地点、发生时间和持续时间 的数据可用于优先考虑和评估如何减少这些活动。按本文所述方法获取的数 据还可用于监控改变效果——确定实施的改变有没有实现预期的效率提升。

本发明还适用于具有技能和手动交互要求的其他生产/加工环境。

图1所示的系统100控制和接收各种传感器以及焊接电源的数据。另外 还显示了网络连接。焊接电源104与控制器102双向通信。通信包括典型的 控制和反馈信号。

上件传感器116检测待焊零件载入夹具的时间。在优选情况下，传感器 是运动传感器，包括何时开始上件的时间标识。开始上件时间标记输送给控 制器102。定位焊传感器108检测使用在定位焊的电流，向控制器102提供 带时间标记的信号，表明定位焊开始。定位焊传感器可以是磁簧开关，结合 适合定位焊的焊接输出(由控制器102确定)。控制器102确定开始上件和 开始下一项活动(本例为定位焊)之间所用的时间。时间标记之间的差值 (或实测所用时间)为装配或上件所用时间。

定位焊结束后，操作员开始终焊。用传感器110检测终焊，传感器110 检测焊接电缆的电流，根据终焊设置焊接输出。或者，焊接电源的电流反馈 表明正在执行定位焊或终焊。与表明定位焊或终焊输出的信息结合使用时， 可以用同一个传感器检测定位焊和终焊。控制器根据定位焊的开始和下一项 活动(本例为终焊)的开始确定定位焊时间。

在本例中，操作员接着开始研磨。为了取回研磨机，操作员穿过焊接 室。地垫内的多个传感器114检测操作员的运动。在优选情况下，传感器 114是压敏传感器。传感器114输出发送给控制器102，控制器102判断操作 员的前往位置是研磨机的位置。操作员回到焊件位置，开始研磨。传感器 106，例如辅助电源线路上的电流传感器检测正在使用的辅助电源。传感器 106也可以是研磨机气源上的气流开关。上述信息以及传感器114的信息使 控制器断定正在研磨。同样，控制器102也可以用相同的辅助电源传感器和 地垫传感器或砂磨机电源线上的独立传感器检测砂磨。

获取装配、定位焊、终焊和研磨所用时间以后，控制器102以简单易读 的表格、图表或工作表形式总结信息。信息经网络接口通过网络或互联网 118发送给管理员。在替代实施例中，通过查看步行所用时间(通过地垫传 感器检测)断定独立的活动。在其他替代实施例中，使用其他传感器，例如 本文所述的传感器。在其他替代实施例中，使用射频发射器向网关发送信 息，再发送到互联网。在其他替代实施例中，向控制器102发送的信号不含 时间标记，仅表明活动的开始或结束，控制器102或其他下游装置或智能传 感器添加时间标记(或仅测量所用时间)。

图2显示了本发明的另一种实施方式。该实施方式与图1所示的实施方 式类似，但活动跟踪系统200包括网关203，网关203接收各个传感器的信 号，然后向互联网或网络118输送信息。焊接系统202包括控制器和电源。 传感器可以是上文所述的传感器。或者，传感器是Monnit射频传感器，以 无线方式向网关203发送信号。焊接传感器211是射频磁场传感器或光传感 器(用于检测电弧)。研磨传感器206和砂磨传感器212包括研磨机和砂磨 机电源线上的磁簧开关和射频传感器。行走传感器214包括地垫压力传感器 或运动传感器。上件传感器216包括运动传感器。数据输送到网络118后， 通过比较开始时间和结束时间，或者比较开始时间和下一项活动的开始时间 远程确定所用时间。在一个实施方式中，以电子邮件的形式通过互联网118 提供信息。

数据被发送到互联网后，可以先存入数据库，再进行分析，以创建图 表、饼图或控制面板，通过互联网发送给服务器或个人电脑或以其他方式提 供给厂长或其他人。

在另一个替代实施例中，在焊接室外的金属切割、金属弯曲、刷漆、材 料管理、成品等地方使用上述发明。可以用上述方法进行检测，通过网关或 控制器向管理员、主管等人报告信息。可以设想低产量/高混合或高产量/低混 合生产跟踪。检测及/或跟踪的活动以及提供的信息包括生产率、材料流、零 件跟踪、装配率、事件、质量测量以及其他车间活动/相关信息，信息经合 并、分析和处理后在控制面板，PC图形或车间显示器上显示或显示为生产设 施的关键绩效指标。加深工厂活动的理解有利于为决策和持续改进提供信 息。

在本文所述的范围内还能对本发明做出很多修改。应当理解，本发明所 述的焊接室活动跟踪方法和装置充分实现了本文所述的目标和优势。虽然结 合具体的实施方式对本发明进行了说明，但是本领域的技术人员还能实现多 种替代实施例、修改和变化。因此，在本文所附权利要求书的精神和范围内 实现的全部该等替代实施例、修改和变化均属于本发明的保护范围。