基于数字通讯的电弧控制焊接系统和方法

摘要

焊接系统，包括装配有数字通讯电路的部件，数字通讯电路用来同步和协调与焊接操作相关的任务（54、60、68、80）。这些任务可以独立地或基于电路的同步化协调地被启动和终止。某些任务可以通过部件以开环的方式被执行，或者基于焊接参数的反馈以闭环的方式被执行。而且，某些任务之间可以彼此独立，或者虽然通过不同系统部件被平行执行但却相互依赖。

说明书

相关申请的交叉引用

本申请是2011年7月15日提交的申请号为61/508413，名称为“基于 数字通讯的电弧控制焊接系统和方法”的美国临时专利申请的正常专利申 请，该临时专利申请通过引用结合与此。

技术领域

本发明总体涉及焊接系统，更具体地涉及通过数字控制和协调系统部件 来有效控制焊接电弧的改进技术。

背景技术

多种焊接系统和工艺已经被开发并正在使用。总体上，这些焊接系统和 工艺涉及了电极和工件之间电弧的创造，电弧用来融化填料金属和工件。这 些焊接系统和工艺没有建立理想的结合。在一些工艺中，例如气体保护金属 极电弧焊（GMAW）,它的子集通常被称作金属惰性气体（MIG）保护焊，药芯 焊丝电弧焊（FCAW）以及自动保护金属极电弧焊(SMAW)，通常被称作“焊 条”焊接，电极本身被熔化并变成焊缝的一部分。在其它工艺中，例如气体 保护钨极电弧焊（GTAW）,通常被称作钨极惰性气体电弧焊（TIG），电极不 熔化，在使用时仅用来维持电弧以熔化工件和分开（提供）的填加金属。

在所有这些焊接工艺中，电源和其它部件一起被使用，电源的构造和操 作可以基于工艺类型和实施方式而变化。例如，在MIG系统中，电源通常与 送丝机连接，送丝机通过焊枪提供焊丝电极的控制供应。电源或送丝机也通 常连接到保护气体供应装置。而且，在MIG系统和TIG系统二者中，电能最 终被供给到焊枪或焊炬，用于形成用于焊接电弧的电路。

此类焊接系统的控制通常基于各种检测参数的反馈，其它参数采用开环 控制。例如，电流和/或电压经常被检测并被用来作为对脉冲、输出功率水 平等等按照选用的具体焊接机制的指示进行闭环控制的基础。虽然还有转速 计读数、电机驱动电压以及类似参数可用闭环方式监测和/或控制，但例如 送丝速度的其它设置基本上可以是开环的。

这种类型的传统控制方案，虽然在提供高质量焊接时非常有效，但是也 存在某些缺陷。特别地，大部分工艺控制依赖反馈使得系统的被动反应是固 有的，从而导致延迟，由于通讯和控制方法的本质，这种延迟不能简单地被 避免。只能进行有限的改进，例如通过加快信号传输、提高处理速度等等， 虽然这些手段也有本质上的限制。

因此，所需要的是焊接工艺控制的改进技术，该技术能够减少延迟并且 改进焊接操作。

发明内容

根据上述需要，本发明提供一种焊接系统控制的新方法。该方法是基于 焊接部件操作的同步化，从而导致更多决定性的控制，其中一些操作能够预 先计划而不是基于监测参数的反馈来执行。当然，如在传统焊接系统中一 样，系统通常可以并且也将利用通过计算和闭环控制所得到的监测和反馈参 数，但是利用设计的同步化来计划事件的能力可以大大地方便焊接操作中很 多任务的执行。这些可以由被计划成平行操作的各个同步化的部件执行，按 照特定计划的操作使任务和闭环控制提前。所相信的是多种选择方案和未来 的革新可以来自焊接系统部件的同步化，尤其是当它们至少在某种程度上脱 缚于仅为被动反应的闭环控制。

附图说明

当阅读下面的具体实施方式时，参照附图将能更好地理解本发明的这些 和其它特征、方面和优点，全部附图中相同的标记代表相同的部分，其中：

图1是根据本发明的焊接系统的图示代表，该焊接系统设计成系统部件 协调同步和协调操作；

图2是示出了如图1所示的时段中在各个焊接系统部件上执行任务的流 程图或时序图；以及

图3是根据图2协调化的事件的时序图示。

具体实施方式

现在转向附图，图1示出了示例性焊接系统10，其中对焊接操作可以执 行同步化和协调化的任务。图示的焊接系统10包括焊接电源12和送丝机 14。焊接电源和送丝机为焊枪或焊炬16提供电能和焊接服务。在操作中， 电能和焊丝，根据应用情况与保护性气体一起被提供，以便在工件18上执 行焊接。

应该注意，虽然图1中示出的是MIG焊接系统，但是本技术可以应用在 任何焊接系统、焊接工艺和焊接部件上。因此，TIG系统、焊条系统等等可 以利用基于本发明的类似技术。而且，工艺可以包括恒定电流工艺、恒定电 压工艺、脉冲工艺等等，并且多种不同的材料传送模式可以采用，例如短路 传送、喷射传送、熔滴传送等等。

在图示的实施例中，焊接电源12包含电弧控制电路20，其连接到栅极 驱动电路22。电弧控制电路设计用来控制在焊接电极和工件之间建立的焊接 电弧，特别是基于在目前讨论中描述的同步化和协调化的控制。实践中，电 弧控制电路可以是控制器的一部分，控制器在电源和焊接系统中执行大量其 它功能。电弧控制电路通常包括微处理器或数字信号处理器和配套的存储 器。存储器存储在整个焊接过程中被电弧控制电路利用的预定的焊接工艺、 焊接参数、焊接设置等等。栅极驱动电路22接收来自电弧控制电路的信 号，来调节功率转换电路24中电力电子功率器件的导电状态。功率控制电 路24连接到电力供应源，例如电网、机动发电机、电池、燃料电池或任意 其它合适的电力源。在操作中，基于通过电弧控制电路20执行的工艺，栅 极驱动电路22将被指令来给功率转换电路中的电力电子开关提供驱动信 号，从而产生合适的焊接功率。本领域技术人员应该理解，此类器件可以包 括SCRs、IGBTs和/或任意其它合适的器件。另外，功率转换电路可以是此 类系统中常见的类型，包括升压变换器、降压变换器、电力变压器等等。通 过功率转换电路产生的电能被传输到送丝机，如参考标记26所示，并传输 到工作电缆28，工作电缆28通常连接到工件或工件所在的固定物上。

焊接电源进一步包括数字通讯电路30，该数字通讯电路30设计成提供 与其它焊接系统部件例如送丝机同步化的操作。数字通讯电路可以独立于电 弧控制电路20提供，或者可以与电弧控制电路合并在单一支撑体、电路板 等之内。数字通讯电路30允许焊接电源和其它系统部件之间的焊接参数、 指令、反馈等进行通讯。所述电路可以适应根据此类通讯已知的数字通讯协 议进行操作。在图示的实施例中，电源的数字通讯电路30与送丝机的类似 数字通讯电路32进行通讯。所述两个器件允许电源和送丝机操作的同步 化，并且通常包括它们各自的时钟，该时钟提供可以形成这种同步化基础的 信号。在某些实施例中，同步化可以在没有分立时钟的电路中执行。虽然其 它周期或频率的同步化可以采用，但是在目前关注的实施例中，通讯电路以 至少每毫秒被执行同步化。

还应该注意，焊接电源12通常也包括操作者界面（未示出），操作者 界面允许使用者选择焊接工艺、焊接设置、焊接参数等等，例如电流和电 压。此类参数可以被传输到电弧控制电路20，存储在存储器中，诸如此类用 来在控制焊接操作中使用。还如图1所示，数字通讯电路30可以允许与远 程设备/自动化系统34进行通讯。因此，虽然示出的是人工MIG系统，但本 技术可以用于自动化的（例如机器人的）系统，其中焊接可以基于预先建立 的程序完全或部分地自动进行。

送丝机14包括连接到数字通讯电路32的电机/动力控制电路36。在很 多应用中，电机/动力控制电路36包括分立的微处理器或数字信号处理器， 该分立的微处理器或数字信号处理器能够执行下文描述的与焊接电源协调化 的操作。此类处理器附带有存储器（未单独示出），该存储器可以存储操作 程序、校准设置、焊接设置、操作者输入倾向等等。总的来说，这些包括例 如送丝速度，而且它们也可以包括焊丝的类型，诸如此类。电机/动力控制 电路36构造成通过控制连接到驱动组件42上的电机40，驱动来自绕丝筒 36的焊丝。此类控制信号例如可以采用可变电压信号的形式，取决于电机 40和系统其它部件的特性。送丝机14也连接到气源44，该气源44为焊接 操作提供保护性气体。因此，阀46设置为允许将气流提供到焊炬，并用来 切断气流。在某些实施例中，阀也可以允许用来某些程度的计量。在示出的 实施例中，阀通过控制电路36进行控制。

在操作中，图1所示的系统通过数字通讯电路之间的通讯被同步化，以 使焊接操作可以被分解成能在焊接系统部件之间协调的任务。也就是说，在 传统的系统中，操作通常既以开环方式执行也基于反馈以闭环方式执行，然 而通过在本文中描述的焊接系统的部件执行的任务，至少一部分可以在计划 的基础上执行。图2示出了在图1中示出类型的焊接系统上以同步化和协调 化方式执行的电路任务。

如图2所示，焊接操作48通常通过如参考标记50所示的指令进行启 动。这个指令可以对应于操作者按压焊枪上的触发器，但是也可以包含在焊 条工艺中焊接电弧的启动或者对来自远程设备指令的接收，例如对于自动化 的操作。指令的接收使焊接操作开始，如时间点52所示。在图2中，好几 个部件以执行任务的方式被示出，一些任务与其它任务协调进行，其它任务 与别的任务是独立的。在图示中，第一部件在时间点52开始第一任务，如 框54所示。当示出的这个任务一直持续到时间点56时，第二任务被第一部 件启动，如在参考标记58处所示。可以预计的是，在这些时间点期间，通 过电路的同步化，例如上面讨论的通讯电路，其它系统部件之间的协调将被 完成。因此，在示出的实施例中，第二部件开始第一预定计划的任务，如在 框60处所示。任务58和60并行持续直到时间点62。在时间点62，第一部 件执行第三任务64，而第二部件开始第二任务66。同时，第三部件开始其 第一任务，如在框68处所示。

接着这些已经启动的任务，第一部件显示无限期地继续第三任务，而在 时间点70处，第二和第三部件分别开始任务72和74。控制中的这个点可以 对应于焊接操作中稳定状态焊接条件。

至于这些任务的同步化和协调化，应该做几个监视。首先，某些任务可 以被计划和协调来同时开始和/或结束。然而，某些任务可能比由其它部件 执行的其它任务结束得早一些，任务结束早一些的部件可以被命令来等待， 直到任务被另一个部件完成。例如，任务58可能先于任务60被完成，但是 部件1可以被命令来等待，直到任务60完成，才开始其随后的任务64。另 外，应该注意，这些任务中的某些可以是开环操作，此时部件被关闭或开 启，或者被指令以预定的标准进行操作。其它的任务可以是闭环的，通常基 于如当前焊接系统中的一个或多个检测的焊接参数的反馈。在图2中通过在 任务66、72和74中的环形箭头示出了闭环操作。然而应该注意，这些都仅 仅是示意性的，对于具体的部件，任何一个任务至少可以是部分闭环的。而 且，任何一个任务可以与其它部件的任务完全独立，或者它们可以基本上是 相互依赖的。也就是说，例如，部件2的第三任务，如参考标记72所示， 可以利用也被部件3在执行其计划的任务74中利用的反馈。此类相互依赖 在焊接操作的某些阶段中是很普遍的，例如对于协调化的送丝和功率控制。 对于协调化的操作，部件可以通过数字通讯电路通讯各种任务的状态，尤其 当某些任务仅在其它部件上的其它任务完成之后才开始。

进一步如图2所示，在某些点，指令被接收来结束焊接操作，如在参考 标记76处所示。取决于系统类型和执行的工艺，指令可以包括操作者释放 焊炬触发器、将焊炬或焊条移开工件来终止电弧、或者从远程设备接收自动 化的指令（例如到达工件上希望的位置后终止焊接）。在图2中，在时间点 78指令被接收，此时第一部件开始预先计划的任务80来开始终止焊接操 作。终止任务之后，部件执行其最后任务82。独立于第一部件执行预先计划 的任务，第二部件可以在时间点86开始它的最后的预先计划的任务，在时 间点78稍后一点开始终止焊接操作。在图示的实施例中，第三部件也开始 在该阶段的任务，如参考标记88所示。图示的这两个任务在时间点90被完 成，然后最后一个任务被第三部件执行，如参考标记92所示。同样地，这 些任务中的一些或全部可以开环操作，或者基于检测的焊接参数闭环操作。 所有任务完成之后，焊接操作终止。

在图2中描画的整个工艺中，焊接部件的同步化发生了。因此，在同步 化的时间周期中，各种任务可以容易地被协调。应该注意，任务的指令可以 产生于各个独立部件的控制电路，或者某些部件可以指令其它部件的操作。 然而，本技术针对具有允许同步化和协调化任务的电路的至少两个部件。还 应该注意，一些任务或所有任务可以通过远程设备控制，例如图1中示出的 那样，尤其对于自动化的应用。更进一步，通过焊接系统部件执行的任务， 尤其在自动化设置中，可以与通过其它机器系统执行的任务协调，例如基于 工件、组装件等在组装线上和在焊接室中的位置和准备状态，来在具体的位 置和时间点上开始和结束焊接操作。

图3是图2中概述类型的示例性焊接工艺94的图示。图3以部件的大 小或状态沿着途径（access）96和时间沿着途径98的方式示出了焊接工 艺。在图3中，轨迹100于是代表在阀（本文中为“部件1”）的控制下保 护性气体的流动，轨迹102表示焊丝的供给（通过控制送丝机电机和组件， 本文中为“部件2”），而轨迹104代表电源的电压输出（通过控制功率转 换电路，本文中为“部件3”）。如图中所示，任务在所希望的焊接操作的 具体时间点被启动和完成。

具体地，在时间点t0，焊接操作接收到上文中所述的指令后被启动。从 这点开始，在气体阀的控制下，保护气开始预流出。该任务可以以开环方式 执行并持续预定的时间长度，随后通过改变气体的流速作为在时间点t1和 t2之间的第二任务执行。然后在时间点t2，保护气的流动将达到稳定状态 水平并且不再改变（通常对应于图2中示出的第三任务64）。还在时间点 t2，电源的电压输出显著增加来促使焊接电弧的启动。在时间点t3，电压达 到峰值，并且焊丝按照轨迹102所示开始供给。在时间点t3和t4之间，焊 接电源将继续增加送丝速度，最终电弧将在这个期间建立。当电弧建立时， 电压可以降低，如轨迹104所示。此处应该注意，这些操作中的一个或两个 可以根据检测焊接电弧建立时的电流和/或电压以闭环的方式执行。然后在 时间点t4，送丝速度和电压将达到稳定状态水平，焊接操作将开始进行。

应该注意，如上所述，任意这些任务和操作可以基本上是相互依赖的。 例如，在一些例子中，送丝速度可以与电弧的启动和维持电弧应用的功率是 协调一致的。虽然没有在图3中具体示出，但这些任务有反馈和无反馈控制 的多种变化和任务间的相互依赖都可以设想。

在图3中，焊接操作持续到时间点t5时，接收信号来终止焊接操作。 这可以对应于，例如释放焊炬上触发器的焊接操作。在示出的实施例中，该 信号导致气流开始减小直到时间点t6，接着气流持续减小直到时间点t8。 本领域技术人员应该理解，在上述操作中气流可以持续来充分地保护冷却中 的焊缝和焊接熔池。此时的操作某种程度上是独立于那些影响送丝和施加电 压所执行的操作执行。

在时间点t7，送丝的速度缓慢下降，最终在时间点t9处到达终止点。 电压也缓慢下降直到时间点t9，在时间点t10时电压终止。同样地，这些操 作可以是相互依赖的，并且可以基于判定的焊接参数。

整个上述工艺中，所相信的是通过要么独立地要么整体地规划一个或多 个焊接系统部件中的任务的能力，能够获得显著的优点。部件的同步化允许 某些平行操作，这些操作可以有时依赖于反馈，有时依赖于启动点、终止点 等等。同样地，在每一个任务中，开环或闭环操作可以执行，它们中的一些 可以等同于传统焊接系统中的那些。然而，基于规划任务的同步化提供了增 强的灵活性并且降低了焊接操作过程中某些操作启动和终止中的延迟。

然而本文中仅对本发明的一些特征进行了图示和描述，对本领域技术人 员来说，多种改进和变化都可以进行。因此应该理解，所附的权利要求书试 图覆盖所有落入本发明实质精神之内的此类改进和变化。