具有共形天线的焊接电源

摘要

公开了一种焊接系统，其包括通过使用低剖面和平面天线(40)的无线系统进行通信的多个焊接部件(20,21,33,43)。所述焊接系统包括焊接电源(43)以及一个或多个通过Zigbee或其他无线通信网络进行通信的其他焊接系统部件(20,21,33)。通过安装到焊接设备(20,21,33,43)的壳体外部的天线(40)在所述焊接系统的所述部件(20,21,33,43)之间传输通信。所述天线(40)可以是线性或圆极化的低剖面平面天线(40)，其可被有利地安装到壳体上，同时限制了与环境的不期望的接触，并且因此来限制损害的可能性。

说明书

本申请为国际申请日为2014年3月10日、国际申请号为PCT/US2014/022277、国家申请号为201480013714.4、发明名称为“具有共形天线的焊接电源”的发明专利申请的分案申请。

本申请要求2013年3月15日提交的序列号为61/789,746的美国临时专利申请的权益，其全部内容通过引用合并到本文中。

技术领域

本发明涉及焊接系统，并且更具体地涉及用于在焊接系统的部件之间的无线通信的平面天线。

背景技术

工业焊接单元中使用的焊接系统通常包括各种专门的相互连接以执行焊接的设备。该设备可以包括例如，焊接电源、送丝机以及诸如自动化控制器、机器人或者固定的自动化部件的自动化设备。焊接电缆将电力和焊丝输送到待焊接工件，并且是系统的必要部件。这些部件和其他装置之间的通信通常也通过电线或电缆来传输。例如，图1中示出了一种典型的系统。此处，示出焊接电源108通过一系列电缆104，106和107连接到机器人控制器105，机器人101，送丝电动机102和气体阀103。焊接电缆109和112向工件110和相应的电极丝提供电力。电压反馈电缆109向电源108提供反馈信号。其余电缆通常在焊接单元的部件之间传输通信，该通信包括命令信号和反馈信号。

通过电线传输通信信号存在很多优点，如此处所示。有线通信通常对于来自与焊接相关的电磁场的噪声以及比如高频起动机的相关设备，引起的干扰更具免疫力。因为焊接设备被用于工业环境中，然而，布线却引起很多问题。例如，将焊接单元的总体尺寸或占地面积(footprint)最小化通常是很重要的。然而，电缆会成问题，因为当在各种设备之间走线时，电缆会减小焊接操作员在单元内移动的可用区域。另外，当不恰当地放置时，电线和电缆会被铲车或者其他用于工业环境中的设备损害。

因此，希望使用无线通信将焊接单元或者其他设施中的焊接设备互联。但是，焊接设备中使用的电气和电子电路通常被包装在钢壳体或机柜内。典型的无线通信模块或系统使用形成在印刷电路板上的板上芯片或印刷天线，它们在钢壳体内是无效的，因此需要安装到外部。例如，当操作员使用设备来储存工具，将设备用作用于焊接的平台，或者用于其他计划外用途时，工业设备经常遭受环境损害。因此，外部天线会很容易被损害。

此外，由于该设备用于受限制的位置，通常是室内位置，并且与其它焊接单元和设备紧密地隔开，因此在焊接系统的发射机和接收机之间通常没有清晰的瞄准线。反而，通信信号在最终被接收之前沿多个路径被反射或“反跳”。这种反跳中的每一个都会引入相移，时间延迟，衰减以及能在接收天线孔径处破坏性地相互干扰的失真。如上所述，而且焊接环境特别容易有噪声问题。这个问题在无线传输的电力水平受法律限制的许多国家被加重。此外，相邻单元的紧密靠近会导致对将要使用的合适的无线网络的干扰和混淆。

所公开的系统解决这些和其他问题。

发明内容

本公开的一个方面中，提供了一种焊接电源，包括用于产生焊接电力的电源供应器，耦合至电源供应器的无线通信系统，以及包围电源供应器和无线通信系统的壳体。该壳体包括大致垂直的前面板，相对于前面板偏移一段距离的大致垂直的后面板，以及右侧面板和左侧面板，右侧面板和左侧面板在前面板和后面板之间延伸，从而在该前面板，后面板，右面板和左面板之间限定用于容纳电源供应器和无线通信系统的空间。右侧面板和左侧面板中的每一个的一部分延伸都超过由前面板限定的平面和由后面板限定的平面，并且上面板封闭该空间。上面板的一部分延伸超过由前面板限定的平面和由后面板限定的平面。共形平面天线耦合至前面板和后面板中的至少一个，并且耦合至无线通信系统。共形平面天线被安装成邻近上面板的延伸超过前面板和后面板中的至少一个的部分，并且邻近右侧面板和左侧面板之一的延伸超过前面板和后面板中的至少一个的部分，从而保护共形平面天线免受损害。

无线通信系统可以与机器人控制器，送丝器，气体阀以及可编程逻辑控制器中的至少一个进行通信，并且可以是例如Zigbee网络。低剖面共形天线可以是圆极化天线或者微带平面天线。

另一方面中，本公开提供了一种包括焊接电源和至少一个其他焊接系统部件的焊接系统。焊接电源包括电源供应器，无线通信装置，以及耦合到无线通信装置的圆极化天线。控制器操作地耦合至电源供应器和无线通信装置。焊接系统部件包括耦合至第二圆极化天线的第二无线通信系统。控制器被编程用于控制电源供应器以生成焊接电力并命令无线通信装置通过圆极化天线将命令和反馈信号中的至少一个传送到焊接系统部件。

又一方面中，焊接电源可以包含在壳体内，并且圆极化天线耦合至壳体的前面板和后面板中的至少一个。

又一方面中，焊接系统部件可以包括机器人控制器，送丝器，气体阀以及可编程逻辑控制器中的至少一个。无线通信装置和第二无线通信装置可以通过Zigbee网络进行通信。

再一方面中，本公开提供了一种焊接系统部件，其包括控制器，与控制器通信的无线通信装置，以及包围控制器和无线通信装置的壳体。大致平的共形平面天线耦合至壳体并且耦合至无线通信系统。无线通信装置适合于通过无线通信系统与焊接系统内的其他焊接系统部件通信。天线可以包括圆极化天线或者微带平面天线。焊接系统部件可以包括焊接电源，机器人控制器和送丝器中的至少一个。共形平面天线可以安装至壳体的前面板和后面板中的至少一个上，并且邻近上面板的延伸超过前面板和后面板中的至少一个的部分。例如，共形平面天线可以安装至壳体的前面板和后面板中的至少一个上，并且邻近右侧面板和左侧面板之一的延伸超过前面板和后面板中的至少一个的部分以保护共形平面天线免受损害。

本发明的这些和其他方面从以下的描述中将变得显而易见。在说明书中，构成其一部分的附图上带有附图标记，并且在其中示出了本发明的优选实施例。此实施例不必然表示本发明的全部范围并且带有附图标记，因此，本文中的权利要求用来解释本发明的范围。

附图说明

文中的附图使用现有技术的单极天线来说明通常如何将平的共形天线安装到系统上以及安装在何处。这些说明是天线位置的示例，并非旨在说明文中描述的天线的类型。

图1是在单元的部件之间使用有线通信的现有技术焊接单元的透视图；

图2是能够在本发明中使用的焊接系统的框图。

图3是包括用于与焊接单元的其他部件无线通信的天线的焊接电源的透视图。

图4是图3的焊接电源的后视图，例示了用于天线的可替代安装位置。

图5是图3的焊接电源的主视图，例示了用于天线的另一个可替代安装位置。

图6是使用根据公开系统的使用天线的机器人焊接单元的透视图。

图7是使用根据公开系统的使用天线的手持式焊接单元的透视图。

具体实施方式

现在参照附图，并且更具体地参照图2，示出了根据本发明可以使用的用于手动，半自动以及自动焊接的焊接系统10的示例框图。焊接系统10包括焊接电源供应器12，控制器16以及用于与外部部件无线通信的通信系统30。焊接系统10的控制器16可以进一步可选地连接到包括送丝系统20、气体阀23和冷却剂系统25的外部焊接部件。

仍然参考图2，如以上所讨论，在一些应用中，焊接系统10可以包括或者连接到送丝系统20，该送丝系统通常包括通过驱动辊和衬垫将焊丝驱动至焊炬或焊枪13的电动机19。如此处所示，送丝系统20还可以包括用于控制送丝电动机19并且向系统10的其他部件提供无线通信的控制器21。当不使用送丝系统20时，电源供应器12向焊炬或者其他电极供应电力。

仍然参考图2，气体阀23可以是通/断阀，由控制器16或21控制的计量阀，或者可以包括分开的或者一体的流量计。类似地，当设有冷却剂系统时，该系统可以包括通/断阀或计量阀，以及流量计量装置。虽然此处未示出，气体阀23还可以包括用于与系统的其他部件无线通信的通信装置。

仍然参考图2，如以下更充分描述的那样，控制器16可以包括一个或多个微控制器，微处理器，数字信号处理器或其他可编程控制器，连同一个或多个能够存储焊接配置数据以及用于控制电源供应器12的控制代码的内部或外部存储器部件18。如以下更充分讨论的那样，电源供应器12可以是恒流电源供应器，恒压电源供应器或恒压/恒流电源供应器，并且优选地包括脉冲功能。电源供应器可以包括开关或逆变电源供应器，和/或变压器，或者包括其他类型的电源供应器；开关或逆变电源供应器对线路功率15整流，随后将DC电力切换到降压变压器以产生所需焊接电压或电流，和/或将来自公共输电干线的高电压和低电流电力转换成高电流和低电压的变压器。

控制器16，操作员和外部部件之间的通信可以通过用户接口32，无线通信系统30和输入/输出通信连接器17中的一个或多个提供。用户接口32可以包括用户显示器和输入装置，诸如按键，开关，摇杆，模拟或数字电位计或者其他装置，以向焊接系统10的操作员或用户提供信息或者从其接收信息，或者是图形触摸屏或其他图形显示器。例如，用户接口可以和电源供应器12和控制器16一起安装在壳体11内，或者设置在与电源供应器12分开的壳体内。虽然在图2中示出被连接到控制器16，但是用户接口32还可以通过通信系统30被连接为远程控制37。可以在焊接系统10中设置一个或多个用户接口32。壳体11内的部件统称为焊接电源43。

通信系统30使用多个可能的通信协议，诸如Zigbee，蓝牙，GSM，WiFi，I.E.E.E.802.11，I.E.E.E.802.15.4，I.E.E.E.802.15.1，ANT中的任何一个来提供无线通信并且使用无线电硬件或者其他无线协议来提供其他公共或专有无线广播链路。通信系统30可以联结到焊接单元的部件，包括送丝系统20，柔性或者硬性自动化部件，诸如焊接机器人21，可编程逻辑控制器(PLC)27和夹具29。可替代地或者另外地，外部部件可以包括一个或多个计算机，计算机化装置或计算机网络31，或者一系列网络化焊接系统37。计算机化装置可以包括例如蜂窝电话，平板装置，笔记本电脑和个人数字助理。

仍然参考图2，示出了示例性输入/输出连接器(I/O连接器)17，其为外部设备提供连接点以将输入信号提供给焊接系统10并且从焊接系统10接收离散输出和反馈信号。除其他指标外，这些输入和输出可以包括焊接进程状态条件和错误条件。通过I/O连接器17输入和输出的通常的焊接进程状态条件信号可以包括例如用于触发焊接或焊接顺序的触发信号，接触器接通(进行焊接)，冷却剂流通，高频接通(HF接通)，气体阀打开(吹扫)，送丝电动机正转(点动)，送丝电动机反转(退回)，焊接程序选择以及触感检测。通常的错误条件可以包括例如电压感应错误，引弧错误，焊丝条(wire stick)错误，电动机过流错误，冷却剂流错误或者气体流错误。还可以在I/O通信连接器17上提供模拟输入和输出信号，包括电流强度命令和反馈，电压命令和反馈，送丝命令和反馈以及电流反馈。焊接状态数据，错误数据，反馈和命令数据还可以通过以上讨论的通信系统30传输给焊接系统10以及从焊接系统10进行传输。I/O通信连接器17可以被配置成印刷电路板，端子连接器板或者其他类型的硬件连接器。可替代地，I/O通信连接器可以使用已知通信协议，诸如RS-232，RS-485，蓝牙，Zigbee和其他协议来提供通信。

仍然参考图2，外部装置，诸如手持式焊枪或焊炬或具有触发开关的其他装置，与机器人21相关的机器人控制器33，PLC 27，远程控制39，或者例如在外部连接的PC的远程系统和显示器，可以将信号提供给焊接系统10的控制器16以启动焊接。焊接参数命令可以从存储器18中被检索，或者可以通过通信系统30从机器人21，PLC 27或者其他外部装置中被提供，或者在用户接口32处被选择。这些远程装置和无线通信中的每一个均能够与外部网络，诸如因特网41，进行通信。

仍然参考图2，焊接系统10连接到输入电源供应器线路15，典型地为三相供应器，其为控制电路以及焊接电源供应器12提供电力，在一些情况下为送丝系统20提供电力。电压和电流传感器(未示出)可以被设置在输入电源供应器线路上设置以允许通常通过控制器16来监测电源供应器。焊接电源供应器12可以是逆变电源供应器，并且如上所述，可以是恒流(CC)，恒压(CV)或者恒压/恒流(CV/CC)电源供应器。电源可以提供AC，DC或者可选择的AC/DC输出，并且能包括脉冲功能。根据配置，电源可以提供执行TIG(GTAW)，MIG(GMAW)焊接，脉冲TIG(GTAW-P)，脉冲MIG(GMAW P)，药芯(FCAW)焊接和其他类型的焊接工艺的能力。

现在参照图3和图4，在本发明的一个实施例中，焊接系统10的部件通过无线网络或通信系统，诸如Zigbee进行通信。焊接系统10的两个或更多个部件包括天线40，其被耦合至例如部件的壳体，如由以下描述的焊接电源43所示。天线可以用于在焊接系统10的部件之间传输信号，如上所述，和/或将信号传输到包括互联网的中央计算机或监测站。

在一个实施例中，可以使用微带平面或者共形天线。共形天线可以例如通过在结合到绝缘电介质衬底(诸如印刷电路板)上的金属轨迹中蚀刻天线元件图案而被制造，其中连续的金属层结合到形成接地面的衬底的相反侧。这种类型的天线的商业实施例可从例如爱尔兰共和国韦克斯福德郡的Taoglas Antenna Solutions,Enniscorthy,Co.获得。

微带天线可以用任意数量的不同形状来构造，包括正方形，矩形，圆柱形，圆形和椭圆形，并且因此能够被构造成满足许多不同类型的传输和配置要求。因此，这些天线具有很低的剖面，机械地高低不平，并且能够成形为在工业环境中符合壳体的表面，包括平坦表面和弯曲表面。因此，这些类型的天线能够被构造和安装为将损害的可能性最小化，而仍能在系统的部件间提供一致的通信。

在本发明的一些实施例中，天线可以是圆极化天线。圆极化天线提供旋转的电磁场矢量。在典型的圆极化天线中，极化平面以在每个波长期间做完整周转的螺旋形方式旋转，并且在水平平面和垂直平面以及二者之间的每一个平面内辐射能量。天线可以是在极化方向上具有顺时针旋转的右旋圆(RHC)，，或者是具有逆时针旋转的左旋圆(LHC)。为了正确的和最低的损失接收，发射和接收天线必须共享相同的极化。在一些应用中，旋转可以被选择为在相邻的单元内不同。

圆极化提供多个优点。因为圆极化天线，例如在所有平面内进行发送和接收，信号可以比当使用传统线性系统时更加容易地被接收和读取。与线性极化系统相比，信号不太可能被与信号相接触的材料吸收。因为被反射的信号在相反方向返回，从而很大程度上避免了与正在传播的信号的冲突，圆极化信号还比线性极化天线更好地穿透并弯曲绕过障碍，以及能够在没有清晰瞄准线路径的情况下工作。圆极化天线也不受多路径问题影响，当主信号和被反射信号几乎同时到达接收器时会引起这些多路径问题，导致“异相”条件。

在焊接单元环境中，当电磁波从低阻抗电表面，诸如钢板被反射时，电磁场极化相位被反向。因此，被反射时右旋圆极化(RHCP)波变成左旋圆极化(LHCP)。圆极化天线通常对相反的极化表现出不灵敏性，并且因此被反射的到达接收天线的电磁波在被呈现到接收器时幅值减小，并且生成的波干扰大幅减小，并提供了改进的执行无线通信的性能以及在焊接单元环境中更有效的数据传送。

现在参照图3，图4和图5，以上所述类型的天线可以被连接到通信系统30并且被安装或者以其他方式被耦合至焊接电源43的壳体11以提供无线通信给其他部件。天线40可以，例如安装到壳体11的上面板42，如图3所示。然而，为了最小化对天线40损害的可能性，天线还可以有利地安装到壳体11的前面板44(图5)或后面板46(图4)。如此处所示，壳体11的上面板42和侧面板48可以延伸超过由前面板44和后面板46形成的平面，以使得安装到前面板或后面板46的天线40在顶部和侧面都避免被接触。因此，壳体11帮助保护天线40不受通过焊接单元移动的焊接电缆的损害，以及免受工具，焊丝卷，焊工面罩，手套或者由焊接操作员或系统的其他用户放置在壳体的上面板上的其他器具的损害。

圆极化天线还可以被设置为线性天线或者具有正交送丝集管的天线阵列以馈送来自共源的具有可变幅值和相位的信号的不同线性极化天线，以使得多个线性天线形成旋转电磁(EM)场矢量。天线可以被印刷或者蚀刻在具有蚀刻缺陷或者其他增加的结构的层状衬底(印刷电路板材料)上从而形成圆极化。

现在参考图6，示出了根据本公开的采用天线40的焊接单元。如此处所述，天线40耦合至焊接电源43，至机器人控制器33，至机器人21，以及至此处所示的安装到机器人上的送丝系统20。工作时，命令信号和反馈信号在焊接电源12，机器人控制器33，机器人21，以及送丝系统20之间传输。工作时，用于控制焊接的控制信号可以源自焊接系统10的一个或多个部件。例如，用户可以编程用于在与焊接电源43相关的接口32处控制焊接的数据，以及用于从机器人控制器33处控制机器人的数据。可替代地，可以从机器人控制器33处提供对焊接电源43和机器人21的控制。焊接电源43和机器人控制器33均可以通过无线通信系统30被连接到存储焊接程序数据的远程系统，焊接程序数据可以被检索并用于控制机器人21和焊接电源43二者。

现在参考图7，示出了手持式焊接系统60。此处，焊接系统包括焊接电源43和手持式送丝系统20。焊接电源43和送丝系统20中的每一个均包括内部控制器，用于系统的部件间的无线通信的通信装置，以及用于系统的部件间的通信的圆极化天线40。天线40图示在电源43的上表面42上并且在送丝系统20的上表面62上。如上所讨论，天线42还可以有利地位于相应焊接电源以及送丝部件的前面板或后面板上上，天线在此处由相应壳体的悬伸顶部和侧部保护。

因此，在工作中，公开的无线通信系统和相应的天线提供优于现有焊接技术系统的多个优点。例如，公开的系统减少了给定焊接单元或设施中所需的电缆数量。此外，圆极化和微带天线有利地提供在封闭工业环境中的焊接系统部件之间待建立的通信链路，并且焊接部件在此处一起被紧密地隔开，避免遇到使用其他类型的系统会遇到的多路径和“反跳”问题。圆极化天线减少多路径信号而不需要主动切换，提供了主动极化切换来选择用于特定无线电网络的极性的能力，并且提供了通过使用极性的多样化来在相同的频率上设置多个网络的能力。

应当理解的是，以上描述的方法和设备仅是示例性的，而不限制本发明的范围，并且本领域技术人员可以做出落在本发明范围内的各种修改。例如，以上参考图2描述的焊接系统仅通过示例的方式被示出。如上所述，存在许多可能的焊接电源以及可以使用的相应部件。此外，在以上描述特定的控制器和通信系统时，这些描述旨在描述功能方面，而非旨在限制本发明的范围。可以使用各种硬件和软件配置，并且可以使用任意数量的处理装置来提供所述功能。这些装置可以设置在单个壳体中或者分布在多个壳体和位置中。硬件原理图也通过示例的方式示被提供，而并不旨在限制本发明。

此外，虽然图2中示出了壳体包含焊接系统10的数个部件，示出的通信装置、接口、控制器和电源可以各种方式设置在壳体内。例如，在一些应用中，希望将用户接口和通信系统设在远程装置中。在其他应用中，这些装置可以和电源供应器12一起设在壳体11中。在一些应用中，希望接口既可设在电源供应器内又可远离电源供应器设置。设置这些部件的各种方法对本领域普通技术人员而言是显而易见的。

为向公众告知本发明的范围，做出以下权利要求。