用於焊接系統的基於傳感器的電力控制的製作方法
2023-05-19 23:21:11
本發明概括地涉及焊接系統，更具體地涉及用於使用運動傳感器控制焊接系統的電力供應器或附件的感測系統。
焊接是在針對多種類型的應用的各種行業中已變得無所不在的工藝。例如，在諸如造船、航空器修理、建築等應用中經常執行焊接。焊接系統通常包括可產生電力供焊接工藝期間消耗的電源。然而，即使在由於焊炬不工作而不需要電力時，這些電源也可產生電力。此外，如果電源不工作或正產生減少的電力，直到需求事件(例如，按壓了觸發器)，可能存在時間段在其間電力是需要的但不可得到的。
技術實現要素：
在第一實施例中，一種焊接系統包括電源和焊炬運動感測系統，所述焊炬運動感測系統與焊炬相關聯且被配置以感測焊炬定向或移動。所述焊接系統還包括與所述焊炬運動感測系統通信耦連的處理系統。所述處理系統被配置以在來自所述焊炬的焊接需求前確定所述焊炬的移動，且向電源發送指示以在足以操作所述焊炬的產生電平下提供電力。
在另一實施例中，一種方法包括經由焊炬運動感測系統感測焊炬的初始定向，和經由所述焊炬運動感測系統感測所述焊炬的後續定向。所述方法還包括如果與所述焊炬相關聯的電源被關斷且所述後續定向與所述初始定向不同，那麼啟動所述電源。此外，所述方法包括如果所述電源處於低電力狀態中且所述後續定向與所述初始定向不同，那麼啟動所述電源的較高電力狀態。
在另一實施例中，一種被配置成與焊炬耦連的翻新套件包括焊炬運動感測系統，其被配置以確定所述焊炬的定向或移動。此外，所述翻新套件包括處理器，其被配置成響應於所述焊炬的移動或所述焊炬定向的改變向所述焊炬的電力供應器發送指示以提供電力。
附圖說明
當參看附圖閱讀以下詳細描述時，本發明的這些和其他特徵、方面和優勢將變得更好理解，在附圖中，相似標號在整個附圖中表示相似部件，其中：
圖1為利用電力供應器和具有運動傳感器的焊炬的焊接系統的實施例的框圖；
圖2為圖1的焊接系統可使用的電力控制過程的實施例的流程圖；
圖3為圖1的焊接系統可使用的電力控制過程的實施例的流程圖；
圖4為圖1的電力供應器和焊炬的實施例的框圖；
圖5為可用以控制圖1的焊接系統的姿勢控制過程的實施例的流程圖；以及
圖6為可用於圖1的焊接系統中的焊炬100的實施例的立體圖。
具體實施方式
如以下將詳細地描述，本文中提供系統和方法，該系統和方法用於使用焊炬中的運動(例如，慣性)傳感器以在實際需求前確定電力需求的可能性從而減少電力可用性的延遲和/或產生的電力的浪費。通過確定正在移動焊炬，即使在明確的請求(例如，按壓焊炬上的觸發器)前，焊接系統也可確定需求可能即將來臨，且應當啟動較高電平電力產生狀態。當焊炬確定需求可能即將來臨時發電允許電源較早地提升電力，由此減少或消除在初始需求時可用電力的不足。
現談及附圖，圖1為根據本技術的焊接系統10的實施例的框圖。焊接系統10被設計成產生用於工件14(例如，管)的焊弧12。焊弧12可由任一類型的焊接系統或工藝產生，且可以任何期望的方式定向。例如，此類焊接系統可包括氣體保護金屬極電弧焊(GMAW)系統，且可利用各種編程的波形和設定。焊接系統10包括電力供應器16(例如，在一些實施例中，發動機驅動的發電機)，其通常被耦連到電源18，例如，電網、發動機或其組合(例如，混合動力)。當然，可利用其他電源，包括發電機等。在圖示的實施例中，送絲器20耦連到氣體源22和電源18，且將焊絲24供應到焊炬26。焊炬26被配置以在焊炬26與工件14之間產生焊弧12。將焊絲24經由焊炬26饋送到焊弧12，由焊弧12熔融，且沉積於工件14上。
送絲器20通常包括送絲器控制電路系統28，其尤其調節焊絲24從線軸29的饋送，且命令電力供應器16的輸出。類似地，電力供應器16可包括用於控制某些焊接參數和起弧參數的電力供應器控制電路系統30。在某些實施例中，送絲器控制電路系統28或電力供應器控制電路系統30可包括軟體、硬體或其組合。例如，在某些實施例中，送絲器控制電路系統28和/或電力供應器控制電路系統30可包括處理器和被配置以存儲待由處理器執行的指令的存儲器。在一些實施例中，送絲器控制電路系統28可與電力供應器控制電路系統30通過焊接電纜31通信，該焊接電纜31也用以將電力提供到送絲器20。送絲器20的線軸29可以包含在焊接操作期間消耗的焊絲24的長度。焊絲24由焊絲驅動組合件32推進，通常通過在控制電路系統28的控制下使用電動機。此外，工件14由連接到工作電纜36的夾鉗34耦連到電力供應器16從而當在焊炬26與工件14之間建立焊弧12時使電路完整。
將焊炬26置於最接近工件14的位置處允許由電力供應器16提供且被導引到焊炬26的電流從焊炬26到工件14成弧。如上所述，此成弧使包括電力供應器16、焊炬26、工件14和工作電纜36的電路完整。具體地，在操作中，電流從電力供應器16傳送到焊炬26，到工件14，工件14通常經由工作電纜36連接回到電力供應器16。弧產生相對大量的熱量，這使工件14的部分和焊絲24的填料金屬轉變到使材料熔合的熔融狀態，從而形成焊接件。
在某些實施例中，為了保護焊接區域在焊接期間不被氧化或汙染，為了增強電弧性能，且為了改善所得焊接件，焊接系統10也可將惰性屏蔽氣體從氣體源22饋送到焊炬26。然而，值得注意地，除了惰性屏蔽氣體之外，或代替惰性屏蔽氣體，還可使用用於保護焊接位置的各種屏蔽材料，包括活性氣體和顆粒固體。此外，在其他焊接工藝中，可不使用此類氣體，而本文中公開的技術同等地可適用。
雖然圖1說明GMAW系統，但目前公開的技術可類似地在其他類型的焊接系統(其中包括氣體鎢電弧焊(GTAW)系統和屏蔽金屬電弧焊(SMAW)系統等)上應用。因此，取決於實施具體考慮因素，基於傳感器的電力供應器控制的實施例可供包括送絲器20和氣體源22的焊接系統利用，或供不包括送絲器20和/或氣體源22的系統利用(例如，焊炬26直接耦連到電力供應器16的實施例)。
目前公開的實施例涉及電力供應器16的基於傳感器的控制。在一些實施例中，送絲器控制電路系統28和/或電力供應器控制電路系統30可基於至少使用位於焊炬26中、上或與焊炬26相關聯的加速度計38、陀螺儀傳感器40和/或磁力計41(共同地被稱作傳感器)導出的慣性數據來控制電力供應器16。例如，在一些實施例中，傳感器可位於可安裝到焊炬26的翻新套件中。此外，在一些實施例中，電路系統30可至少部分基於傳感器反饋來個別地控制由電力供應器16供應的焊接電力。在某些實施例中，電路系統28可至少部分基於傳感器反饋來個別地調整焊絲饋送速度。在其他實施例中，電路系統(28或30)中的任一個可執行其控制且將控制信號發送到另一個，使得另一個可在另外其他實施例中執行其控制。
在某些實施例中，加速度計38可包括能夠測量動態運動(例如，焊接編織(weld weaving))的單一三軸加速度計。在其他實施例中，加速度計38可包括一或多個定向傳感器(例如，加速度計)以確定在一或多個維度上的焊炬26定向的改變。例如，可基於兩個加速度計，相對於與重力的方向平行的平面計算二維位置。使用加速度計38，電力供應器控制電路系統30和/或送絲器控制電路系統28可確定焊炬26處於工作狀態(例如，豎直位置)還是非工作狀態中。例如，當在指示閒置的位置中(例如，側放、倒置或焊炬26面向下放置)在一段時間內保持實質上不動時，可將焊炬26視為非工作中。
在一些實施例中，陀螺儀傳感器40可包括一或多個陀螺儀傳感器，例如，單個三軸陀螺儀傳感器。電力供應器控制電路系統30和/或送絲器控制電路系統28可使用陀螺儀傳感器40補充來自加速度計38的數據以測量低值移動，例如，在某些焊接工藝(例如，TIG)中使用的振蕩運動。
在某些實施例中，磁力計41可包括一或多個陀螺儀傳感器，例如，單個三軸磁力計。電力供應器控制電路系統30和/或送絲器控制電路系統28可使用磁力計41確定磁場的改變，例如，焊炬26或焊接區域中的其他物體的移動。
使用來自一或多個所述傳感器的數據，電力供應器控制電路系統30和/或送絲器控制電路系統28可控制電力供應器16以確保當操作員開始使用焊炬26時產生足夠的電力。在某些實施例中，電力供應器控制電路系統30和/或送絲器控制電路系統28可通過實施電力控制過程50(如圖2中所示)來控制電力供應器16。在一些實施例中，電力供應器控制電路系統30和/或送絲器控制電路系統28可經由存儲於非暫時性計算機可讀介質(例如，存儲器)中且由處理器執行的指令來實施過程50。電力供應器控制電路系統30和/或送絲器控制電路系統28接收指示活動的數據(塊52)。在一些實施例中，可從焊炬26接收指示活動的數據，作為指示焊炬26已移動或某一其他物體(例如，經由磁力計41)已在焊接區域內移動的數據。如以下將論述，可經由位於焊炬26內的發射器將數據傳輸到電力供應器控制電路系統30和/或送絲器控制電路系統28。
在接收到這些活動指示時，電力供應器控制電路系統30和/或送絲器控制電路系統28確定有可能使用焊炬26(例如，可能即將按下焊炬26的觸發器以啟動焊弧)。因此，電力供應器控制電路系統30和/或送絲器控制電路系統28通過確定電源是否在工作中且產生足夠的電力來確定是否應增加電力(塊54)。例如，電力供應器控制電路系統30和/或送絲器控制電路系統28確定發動機是否正產生足夠的能量或AC線路電力是否足夠用於焊接。由於在一些實施例中，電力供應器16可超出操作員的視覺或聽力，如果電力供應器16在工作中且產生期望的能量，那麼焊接系統10可指示足夠的電力可用(塊56)。如下所論述，可經由通過焊炬26、電焊帽或外部反饋裝置對操作員的觸覺、視覺或音頻反饋(指示焊接系統10準備好提供所要的電力電平)來指示可用的電力。然而，如果電力供應器16不在工作中或未準備好提供期望的電力電平(例如，電力供應器16正閒置)，那麼電力供應器控制電路系統30和/或送絲器控制電路系統28可使電力供應器16接通或增加來自輸入線路電力的電力消耗(塊58)或來自發動機的電力產生。一旦達成足夠的電力消耗，那麼可經由觸覺、視覺或音頻反饋對操作員指示可用的電力。
此外，在一些情形中，可能需要在非工作的周期期間減少電力。例如，如果電力供應器16包括發動機，那麼當接收到非工作的指示時，電力供應器控制電路系統30和/或送絲器控制電路系統28可使發動機能夠閒置或關停，由此基於感測到的缺少需求來減少電力產生。閒置狀態的一個典型形式為將到用於輸出的主電力轉換器的輸入電力斷開連接，但允許控制為了通信而連接到運動傳感器的電力和重新連接主電力。主要電力轉換器的一個典型電力消耗為使主變壓器的電流磁化。通過消除主變壓器的電力消耗，當焊炬26不在工作中時，浪費較少電力。此外，當電力供應器16包括發動機時，當焊接或刨削工具不在使用中時，發動機可完全關停。電力供應器控制可由電池供電以在操作員撿拾起焊炬準備焊接時與運動傳感器通信和啟動發動機。替代方案為使發動機在只用於控制但不足以提供焊接電力的低速下運轉，但當在無移動的周期後焊炬由操作員撿拾或移動時，增加到高速。通常對於粘結焊接，在初始的數百毫秒內其需要初始高電力以用於電弧點燃，因此運動傳感器可觸發發動機而變為高速以啟動電弧，接著下降到較低速度以用於焊接的其餘部分。此外，使用發動機的增加的能量消耗可涉及增加的燃料消耗、發動機磨損和噪音產生，由此減少能量消耗可減少燃料消耗、發動機磨損、噪音產生等等。
還可以以針對具體工具的功率電平標記不同的運動傳感器。例如，電弧刨削使用比電弧焊接高得多的功率。當將發動機從睡眠狀態(關停)喚醒時，刨削工具的移動可以觸發足夠用於刨削的較高發動機速度，且焊接工具的移動可以觸發足夠用於焊接的較低發動機速度。
因此，圖3說明可由電力供應器控制電路系統30和/或送絲器控制電路系統28實施的電力控制過程60。電力供應器控制電路系統30和/或送絲器控制電路系統28可接收非活動的指示(塊62)。例如，如果電力供應器控制電路系統30和/或送絲器控制電路系統28確定焊炬26已在給定時間段內保持實質上不動或在指示閒置的位置中(例如，側放、倒置或焊炬26面向下地放置)。如果電力供應器16在工作中或正產生電力(塊64)，那麼電力供應器控制電路系統30和/或送絲器控制電路系統28確定電力減少持續時間是否已過去(塊66)。換句話說，在一些實施例中，電力供應器控制電路系統30和/或送絲器控制電路系統28可允許某一閒置量(例如，少於一分鐘)，而不控制電力產生。在一些實施例中，可使用多於一個持續時間。例如，在一些實施例中，電力供應器控制電路系統30和/或送絲器控制電路系統28可在超過第一非活動閾值(例如，5分鐘)後使發動機閒置，且當超過第二閾值(例如，10分鐘)時使發動機關斷。
當確定焊炬26不在工作中達某一周期且電力供應器16正產生未使用的電力時，電力供應器控制電路系統30和/或送絲器控制電路系統28減少電力產生(塊68)。否則，電力供應器控制電路系統30和/或送絲器控制電路系統28不調整電力產生。如上所論述，在一些實施例中，電力供應器控制電路系統30和/或送絲器控制電路系統28可在一或多個步驟中減少電力。例如，電力供應器控制電路系統30和/或送絲器控制電路系統28可在各種非活動間隔處降低電力產生電平，且在另一非活動的持續時間後關停電力產生。
圖4說明可用以實施以上論述的電力控制過程50和60的電力供應器16和焊炬26的實施例的框圖。焊炬26可包括磁力計41、加速度計38和陀螺儀40中的至少一個。在具有一或多個所述傳感器的一些實施例中，數據融合單元70可接收來自磁力計41、加速度計38和陀螺儀40的測量結果，且可融合所述數據以便經由發射器72發射。例如，磁力計41可檢測磁場的改變，而加速度計38可檢測移動。數據融合單元70可通過使用來自兩個傳感器的數據而將數據融合到焊炬移動的準確模型。在一些實施例中，數據融合單元70可融合來自在焊炬26外部的傳感器(例如，在焊接區域中的光傳感器)與內部傳感器的數據。在其他實施例中，在不融合數據或不具有數據融合單元70之時，可依賴於僅一個所述傳感器。在一些實施例中，來自所述傳感器的數據可在不首先加以融合的情況下由發射器72發射，使得電力供應器控制電路系統30和/或送絲器控制電路系統28可以分別地接收數據，且分析所述信息。在一些實施例中，數據融合單元70可包括硬體、軟體或其某一組合(例如，處理器或存儲指令的存儲器)。
用以將信息從焊炬26發射到電力供應器控制電路系統30和/或送絲器控制電路系統28的發射器72可包括有線或無線連接。例如，在圖示的實施例中，發射器72使用用以對焊炬26供電的焊接電纜31將傳感器數據發射到電力供應器控制電路系統30的接收器74。在某些實施例中，送絲器20也可包括發射器、接收器或收發器。在一些實施例中，發射器72可使用與焊接電纜31分開的數據線將傳感器數據發射到接收器74。在一些實施例中，發射器72和接收器74可包括被配置以無線方式發射和接收數據的無線通信無線電。例如，在一些實施例中，發射器72和接收器74可包括被配置以經由802.11(WiFi)、802.15.4、802.15.1、藍牙、蜂窩式機器對機器(M2M)技術通信的收發器。
在一些實施例中，焊炬26包括焊炬電力存儲裝置76(例如，化學電池或電容器)，其可用以提供用於操作傳感器、數據融合單元70和/或發射器72的電力。在一些實施例中，當電力供應器16正產生電力時，傳感器、數據融合單元70和/或發射器72可至少部分地由電力供應器16供電。然而，在某些實施例中，焊炬26也可包括能量採集器78，其可用以在焊炬26的操作期間對焊炬電力存儲裝置76補充能量。能量採集器78捕獲來自緊鄰環境的動力(例如，電、熱、磁場等)以對傳感器提供動力。例如，能量採集器78的電感單元可從焊接電纜31中的波動電流提取少量能量以對焊炬電力存儲裝置76充電。
在一些實施例中，反饋單元80可用以對操作員報警，正產生某一電力電平以使操作員能夠確定是否有足夠的電力可用於使用焊炬26。在一些實施例中，反饋單元80可包括一或多個LED、一或多個聲音發射單元(例如，揚聲器)、一或多個觸覺反饋單元、撥盤、儀表、適用於指示電力可用性的其他單元或其某一組合。本實施例將反饋單元80說明為焊炬26的部分。在一些實施例中，反饋單元80可位於電焊帽內、與在焊接區域中的操作員分開、在焊炬26上或其某一組合。
在一些實施例中，傳感器可用以確定運動的存在等多個方面。在一些實施例中，可使用傳感器確定針對焊接工藝的改變的各種姿勢。例如，圖5說明可用以控制焊接系統10的姿勢控制過程90的流程圖。焊接系統10接收辨認的姿勢(塊92)。在一些實施例中，各種姿勢可被預先編程到電力供應器控制電路系統30和/或送絲器控制電路系統28內，或稍後使用焊炬26獲悉。例如，姿勢可包括水平揮動(例如，左或右)、垂直揮動(例如，上或下)、圓周運動(例如，順時針或逆時針環圈)、扭轉(例如，焊炬26的順時針或逆時針旋轉)或可由傳感器辨認的其他姿勢。換句話說，可分析由傳感器產生的原始數據以確定操作員處於某些姿勢使用焊炬26的時間。在一些實施例中，姿勢可在傳達到電力供應器控制電路系統30和/或送絲器控制電路系統28前由預處理器(例如，在某些實施例中，數據融合單元70)分析。換句話說，在此類實施例中，原始數據可由數據融合單元70分析，且數據融合單元70將辨認的姿勢發射到電力供應器控制電路系統30和/或送絲器控制電路系統28。在其他實施例中，電力供應器控制電路系統30和/或送絲器控制電路系統28可分析來自傳感器的原始數據以辨認姿勢。
在接收到辨認的姿勢時，電力供應器控制電路系統30和/或送絲器控制電路系統28改變對應的焊接工藝參數(塊94)。例如，如果辨認出迅速的左或右揮動，那麼電力供應器控制電路系統30和/或送絲器控制電路系統28可減小或增大對應的焊接參數，例如，用於MIG焊接的電壓或用於屏蔽金屬電弧焊(SMAW)和鎢惰性氣體(TIG)焊接的電流。另外或替代地，焊接參數可包括用於碳弧刨削(CAG)工藝、等離子切割或焊接工藝的電流，或用於電源的工具斷電輔助輸出(例如，研磨機或泵)的電流。在一些實施例中，辨認的姿勢可使電力供應器經由多個狀態展開進度。
另外或替代地，如果辨認出順時針圓周運動或順時針扭轉，那麼可接通電力供應器16的發動機，而對應的逆時針運動可關斷電力供應器發動機。此類姿勢和相關聯的動作僅僅為示例性，且並不意在限制性。也可以使用其他姿勢和所得動作。
圖6說明可在圖1的焊接系統10中使用的焊炬100的實施例的立體圖。焊炬100包括用於焊接操作員在執行焊接時握持的柄102。在第一端104，柄102耦連到電纜106，其中將焊接消耗品供應到焊接件。焊接消耗品通常行進通過柄102，且在與第一端104相對的第二端108處退出。焊炬100包括延伸出端部108的頸部110。因而，頸部110耦連於柄102與噴嘴112之間。應注意到，當按壓或致動觸發器111時，焊絲行進通過電纜106、柄102、頸部110和噴嘴112，使得焊絲延伸出噴嘴112的端部114(即，焊炬尖端)。
如所說明，經由緊固件116和118將柄102緊固到頸部110，且經由緊固件120和122將柄102緊固到電纜106。示出了噴嘴112，去除噴嘴112的一部分以展示延伸出導引或接觸尖端126(或其他導引裝置)的焊絲124。導引尖端126用以將焊絲124導引出焊炬100的端部114。雖然圖示說明一種類型的焊炬100，但任何合適類型的焊炬可包括指示器128。例如，具有指示器128的焊炬可被配置用於屏蔽金屬電弧焊(SMAW)、氣體鎢電弧焊(GTAW)、氣體金屬電弧焊(GMAW)等等。
焊炬100也可包括可檢測焊炬100的或在焊炬100附近的運動的一或多個運動傳感器130(例如，加速度計)。如上所述，通過檢測經由焊炬100的運動，焊接系統10可接收活動或非活動的指示以控制對應的電力管理過程。換句話說，通過依賴於傳感器130，焊接系統10可在實際需求(例如，觸發器111的致動)前通過增加電力產生在需要時產生電力，由此使焊接系統10能夠在非活動期間減少電力，而無在電力需求與電力的可用性之間的顯著滯後。例如，當傳感器130檢測到運動時，電力供應器16可預料到觸發器111的按下而提供電力。
雖然前述論述主要論述用於焊炬的運動感測，但一些實施例可包括用於其他工具或附件的運動感測。例如，可將運動感測用於與焊接型工藝相關聯的任何焊接型工具或附件。在本文中使用時，焊接型指與焊接有關的任何工藝，例如，焊接、切割或刨削。此外，焊接型工具或附件可為在此類工藝中使用的任一工具或附件。例如，焊接型工具可包括焊炬、電極夾持器、機械加工工具或可在焊接型工藝中使用的其他類似工具。此外，焊接型附件可包括頭盔、外套、手套或可在焊接型工藝中使用的其他設備。
雖然已在本文中僅說明和描述了本發明的某些特徵，但所屬領域的技術人員可想到許多修改和改變。因此，應理解，所附權利要求書旨在涵蓋屬於本發明的真實精神內的所有此類修改和改變。