产生焊接的系统及利用基于计算的焊接输出功率的电压和送丝速度的修正控制焊机的方法
【专利摘要】本发明提供一种用于计算功率输出（步骤320）以及协调电压和送丝速度的减少（步骤328）的系统和方法；如果计算的功率输出超过了供电能力（步骤322）。
【专利说明】产生焊接的系统及利用基于计算的焊接输出功率的电压和送丝速度的修正控制焊机的方法
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求2011年5月26日提交的美国临时专利申请N0.61/490, 329的权益，其全部内容通过引用结合于此。
【背景技术】
[0003]本申请通常涉及一种焊接系统。
【发明内容】
[0004]提供一种用于计算功率输出以及协调电压和送丝速度的减少的系统和方法；如果计算的功率输出超过了供电能力。
[0005]在对参考附图的下面的描述以及所附的并且形成本说明书的一部分的权利要求进行阅读之后，本申请的进一步的目的、特征和优点对于本领域技术人员将容易变得明显。
【专利附图】
【附图说明】
[0006]此处描述的附图仅用于说明的目的，并且不旨在以任何方式限制本公开的范围。
[0007]图1是焊接系统的示意图；
[0008]图2是用于焊接系统的界面的示意图；
[0009]图3是显示减少电压和送丝速度的方法的流程图；
[0010]图4为用于执行本文描述的方法的处理系统的示意图。
[0011]应当理解，在全部附图中对应的附图标记表示相似或对应的部件和特征。
【具体实施方式】
[0012]本文中使用的关于量(quantity)或数学关系的术语“大致上”包括(I)在列举的量或与列举的量有不明显的差别的数量(amount)的关系或用于预期目的或功能的关系中的变化，或者(2)在列举的量或产生相同特性的数量的关系中的变化。
[0013]现在参考图1，提供了用于焊接系统100的电源。电源110接收输入功率112，其可以是例如220伏特AC输电线的交流输电线。但是，应当理解，电源110能够适合于接收一定范围的电压，例如在187至276伏特AC之间。此外，还可以基于应用和所需的焊接输出功率将电源配置为其他电压范围。电源110提供可用作焊接输出功率116的直流电源输出电压114。在一些实施中，电源110可以用作棒焊接(也称为保护式金属电弧焊接或SMAW)或各种其他焊接应用，比如MIG (金属惰性气体，也称为气体保护金属极电弧焊接或GMAW)、药芯焊丝电弧焊接、TIG (钨极惰性气体保护焊接，也称为气体保护钨极电弧焊接或GTAW)、等离子电弧或其他焊接技术。因此，在一个实例中，焊接输出功率116的电流返回引线可以提供至待焊接的部件118，并且供应电压可以提供至电极，例如焊棒(stick) 120或焊丝(wire)122。因此，由于焊棒120与部件118接触，因此电弧可以形成，其熔化基底金属和电极并且配合以形成焊接。在其他实施中，输出电压可以通过焊丝122提供，其中焊丝122可以持续地供给至部件以形成连续焊接。在TIG模式中不熔化电极，而是通常仅熔化基底金属。
[0014]电源110可以控制输出电压和输出电流以及焊丝的供给，从而优化焊接过程。另夕卜，电源Iio可以连接至一组配件124，该配件124包括例如远程送丝器126、拉丝焊枪(spool gun) 128或推式/拉式焊枪130。此外，电源110可以例如通过8引脚连接器连接至另一组配件132。第二组配件132可以包括MIG焊枪134、智能焊枪136、脚踏开关138、挂件(pendant) 140、TIG焊枪142和/或远程控制/触发器144。
[0015]在电源110内，输入功率112可以提供至断路器或开关154。电力可以从断路器154提供至电源电路150。电源电路150可以调节输入功率以提供焊接输出功率116以及用于为各个附加的配件提供电力以维持焊接过程。电源电路150还可以与控制电路152通讯。控制电路152可以允许用户控制各个焊接参数，以及提供各个控制信号至电源电路150从而控制焊接过程的各个方面。来自断路器154的电力可以提供至电源电路150的EMI滤波器156。电力从EMI滤波器156被提供至输入电桥158。电力可以从输入电桥158提供至调理电路162。调理电路162可以包括升压电路、变压器以及功率因数校正电路。电力从调理电路162提供至逆变器160，其中电力转换为DC信号114从而提供焊接输出功率116。电力也可以提供至偏置电路170，以便为电源110的多个内部或外部配件提供电力，促进电源的操作和焊接过程。例如，偏置电路170可以提供电力至气体电磁阀172、风扇174以及其他配件设备。此外，将电力提供至与马达166通讯的马达驱动电路164。马达166可以与配置成将焊丝122供给至用于产生焊接的焊枪的供给机构168通讯。控制电路152可以将控制信号提供至电源电路150中的前述任意电路，以便优化焊接过程和电源110的性能。控制电路152可以包括脉宽调制器182和处理器184，用于根据用户设置以及各个反馈信号分析各个焊接特性并且计算各个焊接参数。此外，接口电路186可以提供为控制显示器188，该显示器188可以为焊接系统的用户提供信息。显示器188可以包括LED显示器、IXD显示器或各个其他已知的显示器技术。显示器可以将各个菜单选择提供给用户，以及提供在焊接过程中的各种反馈，该各种反馈包括各个参数的值或者之前焊接特性的图形。控制装置190也可以与接口电路186通讯，以允许用户提供比如各个焊接参数的输入从而控制焊接过程的操作。
[0016]电源110可以进一步包括减压设备(VRD)电路192，检测待焊接的部件118和电极之间的接触的低电源电路。当在电极和工件之间检测到开路条件时，VRD电路192可以将最大开路电压降低至安全水平。当产生接触和/或负载低于阈值电阻时，VRD电路192可以不再降低电压，并且从而可以允许焊接系统100以全功率操作。VRD电路192可以与定时器194通讯。定时器194可以实施为作为控制电路152的部分的软件，或者可以由电子电路构成。
[0017]现在参考图2，界面200的特定实施设置为可以包括可由用户选择的各个输入以及各个指示器和显示器。当电源110接收输入功率112时，电源指示器210可以指示。当焊接过程已经处于故障条件时，故障灯220可以指示。当VRD为接通时VRD “开”指示器230可以指示，并且当VRD为断开时VRD “关”指示器232可以指示。
[0018]模式选择输入240可以允许用户选择需要的焊接过程。模式选择输入240可以为当按压时导致电源100循环通过的按钮并且选择焊接过程。三个焊接过程指示器242、244、246可以分别点亮例如MIG、TIG或棒焊接的选择。MIG选择为气体保护金属极电弧焊接和药芯焊丝电弧焊接提供了适合的配置。
[0019]触发联锁输入270可以允许用户为经由电子开关激活的MIG、TIG和棒焊接在2T和4T模式之间选择。2T模式允许用户推动和保持开关来激活，并且释放开关来停用。4T模式允许用户推动和释放开关来激活，然后再次推动和释放开关来停用。当选择2T模式时指示器272可以点亮，而当选择4T模式时指示器274可以点亮。
[0020]安培数输入252可以允许用户选择需要的输出电流。送丝速度输入254可以允许用户选择焊丝122的需要的送丝速度。需要的送丝速度可以为需要的稳态送丝速度。在一些实施中，输入250和252可以结合到可调节旋钮中。用户可以按压调节旋钮以在输入252和254之间循环，并且之后旋动调节旋钮以选择需要的电流或送丝速度的值。所选择的需要的值可以显示在显示器250上，其可以为超亮红色LED显示器。
[0021]电压输入262可以允许用户选择焊接信号的需要的输出电压。电感输入264可以允许用户选择需要的电感，例如可以优化焊缝特性。电弧力输入266可以允许用户选择需要的电弧力性质。下坡输入268可以允许用户选择下坡时间，其为输出电流的下坡速率的函数。在一些实施中，输入262、264、266和268可以结合到可调节旋钮中。用户可以按压调节旋钮以在输入262、264、266和268之间循环，并且之后旋动调节旋钮以选择电压、电感、电弧力或下坡的需要的值。所选择的需要的值可以显示在显示器260上，其可以为超亮红色LED显示器。
[0022]高级特征输入280可以允许用户通过各个进一步的输入而选择菜单或切换(toggle)，其显示在显示器250和260上。MIG焊接主菜单可以为操作控制、预流程(pre-flow)、点焊开/关、点焊时间、缝合开/关(stitch on/off)、缝合时间、停顿时间、进丝(run-1n)百分比、后流程(post-flow)、回烧时间、焊丝尖(wire sharp)和/或设置子菜单提供输入。设置子菜单可以为送丝单元、安培数校准、电压校准、焊丝速度校准、电弧计时(arc hour)显示器、VRD (开、关或被触发)、全部焊接能量(用于热输入计算)和/或出厂默认值提供输入。棒焊接主菜单可以为操作控制、热开始开/关、热开始时间、热开始安培数和/或设置子菜单提供输入。设置子菜单可以为电弧计时显示器、VRD禁用和出厂默认值提供输入。TIG主菜单可以为操作控制、预流程、后流程和设置子菜单提供输入。设置子菜单可以为电弧计时显示器、VRD禁用和出厂默认值提供输入。
[0023]回烧时间可以指可调节的时间段，其中在送丝停止之后电源110可以为焊接过程提供电力以便回烧焊丝并且防止其附着在熔池中。焊丝尖指的是应用于焊丝的预定电流输出的应用，例如在马达166断电之后一系列快速的强大的电流脉冲。这阻止了熔化的金属球凝固在焊接焊丝的末端上，并且使焊接焊丝的末端逐渐缩小至尖的点，当焊接重新开始时促使更干净的开始。当检测到开路时或者在达到预定时间或条件之后，终止电流输出。进丝百分比指的是送丝速度的百分比。百分比可以是例如从送丝速度的大约25%到大约150%的范围。进丝设置可以例如允许用户暂时地改变所选择的送丝速度以优化MIG焊接开始特性。
[0024]控制电路152可以分别接收与每个输入相关联的每个量。此外，虽然上面的输入显示在特定实施中，但是每个输入可以配置为例如刻度盘、调节旋钮、按钮或开关。此外，在一些实施中，一些输入可以通过控制电路152自动地进行选择。哪一个输入自动选择并且哪一个输入为用户可选择的可以取决于所选择的焊接过程。在一些实施中，一些参数(例如焊丝直径、材料、气体和联结设计)可以不被编程到控制电路152中。
[0025]系统还可以配置为气体保护金属极电弧或药芯焊丝电弧焊接。电压和送丝速度可以为气体保护金属极电弧或药芯焊丝电弧焊接机器的主要控制信号。电压和送丝速度可以自动地一致地减少，从而确保焊接操作能够不被中断的完成。在一些实例中，电压和送丝速度可以成比例地或者根据预定义的关系(比如线性关系:电压=(比例*送丝速度)+偏移)减少。但是，在一些实施中，预定义关系可以为指数、二次方程，或者可以遵循其他函数。
[0026]为了完成功率的特定减少，控制电路例如根据查询表或计算来确定电压减少，并且例如根据查询表或计算来确定送丝速度的减少，从而基于需要的功率减少来维持电压和送丝速度之间的关系。即使当用户设置或者技术在其他方面将造成功率输出超过焊接电源的能力时，系统可以减少电压和送丝速度。协调的减少可以被确定(scaled)，从而以防止或减轻不稳定性的方式抵消瞬时功率超量。
[0027]在一些实施中，电压和送丝速度的关系可以基于焊丝直径、焊丝类型、保护气体混合物以及通电未熔合(electrical stickout)进行确定。但是,在本申请其他地方讨论的相同的方式中，如果计算的功率输出超过功率阈值(比如电源能力)，系统可以控制电压、送丝速度、焊丝直径、焊丝类型、保护气体混合物或者通电未熔合的结合中的一个或多个。
[0028]在一些实施中，系统使用软件来自动地减少送丝速度和电流，但是利用电子电路或专用集成电路也可部分或完全完成反馈。标称的功率输出微分(differential)可以关联于电压微分，并且也可以关联于单独的送丝速度微分。关系可以定义在绝对单位(例如:伏特每千瓦，或英寸-每-分钟每kW)中，或者相对关系(例如:用户选择的电压或送丝速度每kW的百分比)中。在一些实施中，设置可以优化为0.035英寸焊丝。此外，输出功率可以计算为测量的焊接电压和电流的短期平均的乘积。但是，在一些实施中，系统也可以基于电压和电流的瞬时测量来计算输出功率。当计算的输出功率开始超过电源能力时，减少电压和送丝速度以抵消计算的超量功率损耗。因此，系统可以将输出功率与预定义功率阈值进行比较，并且基于功率输出修正电压和送丝速度。因为GMAW和FCAW输出电流主要为送丝速率的函数，因此电压和送丝速度的暂时减少缩减了电压和电流，并且从而在改变之后片刻减小了输出功率。在一些实施中，比例-积分-微分(PID)控制方案可以合并至反馈回路中以进一步提高稳定性或响应。为了确保电压和送丝速率的减少不损害合格的焊接程序，减小的输出功率的可视警告被指示在显示器上，例如经由LED显示器上的消息。警告可以基于功率阈值、减小的电压，和/或减小的送丝速度来触发。但是，其他警告可以配置有其他可视装置或配置有听觉、振动或其他感觉提示。迟滞现象可以用在错误显示中以确保乱真事件不会造成假-阳性警告。
[0029]在一些实施中，PID回路被使用并且可以在软件中实现。另外，来自微处理器的模拟输出管理来自开关电源的电压，并且来自相同控制器的PWM输出管理送丝速度。控制信号还可以利用模拟反馈电路元件建立，并且可以应用至大多数电源拓扑。
[0030]GMAW或FCAW电源和馈线的包括电压、送丝速度和电感的主要设置可以配置为适应电极、气体、基础材料、焊接位置和联结设计的大范围变化。因此，控制装置通常可以被随便或谨慎地设置，超过焊接电源的额定功率容量。
[0031]一些焊接机器设计在过载时可以突然停止操作。其他设计可以显示出输出参数的振荡或长期退化，一些时候对于有潜在危害的焊接特性没有指示。但是，当操作者选择的设置的结合(可能受焊接技术和环境因素的变化的影响)不能通过焊接电源传递时，本文描述的设计允许操作者继续具有稳定输出并且没有讨厌的中断的焊接。如果机器不能够供应足够的电力以匹配选择的电压和送丝速度，则突出地显示警告以警告操作者。如果减少的输出损害了强度、安全性或认证，则专业焊工可以选择重做焊件。如果选择的电压和送丝速度不是焊接程序中的重要变量，则全部有能力的焊工具有忽视警告的选择。
[0032]现在参考图3，提供了用于协调电压和送丝速度的减小的方法300。方法开始于方框310，并且在方框320中确定计算的功率输出。在方框322中，系统确定计算的输出是否超过了功率阈值(例如，供电能力)。功率阈值可以为高阈值或低阈值，并且可以由用户确定。如果计算的功率输出没有超过功率阈值，则方法沿着线324至方法继续的方框320。如果计算的功率输出超过了功率阈值(比如供电能力)，则方法沿着线326至方框328。在方框328中，系统协调电压和送丝速度的减少。如上所述，电压和送丝速度的减少可以根据预定义关系进行控制。因此，适合的电压可以根据功率的减少进行选择。此外，适合的送丝速度可以根据功率的减少进行选择，以及保持与电压的适当关系。在一个实施中，对于每千瓦的超量功率，输入设置将减少2.9伏特和26英寸每分钟。然后方法沿着方框330至方法继续的方框320。
[0033]描述的任意的控制器、控制电路、模块、服务器或发动机可以在一个或多个计算机系统或集成控制器中实施。图4中提供了一种示例性系统。计算机系统1000包括用于执行指令(例如上述方法中描述的那些指令)的处理器1010。指令可以存储在计算机可读介质中，比如存储器1012或存储设备1014，例如磁盘驱动器、⑶或DVD、或者存储在处理器的内部或外部的一些形式的非易失存储器中(比如EPROM或闪存)。计算机可以包括显示控制器1016，其响应于指令以在显示设备1018 (例如，计算机显示器)上生成文本或图形的显示。此外，处理器1010可以与网络控制器1020通讯以将数据或指令传达至其他系统，例如其他通用计算机系统。网络控制器1020可以在以太网或其他已知协议上通信，从而在各种网络拓扑上(包括局域网络、广域网络、因特网或其他常用网络拓扑)分布处理或提供对信息的远程访问。
[0034]在其他实施方案中，专用硬件实施(比如专用集成电路、可编程逻辑阵列以及其他硬件设备)能够构造为实施本文描述的一个或多个方法。可以包括各个实施方案的装置和系统的应用能够概括地包括多种电子和计算机系统。本文描述的一个或多个实施方案可以利用具有能够在模块之间或通过模块通讯的相关控制和数据信号或者作为专用集成电路的部分的两个或多个特定相互连接的硬件模块或设备来实现功能。因此，本系统包含了软件、固件和硬件实施。
[0035]根据本公开的各个实施方案，本文描述的方法可以通过可由计算机系统或处理器执行的软件程序来实施。此外，在一个示例性、非限制性实施方案中，实施可以包括分布式处理、组件/对象的分布式处理以及并行处理。可替代地，虚拟计算机系统处理可以构造为实施如本文所描述的一个或多个方法或功能。
[0036]此外，本文描述的方法可以体现在计算机可读介质中。术语“计算机可读介质”包括单一介质或多个介质，例如集中或分布式的数据库，和/或存储一组或多组指令的相关联的缓存和服务器。术语“计算机可读介质”还应该包括能够存储、编码或携带通过处理器执行的一组指令，或者使计算机系统执行本文公开的任意一个或多个方法或操作的任意介质。
[0037]本领域技术人员将容易理解，上述描述意味着本发明的原理的说明。该描述不旨在限制本发明的范围或应用，在不背离如所附的权利要求限定的本发明的精神的情况下，本发明易于受到修改、变化和改变的影响。
【权利要求】
1.一种用于产生焊接的系统，所述系统过包括: 电源电路，所述电源电路用于产生焊接输出功率； 控制电路，所述控制电路与所述电源电路通讯，以便基于计算的焊接输出功率来修正电压和送丝速度。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述电压和送丝速度成比例地减少。
3.根据权利要求1所述的系统，其中所述电压和送丝速度根据预定义关系而减少。
4.根据权利要求1所述的系统，其中确定电压和送丝速度的减少，使得以减轻电压的振荡或周期变化的方式抵消瞬间功率超量。
5.根据权利要求1所述的系统，其中确定电压和送丝速度的减少，使得以减轻送丝速度的振荡或周期变化的方式抵消瞬间功率超量。
6.根据权利要求1所述的系统，其中确定电压和送丝速度的减少，使得以减轻电流的振荡或周期变化的方式抵消瞬间功率超量。
7.根据权利要求1所述的系统，其中确定电压和送丝速度的减少，使得以减轻功率的振荡或周期变化的方式抵消瞬间功率超量。
8.根据权利要求1所述的系统，其中确定电压和送丝速度的减少，使得以减轻以电压、送丝速度、电流或功率中的一个或多个的振荡或周期变化的方式抵消瞬间功率超量。
9.根据权利要求1所述的系统，其中电压和送丝速度的减少取决于与电压微分关联的标称功率输出微分。
10.根据权利要求1所述的系统，其中电压和送丝速度的减少取决于与电压微分关联并且还与单独的送丝速度微分关联的标称功率输出微分。
11.根据权利要求1所述的系统，其中所述控制电路根据测量的焊接电压和电流的短期平均值的乘积计算输出功率。
12.根据权利要求1所述的系统，其中所述控制电路基于电压和电流的瞬时测量值计算输出功率。
13.根据权利要求1所述的系统，其中所述控制电路将功率输出与预定义功率阈值进行比较，并且基于功率输出修正电压和送丝速度。
14.根据权利要求1所述的系统，其中所述控制电路执行比例-积分-微分(PID)控制方案，从而提高电压和送丝速度的稳定性或响应。
15.根据权利要求1所述的系统，其中所述控制电路提供减少的输出功率的警告。
16.一种用于控制焊机的方法，所述方法包括: 计算功率输出； 确定计算的输出是否超过功率阈值； 如果计算的功率确实超过了所述功率阈值，协调电压和送丝速度的减少。
17.根据权利要求16所述的方法，其中电压和送丝速度成比例地减少。
18.根据权利要求16所述的方法，其中电压和送丝速度根据预定义关系而减少。
19.根据权利要求16所述的方法，其中确定电压和送丝速度的减少，使得以减轻电压的振荡或周期变化的方式抵消瞬间功率超量。
20.根据权利要求16所述的方法，其中确定电压和送丝速度的减少，使得以减轻电压、送丝速度、电流或功率中的一个或多个的振荡或周期变化的方式抵消瞬间功率超量。
【文档编号】B23K9/10GK103747912SQ201280037070
【公开日】2014年4月23日 申请日期:2012年5月25日 优先权日:2011年5月26日
【发明者】R·H·兰伯特, G·H·帕特南 申请人:热动力公司