用于通过焊接气体管线进行通信的系统和方法与流程

背景技术：

本公开总的来说涉及无线通信，并且更明确地说，涉及用于利用焊接系统的焊接气体管线进行的无线通信的系统和方法。

焊接是一种已在各种行业和应用中越来越多地被使用的工艺。这些工艺在某些情形下可以是自动化的，但是对手动焊接操作来说，继续存在大量应用。在两种状况下，这些焊接操作依赖于各种类型的设备(例如，装置)之间的通信，以确保焊接操作被适当地执行。

某些焊接系统可包含使用有线通信而相互通信的装置，而其它焊接系统可包含使用无线通信而相互通信的装置。焊接系统的装置之间的无线通信可受沿着装置之间的通信路径设置的物体(例如，墙壁)、装置之间的距离或其它附近无线通信系统影响。利用一根或更多根专用通信电缆进行的焊接系统的装置之间的有线通信给焊接系统增大体积，并且焊接电缆可在焊接期间并不用于通信。

技术实现要素：

在下文概述范围与本公开相称的某些实施例。这些实施例不希望限制本公开的范围，而实际上，这些实施例仅希望提供本公开的可能形式的简要概述。实际上，本公开可涵盖可类似于或不同于下文所阐述的实施例的各种形式。

在另一实施例中，一种焊接系统包含：气体管线，耦接到焊接系统的部件；以及第一气体管线换能器，耦接到气体管线。气体管线被配置成在焊接系统的部件之间输送气体。第一气体管线换能器被配置成经由通过气体管线传输的无线电信号而通信。

在另一实施例中，一种焊接系统包含：焊接系统的第一部件，具有通信电路和气体端口。气体端口被配置成输送用于焊接或切割操作的气体。焊接系统还包含：第一气体管线换能器，耦接到通信电路。第一气体管线换能器被配置成将无线电信号传输到气体端口中，第一气体管线换能器被配置成从焊接系统的第二部件接收无线电信号，并且所接收的无线电信号由耦接到气体端口的气体管线输送。

在另一实施例中，一种在焊接系统的部件之间通信的方法包含：将无线电信号传输到耦接在焊接系统的部件之间的气体管线中；在气体管线的第一端与第二端之间在气体管线内内反射无线电信号的一部分；以及接收无线电信号的所述部分。无线电信号接近气体管线的第一端而传输到气体管线中。所接收的无线电信号对应于焊接系统的部件的数据设定。

附图说明

当参照附图阅读具体实施方式时，本公开的这些和其它特征、方面和优点将变得更好理解，其中在全部附图中，相同附图标记表示相同部分，其中：

图1图示焊接系统的实施例，其中所述焊接系统具有用于气体管线通信的无线通信换能器；

图2图示具有无线通信换能器的气体管线的实施例的横截面图；

图3图示气体管线的无线通信换能器和气体管线配件的实施例；以及

图4图示无线通信换能器和气体管线的实施例。

具体实施方式

下文将描述本公开的一个或更多个具体实施例。这些所描述的实施例仅是本公开的实例。此外，为了提供对这些实施例的简明描述，在本说明书中可能不描述实际实施方案的所有特征。应了解，在任何此类实际实施方案的开发中，如在任何工程或设计计划中，必须做出众多实施方案特定决策来实现开发者的特定目标，例如，符合系统相关和商业相关的约束条件，所述约束条件可在实施方案间有所不同。此外，应了解，此类开发工作可能是复杂和费时的，但是仍然将是可受益于本公开的一般技术人员进行设计、构造和制造的例行工作。

参照附图，图1图示根据本公开的方面的焊接系统10(例如，熔化极气体保护电弧焊(gmaw)系统)的实施例，其中焊接电力单元12以及一个或更多个焊接装置14可被一起利用。应理解，虽然本论述可具体着重于图1所图示的gmaw系统10，但当前公开的方法可用于使用具有气体管线的任何电弧焊工艺(例如，fcaw、fcaw-g、gtaw(即，tig)或类似电弧焊工艺、等离子体切割)的系统中。此外，虽然本申请具体与焊接装置之间的通信相关，但本文所提供的通信方法可应用到与气体管线一起利用的任何两个装置。

如图示，焊接系统10包含焊接电力单元12、焊接装置14(例如，送丝机、远程装置、悬架式操纵台、遥控器、焊接传感器)、供气系统16和焊炬18。在一些实施例中，焊接装置14包含气动工具，例如研磨机、u型钉器、击钉器、钻机等。焊接电力单元12通常对焊接系统10供应焊接电力(例如，电压、电流等)，并且焊接电力单元12可经由电缆束20而耦接到焊接装置14并且使用具有线夹26的工作电缆24而耦接到工件22。工作电缆24可与电缆束20集成或分开。

焊接电力单元12可包含电力转换电路28，其中电力转换电路28从电源30(例如，ac电网、发动机/发电机组或其组合)接收输入电力，调节所述输入电力，并经由电缆束20而提供dc或ac输出电力。因此，根据焊接系统10的需要，焊接电力单元12可为焊接装置14供电，而焊接装置14转而为焊炬18供电。端接在线夹26中的工作电缆24将焊接电力单元12耦接到工件22，以闭合在焊接电力单元12、工件22和焊炬18之间的电路。电力转换电路28可包含能够如焊接系统10的要求所指示而将ac输入电力转换为直流正接(dcep)输出、直流反接(dcen)输出、dc变极性、脉冲式dc或可变平衡(例如，平衡或不平衡的)ac输出的电路元件(例如，变压器、整流器、开关、升压转换器、降压转换器等)。

所图示的焊接系统10包含供气系统16，其中供气系统16将气体或气体混合物从一个或更多个保护气体源32供应到焊炬18。供气系统16可经由气体管线34而直接耦接到焊接电力单元12、焊接装置14和/或焊炬18。具有分别耦接到一个或更多个气体源32的一个或更多个阀门的气体控制系统36可调节气体从供气系统16到焊炬18的流动。气体控制系统36可与焊接电力单元12、焊接装置14或供气系统16或其任何组合集成。也就是说，从供气系统16接收气体的焊接系统10的部件可经由气体控制系统36而控制穿过相应部件的气体的流动。

如本文所论述，从供气系统16供应的气体可表示可被提供到电弧和/或焊接熔池以便提供特定局部气氛(例如，用于保护电弧、提高电弧稳定性、限制金属氧化物的形成、改进金属表面的润湿、更改焊接沉积物相对于填料金属和/或底料金属的化学性质、形成等离子体切割电弧，等等)的任何气体或气体混合物。通常，气体是在焊接或切割时提供，并且气体可在焊接前一刻开启和/或在焊接后持续较短时间。气体流可包含(但不限于)氩气(ar)、氦气(he)、二氧化碳(co2)、氧气(o2)、氮气(n2)、类似的适当保护气体、其任何混合物或可呼吸气体。例如，气体流(例如，经由气体管线34而输送)可包含ar、ar/co2混合物、ar/co2/o2混合物、ar/he混合物等。气体流可由一个或更多个储罐提供。在一些实施例中，供气系统16包含被配置成压缩周围环境的空气流以作为气体流提供的压缩机。

在一些情形下，可以有用的是，监视与操作员健康相关的某些环境和/或操作员读数(例如，生物特征读数)。因此，传感器37(例如，温度传感器、气体组成传感器、光传感器)可耦接到焊接电力单元12、焊接装置14、供气系统16或焊炬18，或其任何组合。例如，传感器37可另外包含设置在操作员39上的生物特征传感器37，例如，脉搏血氧量传感器、温度传感器、“健康”类型传感器(例如，心率、活动监视仪)等。传感器37可包含通信地耦接到焊接系统10的一个或更多个部件的通信电路46的无线和/或有线传感器。以此方式，与焊接操作员37相关的环境和/或健康数据(例如，生物特征读数)可在焊接系统10内传达。在一些实施例中，焊接装置14是具有一个或更多个传感器37的焊接头盔41。此外，焊接头盔41可从供气系统16接收可呼吸气体(例如，周围空气、氧气、氧气/氮气混合物)。

在所图示的实施例中，焊接装置14经由电缆束38而耦接到焊炬18，以便在焊接系统10的操作期间将耗材(例如，气体、焊丝)和焊接电力供应到焊炬18。在另一实施例中，电缆束38可仅将焊接电力提供到焊炬18。在操作期间，可使焊炬18靠近工件22，以使得电弧40可在耗材焊接电极(即，离开焊炬18的接触焊嘴的焊丝)与工件22之间形成。如下文详细地论述，耦接到气体管线34的气体管线传感器可使得能够在焊炬18的操作期间(例如，当形成电弧40时)在焊接系统10的部件之间进行通信。

焊接系统10被设计成允许数据设定(例如，焊接参数、焊接工艺等)由操作员选择或输入(明确地说，经由焊接电力单元12上所设置的操作员接口42)。操作员接口将通常并入到焊接电力单元12的前面板中，并且可允许选择设定。所选择的设定被传达到焊接电力单元12内的控制电路44。下文更详细地描述的控制电路44操作以控制从焊接电力单元12输出的焊接电力的产生，其中焊接电力由电力转换电路28施加到焊丝以执行期望焊接操作。控制电路44可至少部分基于经由操作员接口42而接收的数据设定、经由焊接电力单元12的通信电路46而接收的数据设定或其任何组合来控制电力转换电路28。如下文详细地论述，经由通信电路46而接收的数据设定可以是经由与一个或更多个联网装置(例如，另一焊接电力单元12、焊接装置14、供气系统16、焊炬18、传感器、工作站、服务器等或其任何组合)的有线和/或无线连接来接收。如下文详细地论述，焊接系统10的部件中的一个或更多个可包含通信电路46以便于焊接系统10的部件之间的通信。例如，焊接电力单元12、一个或更多个焊接装置14、供气系统16和焊炬18可各自具有通信电路46。在一些实施例中，通信电路46和操作员接口42可使数据设定(例如，送丝速度、焊接工艺、电流、电压、电弧长度、功率电平)能够在焊接系统10的一个或更多个部件(例如，焊接电力单元12、一个或更多个焊接装置14、供气系统16、焊炬18或其任何组合)上被设定。此外或或者，存储器和/或数据库中所存储的数据设定可从计算机、工作站、服务器或其任何组合传输到通信电路46。

一个或更多个焊接装置14的装置控制电路48可控制相应焊接装置14的各种部件。在一些实施例中，装置控制电路48可从焊接装置14的操作员接口42接收输入和/或从焊接装置14的通信电路46接收输入。一个或更多个焊接装置14可包含送丝机，其中所述送丝机具有受装置控制电路48控制的送丝组件50。送丝组件50可包含(但不限于)电动机、驱动轮、卷轴、电力转换电路或其任何组合。装置控制电路48可针对期望焊接应用根据经由操作员接口42或通信电路46接收的输入而控制焊丝从卷轴到焊炬18的送给。在一些实施例中，焊接装置16的操作员接口42可使操作员能够选择一个或更多个焊接参数，例如，送丝速度、所利用的焊丝的类型、电流、电压、功率设定等。

在焊接应用期间，来自焊接电力单元12的电力通常通过耦接到焊炬18的电缆束38的焊接电缆54而施加到电极52(例如，焊丝)。类似地，气体经由气体管线34可穿过电缆束38而送给到焊炬18。在一些实施例中，在焊接操作期间，焊丝42穿过电缆束38朝向焊炬18推进。当焊炬18上的扳机开关56被致动时，焊炬18中的通信电路46可被配置成将信号(例如，经由气体管线通信)提供到焊接电力单元12、焊接装置14或供气系统16或其任何组合，因此使焊接工艺能够由操作员开始和停止。也就是说，在扳机开关56的按压之后，气体流动开始，焊丝可被推进，并且电力被施加到焊接电缆54并穿过焊炬16以进行焊接应用。在一些实施例中，焊炬18中的通信电路46可在焊接应用期间促进焊炬18与焊接系统10的其它部件之间的通信。

焊接系统10的部件可如本文所论述经由气体管线通信而相互通信。第一部件(例如，焊接电力单元12、焊接装置14、供气系统16、焊炬18)的通信电路46可经由气体管线换能器58而与第二部件(例如，焊接电力单元12、焊接装置14、供气系统16、焊炬18)的通信电路46通信，其中气体管线换能器58耦接到设置在第一部件与第二部件之间的气体管线34。例如，接近焊炬18而设置在气体管线34的第一端62附近的第一气体管线换能器60可经由气体管线34与接近焊接电力单元12而设置在气体管线34的第二端66附近的第二气体管线换能器64通信。气体管线换能器58可经由气体管线34而传输和/或接收无线电信号，其中气体管线34用作波导以在气体管线换能器58之间引导无线电信号。也就是说，第一气体管线换能器60可朝向气体管线34的内部68传输无线电信号，其中气体管线34的内部68内反射可由第二气体管线换能器64接收的无线电信号的至少一部分。气体管线换能器58可在气体管线34内在气体流70的相同或相反方向上通信。此外，气体管线换能器58可通信，而不管气体实质上停滞还是流经气体管线34。在一些实施例中，每一气体管线换能器58可传输和接收无线电信号。

气体管线换能器58可使用一种或更多种类型的无线通信标准(例如，基于ieee802.11x的wi-fi无线标准、ieee802.15.1蓝牙无线标准、ieee802.15.4zigbee^tm无线标准、蜂窝网络标准或任何其它无线通信标准)而通信。例如，蜂窝无线通信信道可经由包含(但不限于)码分多址(cdma)标准、全球移动通信系统(gsm)标准或其任何组合的标准而通信。气体管线换能器58可经由具有介于约3mhz到45ghz之间、约2ghz到40ghz之间或约28ghz到35ghz之间的频率的无线信号而通信。

如上文所论述，通信电路46可便于焊接系统10的部件之间的数据设定(例如，焊接参数、送丝速度、所利用的焊丝的类型、电流、电压、功率设定)的传达。焊接系统10的气体管线换能器58可经由气体管线34而与焊接系统的其它气体管线换能器58通信。例如，操作员可经由焊接装置14(例如，送丝机)的操作员接口42而调整焊接参数，并且焊接装置14的通信电路46可通过耦接到焊接电力单元12的气体管线74而从第三气体管线换能器72传输无线信号，其中第四气体管线换能器76至少部分基于所调整的焊接参数而接收无线信号。

焊接系统10的通信电路46可专门利用气体管线换能器58，或者除有线(例如，14针、焊接电缆通信(wcc))或无线连接之外，还利用气体管线换能器58。例如，焊接装置14的通信电路46可经由与供气系统16的通信电路46的有线或无线(例如，通过周围环境或气体管线)连接而通信，而供气系统16的通信电路46又通过通往第六气体管线换能器82的气体管线80经由第五气体管线换能器78将所调整的焊接参数中继到焊接电力单元12。

气体管线换能器58使得能够在焊接系统10的部件之间进行通信，而不添加独立通信路径。此外，气体管线换能器58可通信，而不管操作员是否用焊炬18来焊接和/或切割。也就是说，当在存在电弧40的情况下调制沿着焊接电缆54的焊接电力时，气体管线换能器58便于焊接系统10的部件之间的通信。此外，气体管线换能器58使得能够在焊接系统10的部件之间进行通信，其中所述部件可在空间上分离和/或与可阻挡焊接系统10的部件之间的视线的物体(例如，墙壁、天花板、地板、建筑)一起布置。此外或或者，相比通过焊接系统10周围的环境开放地传输的无线信号，经由气体管线换能器58通过气体管线34传输的无线信号可较少衰减和/或较少影响其它无线信号。此外，在一些实施例中，经由气体管线换能器58传输的无线信号的传播特性(例如，信号强度)针对给定长度的气体管线34可以是实质上恒定的，而不管设置在焊接系统10的部件之间的物体。

图2图示经由耦接到气体管线34的气体管线换能器58而进行的气体管线通信的实施例的横截面图。第一气体管线换能器90接近第一部件96(例如，焊接电力单元12、焊接装置14、供气系统16、焊炬18)而耦接到气体管线94的第一端92。在一些实施例中，第一气体管线换能器90至少部分设置在气体管线94的壁98内。在一些实施例中，第一气体管线换能器90设置在壁98的内表面100或外表面102上。第一气体管线换能器90的发射器104至少部分朝向气体管线94的轴线106发射无线电信号108。发射器104可以是朝向轴线106取向的定向发射器，因此减少发射到气体管线94周围的外部环境109的能量。发射器104可相对于其中设置了第一气体管线换能器90的气体管线94的内壁100以角度110取向，以使得所发射的无线电信号108如箭头112所示而发射。发射器104的角度110可至少部分基于气体管线94的材料、气体管线94的几何结构或其任何组合来选择和/或调整，以使得经由气体管线94而传输的所发射的信号112的衰减减少。

所发射的信号112与气体管线94的壁98的相互作用受所发射的信号112、气体管线94的内部118内的气体116和壁98的各种性质(例如，波长、接收角度114)影响。例如，气体116和壁98的折射率影响从内表面100反射的所发射的信号112的第一量120、从外表面102反射的所发射的信号112的第二量122以及透射穿过壁98的所发射的信号112的第三量124。透射穿过壁98的所发射的信号112的第三量124可辐射到外部环境109，如虚线波125所示。发射器104的角度110可被选择成增大第一量120和/或第二量124，并减小透射穿过壁98的第三量124。此外，在气体管线换能器58的一些实施例中，发射器104的角度110可在耦接到气体管线94时调整，因此使操作员能够调谐发射器104的角度110来增加所发射的信号112的内反射(例如，第一量120和/或第二量124)。如可了解的是，由内表面100和外表面102朝向轴线106反射的所发射的信号112的部分126(例如，第一量120、第二量122)可随后由接近气体管线94的第二端130设置的第二气体管线换能器128接收。第二端130耦接到接收气体116的第二部件131。此外，所发射的信号112的部分126可在第一气体管线换能器90与第二气体管线换能器128之间的多个点132处与气体管线94的壁98相互作用(例如，从壁98反射、透射穿过壁98)。为了清楚起见，图2用实线箭头图示所发射的信号112的主要部分134，并且用虚线箭头图示可在气体管线94内反射的所发射的信号112的次要部分136，并且第二气体管线换能器128不限于仅接收所发射的信号112的主要部分134。第二气体管线换能器128耦接到焊接系统10的第二部件131的通信电路46。气体管线换能器58可经由信号线路138而耦接到相应通信电路46，其中信号线路138位于气体管线94内部、气体管线94外部或与气体管线94和相应部件的连接件140集成。在一些实施例中，信号线路138经由通信端口142或相应部件的输入/输出端口而耦接到通信电路36。

气体管线94的材料和/或气体管线94的几何结构(例如，厚度144、横截面)可被选择成实质上减少或消除由气体管线换能器58发射的所发射的信号112的衰减。所发射的信号112可经由透射出气体管线94或被壁98吸收而衰减。在一些实施例中，气体管线94的材料可以是金属的(例如，铜、铝、黄铜)、非金属的(例如，橡胶、乙烯树脂、塑料)或其任何组合，并且气体管线94的横截面几何结构可以是圆形的、正方形的或长方形的，以及其它几何结构。在一些实施例中，第一端92与第二端130之间的气体管线94的长度是约50、100、500或1000倍或更多倍于气体管线94的内径146。此外，气体管线94可以是柔性的、刚性的，或具有柔性和刚性部分。穿过气体管线94(例如，穿过内部118或壁98)的所发射的信号112的衰减可小于穿过周围环境109的所发射的信号的衰减。

无线电信号可容易通过气体管线94来传输和接收，其中无线电信号的频率大于气体管线94的截止频率，所述截止频率可至少部分基于气体管线94的横截面几何结构。例如，对于具有圆形横截面几何结构的气体管线来说，截止频率(fcutoff)可近似为方程式(1)：

fcutoff＝c*1.841/(2*π*r)(1)

其中c是光速(例如，299,792,458m/s)，并且r是圆形气体管线94的半径。通常用于向焊炬或割炬供应气体的气体管线94可具有约0.125英寸(0.3175cm)的内半径，从而导致约27.7ghz的截止频率。在一些实施例中，气体管线94可以耦接到焊接头盔41的空气软管，其中空气软管被配置成将可呼吸空气供应到操作员。空气软管可具有约1.5英寸(3.81cm)的内半径，从而导致约2.3ghz的截止频率。

如上文所论述，可调整发射器104的角度110以影响所发射的无线电信号112的内反射部分。在一些实施例中，发射器104的角度110可至少部分基于气体管线94的材料、气体管线94的横截面几何结构、气体管线94的壁厚度144、气体管线94的内径146或气体管线94的长度，或其任何组合来调整。例如，增大气体管线94的壁厚度144可使得能够增大角度110。

图3图示通过气体管线94传输和/或接收无线电信号的气体管线换能器58的实施例的横截面图。在一些实施例中，气体管线换能器可与耦接到部件96(例如，焊接电力单元12、焊接装置14、供气系统16、焊炬18)的气体端口152的气体管线94的连接配件150合并。连接配件150的第一配合特征154与气体端口152的第二配合特征156(例如，螺纹)耦接，因此使气体能够在气体通道94与气体端口152之间流动，并密封气体使之不接触外部环境109。虽然图3将第一配合特征154图示为具有母几何结构并将第二配合特征156图示为具有公几何结构，但可了解，第一配合特征154的其它实施例可具有公几何结构，所述公几何结构被配置成与具有母几何结构的第二配合特征156的实施例耦接。在一些实施例中，气体管线换能器58至少部分与气体管线94的连接配件150的主体158集成。气体管线换能器58可设置在连接配件150和气体管线94的内表面100上。

在一些实施例中，通信电路46可至少部分与部件96集成，而不是与气体管线94集成。例如，气体管线换能器160可耦接到气体端口152。在一些实施例中，气体管线换能器160至少部分设置在部件96内。此外或或者，气体管线换能器58可耦接到气体端口152的第二配合特征156或与第二配合特征156部分集成。因此，气体管线换能器160和信号线路138可与气体管线94分开而整体设置在部件96的外壳162内。

图4图示耦接到气体管线94的主体180的气体管线换能器58的实施例的横截面图，其中主体180是介于端部92、130之间的气体管线94的部分。耦接到气体管线94的主体180的外部气体管线换能器182可将无线电信号传输到气体管线94的内部118中，并从气体管线94的内部118接收所发射的无线电信号。在一些实施例中，外部气体管线换能器182围绕外部气体管线换能器182的外表面186经由包裹材料184或夹具而耦接到主体180。此外或或者，外部气体管线换能器182可经由设置在外部气体管线换能器182的内表面188与气体管线94的外表面102之间的粘合剂而耦接到主体180。在一些实施例中，外部气体管线换能器182可至少部分插入到气体管线94的壁98中，因此减少外部气体管线换能器182与内部118之间的壁的量。

外部气体管线换能器182的发射器104可相对于气体管线94的内表面100以一定角度取向，如上文参照图2所述。在一些实施例中，外部气体管线换能器182的发射器104被取向成使得通过气体管线94的壁98折射(例如，导引)的所传输的无线电信号在内部118和/或壁98内内反射，因此使耦接到第二部件131的气体管线换能器58能够从外部气体管线换能器182接收所传输的无线电信号。

在一些实施例中，互补外部气体管线换能器190可耦接在外部气体管线换能器182与耦接到第二部件131的气体管线换能器128之间。互补外部气体管线换能器190可接收具有所衰减的信号强度的所发射的无线电信号112，并重复具有所放大的信号强度的所发射的无线电信号112，因此增大沿着气体管线94的通信范围。互补外部气体管线换能器190可耦接到第一部件96的通信电路46，耦接到第二部件131的通信电路46，或耦接到独立电力供应器192(例如，电池)以便于所发射的无线电信号112的放大。此外，互补外部气体管线换能器190的实施例可按与上文关于外部气体管线换能器182所述类似的方式耦接到气体管线94。

虽然仅在本文中说明和描述本公开的某些特征，但对于本领域的技术人员来说，将清楚许多修改和改变。因此，应理解，随附权利要求书希望涵盖落入本公开的真实精神内的所有这些修改和改变。