焊接铁路导轨的方法和系统的制作方法

专利名称：焊接铁路导轨的方法和系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及焊接导轨间隔端的方法和系统，特别涉及通过采用电弧焊接法焊接两间隔铁路导轨的方法和系统。
现有技术多年来，在通过采用焊接法填充间隔导轨端壁之间间隙来连接间隔铁路导轨中投入了大量工作。本申请的受让人有专利Morlock 5,773,779和Morlock 5,877,468，这里将其合并作为参考文献以说明背景信息。这些专利涉及用于连接两间隔导轨端部的电弧焊接方法和系统，该导轨利用导轨平轨底之间的垫板使得根部焊道或第一焊道沉积在一部分垫板上或作为一部分垫板。这两个专利公开整个焊接法，包括一系列垂直焊层，该垂直焊层在包含填充端导轨之间间隙的金属的焊道上方。不需要重复焊接过程的细节，在该过程中电弧焊枪沿产生一系列垂直设置沉积金属焊层的路径移动。机器人机构通过使焊枪沿着理想路径行走的一般机器人程序来移动焊枪。该路径在形成间隙的相邻导轨的轨底、轨腰和轨顶之间变化。而且合并的参考文献是系列号为356,837、申请日为1999年7月19日的在先的悬而未决申请。该在先申请公开了在连接两间隔铁路导轨中使用的根部焊道的焊接过程，其中通过由机器人机构移动焊枪而形成根部焊道。软件程序使焊枪沿理想路径行走，该路径由在根部焊道沉积中发生的焊接事件控制。本申请根本目的在于被填充焊缝或间隙的下轨底中的第一垂直焊层。本发明实现由在先的悬而未决申请中公开的方法，并根据与控制机器人软件程序的运动平行或同时操作的后台计算机程序进行完全填充间隙的焊接过程。
如果要在该区域成功使用电弧焊接过程，则必须准确和迅速地将熔融金属填充到靠近第一和第二铁路导轨的相对端壁之间的窄间隙内。为实现上述目的，该技术形成了通过机器人机构在间隙中来回移动电弧焊枪的原理。在过去，电弧焊枪的移动由机器人机构通过采用使用低级语言的执行软件程序来控制。通过在理想路径中移动焊枪并以程序语言记录该运动以便在填充下一导轨焊缝时重复该运动来产生该程序。产生的用于控制机器人机构运动的计算机软件程序会导致有缺陷的焊接过程，需要操作者频繁注意。当通过在间隙中移动焊枪并通过软件程序定期存储该运动而产生执行程序时，在现场使用该程序来焊接焊缝会带来一定困难。导轨之间由一个焊缝到下一焊缝的间隙是不均匀而且任一焊缝都不是理想的。在现场间隙通过用旋转切割轮切去一个导轨端部接着切去另一导轨端部而形成。这些导轨接着定位以达到规定的间隙。这些通过低精确过程对粗切割导轨定位，两端面不必平行。以上用于移动电弧焊枪以填充间隙的程序已经确定并基于这些端壁的理想定位和精确间距。因此，在现场的间隔导轨之间的机器人控制和机器人焊接从一个间隙到下一间隙不能获的普遍成功。过去的限制是计算机软件程序的使用，该程序基于焊枪在理想的但却是想象的间隙中的理想运动。希望理想间隙接近电弧焊接过程中填充的实际间隙。不成功的填充操作产生不合格焊缝。在现场不同意这样做的理由是经常使火车绕行以避开正在填充焊缝的施工区。这是不能接受的，并且要对不能成功执行的用于填充间隔导轨之间焊缝的计算机控制机器人机构进行调整。端壁的间距不总是相同的；因此，理想焊枪运动的使用不能总是成功提供令人满意的焊缝。

发明内容
本发明涉及编程基本原理的改进，其中通过使用控制电弧焊枪的独特方法使一般与机器人运动控制相关的低级语言或软件程序与后台高级语言如KAREL同时使用。本发明包括产生固定数据文件或文本文件，其包括一系列构成用于填充导轨之间间隙的整个焊接过程的位置。该文本文件或数据阵列象一个电子表格，其中一系列位置以一种方式固定设置在数据阵列中，该方式是使每个位置由一组坐标限定，这些坐标专门表示焊枪在焊接过程中所处的位置。每个固定位置信息包括焊接参数，如电压、行进速度或在与某个位置相关的移动结束时的延迟。当焊枪沿预选路径向着已知的下一个位置移动时执行这些参数。当走完该路径并且焊枪准备执行下一位置时，输出并执行关于下一位置的信息，以便通过电弧焊枪处理一系列单独位置而构成整个填充过程。将记录在数据阵列的电子表格格式中的每个位置分配给用于焊接过程的沉积金属的特定垂直焊层。连续执行多个位置以产生一层填充金属。在对应特定位置的一个焊接循环完成时，高级后台软件程序检测和判定焊接过程的垂直高度或z坐标。如果检测的z坐标不对应来自电子表格中要循环的下一个位置，则修正所处理的下一位置的z坐标。实际上，存储的z坐标由检测的z坐标取代。在焊接过程中，沉积连续焊层。如果没有完全填充，则要重复这些焊层中的一些焊层。如果所处理位置是在必须被填充的熔融金属特定焊层的末端，则将电弧焊枪的z坐标或高度与特定焊层的已知高度比较。当该焊层已经完成时，处理下一焊层。如果没有完成该焊层，则重复构成该短焊层的位置。因此，逐一的处理指定给金属焊层的固定系列的焊接步骤，然后测量焊枪的垂直高度以判定是否要处理下一焊层。输出一系列固定存储焊接步骤的过程由焊枪的特定定位来标志，已经证明所处理焊层是成功的。在某些焊接步骤之后，根据焊枪的实际高度进行调整。因此，本发明的一个方面是电子表格型固定数据阵列或文本文件的应用，该文件具有数据，该数据可以输出作为一个位置接着另一位置，每个位置构成焊枪的定位以及当焊枪移动时填充的特定焊层。采用低级机器人执行软件程序完成作为单独位置的每个焊接步骤。同时，使用高级程序检测焊枪的垂直位置，以便产生表示焊枪实际垂直高度的数字信息。在给定焊接步骤开始时，可以用高度或z坐标修正焊枪位置。
产生焊接理想间隙的数据阵列，该间隙几何形状在现场是得不到。因此，根据本发明另一方面，采用高级计算机程序软件语言产生“用户帧(user frame)”，该“用户帧”是表示所焊接间隔导轨的实际端壁的基准平面。该基准平面构成要填充的窄间隙。根据本发明这一方面，由焊枪带动的触针或其它已知机构装置移动到选择的端壁上的点。读取和记录机器人的启动位置和所选择的第一点之间的关系作为第一点的x、y和z坐标。然后，通过将触针移动到第二位置以测量x坐标。通过由触针选择第三点来确定x、y平面。端壁表面的三个分隔点形成由后台软件程序计算的基准平面。基准平面是表示端壁表面实际平面的“用户帧”。在另一端壁上执行同样的过程，以便计算两端壁中每一个的用户帧或基准平面。这些端壁可以不平行，垂直或水平。通过计算实际端壁的基准平面，形成实际间隙。由后台程序计算两基准平面中间的平面。该中间用户帧与每个端壁平面等距离。
当使用本发明时，产生在现场处理的特定间隙数据阵列或文本文件。该固定数据包括大量具有坐标的单独位置，这些坐标基于产生的基准平面或“用户帧”的间距或位置关系。存储在数据阵列中的每个位置与填充过程中所沉积熔融金属的预选垂直焊层相关。该固定数据阵列的新颖之处在于，在每个填充过程前，关于在现场计算的基准平面来对焊枪位置进行定位。因此，在现场，通过触针和采用后台软件程序来判定实际端壁的基准平面。因此，根据所填充的实际间隙而不是根据用于产生固定数据阵列的理想间隙的理论间隙，由KAREL程序产生的基准平面形成焊枪任何时候的实际位置。当处理由数据阵列中的某个位置形成的焊接循环时，检测焊枪的高度。实际z坐标用于由位置形成的焊接过程。当处理给定熔融金属焊层中最后的焊接步骤或位置时，检测的焊枪高度用于判定是否已经填充了焊层。如果还没有填充该焊层，则该焊层是应该重复的焊层，重复构成焊层的焊接过程。接着在将该高度与处理的焊层高度相比，以确保完全填充该特定焊层。
通过采用低级机器人软件程序和高级后台程序，根据实际焊接状态修正永久存储在数据阵列中的理想焊接过程，以便适应间隙中和焊接过程中的变化。通过采用关于预选设定步骤或位置的数据阵列，可以修正或取代任何一个步骤而不完全改写程序。单独位置与特定垂直金属焊层相关的原理的使用允许在特定区域改变。这是用于焊接间隔铁路导轨之间焊缝或间隙的电弧焊接过程中的实质性改进。
通过采用标准机器人执行程序来控制焊枪的移动以及高级语言，如KAREL或Val II作为后台软件程序，可以更多地控制机器人和机器人运动程序中的I/O。后台程序与低级机器人运动程序同时运行，以便当机器人程序实际启动焊枪在位置之间来回运动时，由后台程序执行计算。这一原理可以通过采用控制程序来实现，如Val II、KAREL或其它这样的高级程序语言。用于执行机器人程序和后台KAREL计算程序的计算机不构成本发明的组成部分。
根据本发明，提供一种通过采用机器人机构的电弧焊枪在相邻第一和第二铁路导轨相对端壁之间窄间隙中沉积垂直熔融金属间隔焊层而自动填充该间隙的方法。该机构在具有由低级机器人执行程序判定的模式的路径上移动焊枪。该焊枪从一个空间位置移动到下一个空间位置。该方法包括用于特定间隙的数据阵列的使用。该数据阵列形成理想间隙，并包括一系列当以垂直间隔的金属焊层填充间隙时形成焊枪理想化前进的位置。每个位置由通过至少四个坐标如x、y和z以及这些轴的旋转坐标形成的焊枪定位。该焊层也固定在数据阵列中。数据阵列包含要执行到下一焊接位置的焊接参数。因此，根据本发明第一方面构成的数据阵列包括表示焊枪和所处理熔融金属焊层的位置的一系列位置。在与给定位置相关的焊接步骤中执行的焊接模式也用所处理的位置存储。为特定位置输出来自该阵列的数据。该位置的焊接参数存储在数据阵列中，采用机器人执行程序来处理。因此，由机器人执行程序输出和处理具有固定数据的下一位置。重复给定的选择位置和固定在数据阵列中的焊接参数的处理技术继续到完成整个填充过程。通过使用该方法，可以独立修正数据阵列而不改写整个程序。通过利用电子表格原理，可以利用并行程序或后台程序来修正单独焊接的步骤。在填充铁路导轨端部之间间隙的技术中，使用电子表格或数据阵列以提供固定系列的焊接步骤是很新颖的。
通过使用后台程序，可以根据主要与焊接过程中焊枪的垂直高度相关的所检测参数，连续更新电子表格或数据阵列中的固定焊接步骤。根据本发明的这一方面，在与某个位置相关的焊接步骤结束时，检测焊枪的垂直高度或z坐标。这是在执行下一步骤之前进行的。实际检测的垂直高度用于修正下一焊接步骤的焊枪位置。实际上，在实践中将检测的高度或z坐标用于处理下一步骤。由后台KAREL程序实现z坐标中的变化，该程序在机器人程序记录执行焊接过程时计算实际z坐标。在与熔融金属特定焊层相关的焊接步骤结束时，将焊枪的垂直高度与所填充焊层的垂直高度相比较。如果已经填充该焊层，则执行下一步骤或位置。如果没有填充该焊层，该焊层是应该重复的焊层，则重复前一焊接过程以填充该焊层。以由在数据阵列的特定位置中的数据判定的定位，用焊枪开始每个焊接步骤。如果该过程已经完成一焊层，或该焊层是不重复的一个焊层，则执行下一步骤。在实践中，应该重复的焊层是间隙的轨底、轨腰和轨顶部的较低垂直位置。间隙的其它区域不重复焊层。
由于数据阵列根据理论间隙在车间产生，数据阵列的每个步骤中的位置信息与“用户帧”或基准平面相关而不是与机器人的起始位置或起始点相关。后台计算程序用于现场以产生“用户帧”或基准平面，从而提供焊枪在实际间隙中的定位。在本发明中，焊枪的定位不是关于机器人的起始位置或起始点。本发明采用在所焊接间隔导轨的实际端壁上预期的基准平面。为此，后台程序记录第一导轨内壁上第一点的特定位置。然后记录第一导轨端壁上的第二点。接着，在同一端壁上记录第三点。通过提供端壁表面上所有三个点的x、y和z坐标，计算基准平面。对另一端壁采用同一过程。在执行焊接过程之前，产生两基准平面。这些平面或“用户帧”总是不平行的。如果用户帧之间的间隙超过一定量，如0.250英寸，停止焊接过程。实际基准平面或用户帧是数据阵列的每个位置的起始位置。这些平面用于在焊接过程的每个步骤开始时为焊枪的x、y、z轴确定平面取向。x、y、z轴和这三个轴的旋转坐标标志焊枪在开始焊接循环时的位置。该循环接着沿预选路径进行到下一位置，该位置是由数据阵列限定的。接着执行新的循环。
总之，以固定数据阵列或文本文件形成焊接过程。从焊枪关于用户帧的位置开始每个焊接位置。在现场，在焊接过程前通过采用后台程序产生用户帧。这些平面用于实现焊枪的位置控制。在该方式下，填充一系列垂直金属层。实际金属沉积在构成轨底区域的焊层中。在轨腰区域中沉积非常少的金属。如果没有填充，则重复这些轨腰焊层。轨顶包括一系列垂直焊层，如通过参考而结合的各个专利中所清楚说明的那样。当一组位置的处理形成特定焊层的焊接路径时，如果没有填充焊层，则重复这些焊层的填充。
本发明的首要目的在于提供自动填充相邻第一和第二铁路导轨的相对端壁之间窄间隙的方法和系统，该方法和系统利用一系列焊接步骤的电子表格原理，可以修正或改写这些步骤以形成特别间隙的特定焊接步骤。
本发明的另一目的在于提供一种系统和方法，如上所述，该系统和方法可以用于该区域以适应间隙中对理想间隙几何形状的各种偏移。
本发明的另一目的在于提供一种系统和方法，如上所述，该系统和方法采用机器人控制程序和后台计算程序以实现电弧焊枪在预选路径中的移动和根据用于填充间隙的焊接过程中的变化来修正该路径。
本发明的另一目的在于提供一种系统和方法，如上所述，该系统和方法实现在填充铁路导轨端部之间间隙的电弧焊接过程中焊枪的机器人控制，预选固定焊接过程和交互式计算过程正确实现焊接过程而与该焊接过程中的变化无关。
参照结合附图的下述说明可以清楚理解这些和其它的目的和优点。


图1是采用本发明所要填充的间隙的侧视图和显示采用本发明机器人控制焊接系统的组成的方框图；图2是沿图1中线2-2的放大横截面图；图3是由合并到机器人控制机构中的微处理器或计算机构成本发明优选实施例的软件程序流程图；图4是说明本发明中使用的文本文件原理的表；图4A-图4D是构成本发明实际使用的实际的文本文件或数据阵列的表；图5是根据本发明一方面在产生用户帧或参考平面中使用的正交布局或平面的空间表示；图6和图7是两导轨端部和如图5所示的原始点方位的视图，其中通过使用本发明要将两导轨连接在一起；图8是显示具有在构成用户帧中使用的点的导轨端壁和用于识别和控制焊接过程以填充两铁路轨枕之间间隙的垂直间隔金属焊层的放大视图；图9是类似于图1下部的侧剖视图，显示了通过图11公开的计算机软件程序产生用户帧所使用的触针(stylus)；图10是类似于图8的端视图，显示了确定由本发明处理的导轨的偏移尺寸所使用的触针；以及图11是根据本发明的一方面用于产生用户帧和偏移的软件程序执行流程图。
具体实施例方式
现在参照附图，这些附图只用于说明本发明优选实施例而不是为了对其进行限定，图1和2显示铁路导轨A、B，每个具有标准轨底10、轨腰12、轨顶14和上冠部16。为产生电弧焊接过程的电连续性，间隔导轨通过底板20靠在一起，底板20封闭垂直延伸间隙g的下部。该间隙由Morlock 5,773,779和Morlock 5,877,468中描述的电弧焊接过程填充，由此通过焊枪30将熔融金属沉积在间隙g中，通过焊枪送进焊条或焊极32。标准电源40具有导线42，该导线42电连接到焊枪30上以在焊极32和熔融金属熔潭或焊道M之间产生电压。根据标准焊接技术，焊极32和金属M之间的电压产生电弧a，当焊极32送进到金属M以沉积更多金属时，电弧熔化焊极32。根据已知作业，焊枪30通过标准机器人机构50在穿过间隙g的位置之间移动以形成垂直间隔金属焊层，如图8中的1a焊层所示。这些焊层还公开在Morlock 5,773,779和Morlock5,877,468中。
当焊枪30从这点移动到那点而穿过间隙g时，熔融金属焊层沉积在金属M上。采用为沉积每个特别焊层而设计的不同类型焊接过程重复一个接一个的焊层。在以前的Morlock专利中公开的焊接过程不构成本发明的组成部分，因而不需要作进一步说明。机器人50来回移动焊枪30穿过间隙g以逐渐地在间隙中累积金属焊层。焊枪移动的路径实际由机器人机构50控制；但是，沿路径构成一系列位置的路径的细节由执行移动程序来确定。移动程序是机器人机构的组成部分并由合适的单板计算机如微处理器52来执行。这样的装置具有现代机器人机构。实际上，机器人50根据具有机器人的标准低级移动执行程序来回地移动焊枪30。为生成移动程序，焊枪30从这个位置移动到那个位置。由执行程序记录和存储位置的空间定位。为完成焊接过程，根据标准机器人技术重复存储或记录的位置。在标准机器人机构中，通过低级移动执行程序先记录移动然后重复。机器人在每个焊接过程中进行相同的移动。本发明采用KAREL后台程序，该后台程序是与标准机器人程序一起完成和执行的高级语言。本发明提供计算和检测程序以检测机器人程序移动焊枪30时的焊接状态，以及如下所述，根据填充间隙时g时到达的各种位置来修改生成的移动程序。在现场，导轨A、B以精确间隔定位从而形成间隙g。因此，铜箍体60、62向内移动以靠近间隙g的侧边，如图2所示。在封闭箍体60、62前，通过根据标准焊接技术在导轨的轨底部之间来回地移动焊枪30而焊接轨底10。金属M逐渐沉积在轨底区域。当焊接过程向上进行到轨腰12时，通过来回地移动焊枪30将箍体封闭并且在填充间隙的轨腰部时使其保持封闭。如上所述，除了Morlock不教导使用后台高级程序以与机器人装置的低级移动程序相互联系外，焊接过程不同于在Morlock专利中说明的现有过程。
本发明涉及控制焊枪30的移动以填充间隙的程序，其中后台高级逻辑程序如KAREL用于修改或改变预先装入的数据以采用标准机器人程序来移动焊枪。根据本发明，提供文本文件或数据阵列100，该阵列显示为公开在图3中的一部分程序。显示在图4中的电子表格格式用于数据。为特定间隙而形成的详细数据显示在分成如4A-4D所示分段的表中。本发明包括在表示为“位置”的焊接步骤开始时固定存储焊枪30的确切方向。一个接一个的位置构成了间隙g的填充步骤，如图4A和4B所示。将焊枪的位置存储为一组坐标。实际上，这些坐标是x、y和z以及点的旋转坐标。旋转坐标分别是W、P和R。每个位置具有用于焊枪开始点的精确方向以及用于从该位置向下一个位置焊接的存储焊接参数。存储的数据还包括用户帧，通过该用户帧在实际间隙中对坐标定向。如下所述，参考平面或“用户帧”是前导轨A或后导轨B的端部的实际表面并且在焊接过程开始前产生。通过关于用户帧对在开始位置的焊枪定位，加工实际间隙而不是对应存储数据的一些理论的或理想的间隙。存储在文本文件或数据阵列100中的数据包括焊层1a，位置是焊层的一部分。简单说来，存储文本文件100的一系列步骤中的每条线或焊接步骤包括根据在现场产生的参考平面或用户帧的焊枪确切方向。实际上，用户帧3是一个导轨端部，用户帧4是另一个导轨的端部。这些用户帧对于每个要加工的焊缝是唯一的。通过后台程序在每个焊接操作之前对其进行计算以填充间隙g。通过使用电子表格原理或类似数据阵列，只改变一个单独焊接步骤就可修改焊接过程。对几个位置加工以产生焊层1a。如图4A所示，将14个分离的位置用于产生焊层3。在间隙的较小区域内，如轨腰，焊层使用较少数量的位置。焊枪关于一个导轨(用户帧3)定位，接着关于另一个导轨(用户帧4)定位。该灵活性提高了焊接过程的精度。为改变数据阵列中几个步骤或位置的任何一个，仅改变信息而不修改整个数据阵列。因此，为要焊接的每个间隙提供存储的固定数据。如果间隙是指某个导轨具有一定间距，则文本文件100是指该特殊间隙的。
通过使用KAREL后台程序，修改每个焊接步骤或位置以将焊接过程调整到该现场所处的状态。如图3所示，该程序通过来自“选择下一位置”子程序102的命令使各种位置得以连续输出，以便将信息存储在控制正常机器人移动程序的机器逻辑寄存器110中，由在图4中的电子表格格式表示的文本文件或数据阵列连续输出各种位置。但是，根据本发明一方面，在间隙填充操作之前使用后台程序。如图10所示，该程序确定了轨顶14和轨腰12在x、y方向的横向偏置。由轨底10的中心横向测量该偏置。如程序块120所示，在焊接过程开始前存储所测的每层1a的偏置量。在接下来的焊接过程中，后台KAREL程序读取存储的x、y坐标，如线122所示。在程序的程序块124，由存储的偏置对这些距离进行修改。处理包括特定导轨的附加偏置的新x、y坐标值。新x、y坐标值再装入寄存器110，如线126所示。因此，将位置信息装入寄存器110以便通过图1所示的机器人机构50进行正常处理。x、y坐标受到横向偏置，在焊接过程开始前在程序块120中测量和存储该横向偏置。这些偏置尺寸用于修改x、y坐标，以便供采用大多数机器人具有的标准Teach Pandent程序TP的机器人最后使用。偏置在间隙g的整个焊接过程是固定的。在整个焊接过程中，采用测量的偏置使焊枪在x、y方向的移动保持固定。表示金属M垂直高度和焊枪30的垂直高度的z坐标对各种位置发生变化。优于熔融金属不以一致的方式在垂直方向堆积，因此z坐标出现困难。不采用后台程序补偿焊枪垂直高度中的变化的话，在填充间隙g中会出现某些缺陷。根据本发明，如果不是每个位置如由图3中的软件程序单元所示，则至多检测z坐标。标准机器人程序将实际的z坐标Za装入寄存器130。对该寄存器进行集成以在程序中的任何时候检测金属M的垂直高度。通过使用本发明，由KAREL程序检测垂直寄存器130中的坐标或z坐标，使得将由程序块132表示的实际垂直高度以KAREL变量的形式输出到子例程134中。新z坐标用于替换文本文件中的坐标，如线136所示。KAREL变量形式的新坐标转变成Teach Pendant变量的形式，然后存储在寄存器110中。因此，要由标准机器人执行程序处理的位置具有x、y和z坐标，包括单个导轨形状的偏置和表示间隙g中金属M实际高度的垂直坐标或z坐标。现在寄存器110装入TP语言，用于移动采用机器人机构50的焊枪30。通过附加x、y偏置并替换z坐标来连续修改每个位置。步骤的处理由程序块150表示。根据本发明，标准机器人运动程序用于执行每个连续位置。根据本发明，后台程序修改x位置的x、y和z坐标。机器人仅响应其标准位置。区别在于该程序处理位置X’的新坐标不是处理存储的位置X的坐标。所有步骤由标准TP程序处理，直到填充完整个间隙。采用不同的程序步骤以确定最后焊接步骤或位置。在所示的实施例中，由TP程序处理的位置的识别通过线152传递到判定例程154。如果处理了最终位置，如程序块156所示，图3的程序结束。否则，线158是处理或软件程序继续，如线160上的数据所示。
由执行程序50处理几个位置以形成焊层1a。在由焊层表示或与焊层相关的每个步骤结束时，已经处理焊接参数并将位置数由线160输送到KAREL语言的判定例程170。如果该位置不是给定焊层的最终步骤或位置，“选择下一位置”的例程102由线172中的信息来实现。如果位置是给定焊层的最终位置，这样的信息则在线174上输出到判定例程180。启动例程180以判定完成的焊层是否是没有被填充而应该被重复的一个焊层。在焊接过程中，如果没有完全填充，则重复轨腰末端之前的轨腰12中的焊层。在轨腰和轨顶之间的区域内，不重复焊层。这些具有相当大的沉积金属量，而且高度不是决定性的。轨顶填充非常重要。如果焊层没有到达由构成轨顶填充的焊层的最终位置确定的垂直高度，重复在该区域内的各层。相同标准适合于轨冠焊道。在现场，几个焊层沉积在轨顶的顶部以形成焊缝的最上部轮廓。必须获得该垂直高度，以便将导轨磨削到理想尺寸而不留下气穴或缺陷。如果焊层是不要重复的一个焊层，则线182上的数据启动用于下一焊接步骤的“选择下一位置”例程102。如果刚处理的焊层是在垂直高度不合适的情况下应该重复的一个焊层，则输出线184上的信息以便在程序块192检查线190上的实际z坐标Za。由程序块132的后台程序所检测的实际z坐标Za与刚刚被处理的位置X’的z坐标比较。由判定例程200形成该比较。如果实际z坐标过低，由命令程序块210所示，重复构成未填充层的所有位置。如果金属M的水平面合适，在线202上提供该信息以启动“选择下一位置”例程102。本发明优选实施例利用图3所示的程序以在程序块156结束该程序。这是本发明最主要的方面。根据本发明的有限方面，进一步处理线160上的信息。采用用于检测金属M的垂直高度的后台程序来确保该金属到达填充过程的某些区域。实际上，在程序块150，即使已经采用程序而没有超出TP移动的软件处理，也要采用整个程序处理间隙。
如上所述，本发明的基本方面是文本文件10的使用，如图4中的电子表格格式4A-4D所示。在图4中，存储每个焊接步骤或位置的坐标x、y和z与坐标W、P和R。由一个位置到下一个位置的处理参数也存储在数据阵列100中，如a、b和c项所示。用于特定间隙的实际数据阵列的更详细表示显示在4A-4D中所示的单个表格中。根部焊道是焊层1。它由执行位置1-4构成。在根部焊道之上是焊层2，当处理这些位置时，该焊层由焊接过程16变化到焊接过程6，然后回到焊接过程9。焊接过程是用于设定电压和电流的标准机器人表。仅在位置8完成“横摆运动”。在焊枪移动以沉积金属时，接着最后垂直列的是焊枪的速度。在数据阵列中的最后焊接参数是末端延迟。这是按计算的在一个位置执行的焊接过程结束和下一位置焊接过程开始之间的时间。由于焊接过程继续，延迟只是直到下一位置的暂停。在根部焊道上沉积第一焊层之后，轨底由作为单个焊层3的处理点11-24填充。为焊层4重复该焊层，因此在所示表中没有重复焊层4。在轨底填充完成后，采用几个焊层填充轨底的减缩部。轨腰填充是由处理位置76-81构成的单个焊层11，如图4C所示。在该过程中，用户帧2使焊枪在某些位置定位。该平面是在分别标定为“用户帧”3和4的导轨两端壁之间的假想中心平面。因此，如果两平面(UF3，UF4)相距1.2英寸，中心平面或用户帧2平分该距离并与每个端壁相距0.6英寸。在有些情况下，当与间隔端壁之一相对时，关于间隙中心来确定焊枪位置更为实用。以图4A-4D的表中所示的数据阵列存储各种位置。该表数据控制焊枪30由这个位置移动到那个位置的移动顺序。如果需要改变任何参数，则只改变参数而不重写整个数据阵列。数据阵列100通过执行标准TP机器人程序控制焊枪的移动。根据本发明第一方面，后台程序用于在执行特定位置或焊接步骤前修改存在的数据阵列。在现场不产生这样的理想间隙。因此本发明将理想焊接过程转变成使用理想化系统原理的现场执行焊接过程。
在根据图3所示的软件程序处理间隙前，通过后台程序在现场确定用户帧或参考平面。图5-9显示了本发明的这一情况。如图5所示，通过在分析的轨底产生原始点200而建立用户帧。这样提供了点220的x、y和z坐标。为确定点220的一个方向，通过记录第二点的x、y和z坐标检测x轴222。通过选择点以检测x、y平面224而最终确定平面。在图8中，三点通常显示为PT1、PT2和PT3。为产生与导轨之一的端壁相关的用户帧，通过向图8所示的点移动如图9所示的触针250来检测点PT1、PT2和PT3。与焊枪相连的电检测252显示三点位置以产生用户帧。已知触针252的半径和触针下部的位置，通过向着点移动触针来读取每个点PT1、PT2、PT3。后台或KAREL程序读取关于起始点或机器人的位置的点。至此仅采用后台程序。设定寄存器以显示关于机器人起始位置的点PT1、PT2和PT3的精确位置。这些点限定表示被处理间隙的实际端壁的平面。该定位是距离端壁而不是距离机器人起始点的。在焊接过程前对另一导轨重复确定用户帧的过程。轨顶14和轨腰12通常关于中心轨底10横向偏置。后台程序通过采用触针250测量轨顶的偏置。触针移动到轨顶的侧部14a然后移动到14b，如图10所示。这些侧部之间的距离由后台程序计算以便确定轨顶偏置轨底中心10多远。使铜箍体60、62封闭，触针250也如箭头260所指向下移动以便确定箍体之一的位置。检测两套箍体，对该距离进行平均以确定横向偏置。这是对应轨腰12的横向偏置的测量。计算并存储该偏置信息以便将其用于图3显示的程序块120中。
根据本发明，构成在现场要填充的几个标准导轨和间隙中每个导轨和间隙的特定数据阵列10。根据要连接的特定导轨，在供选择的现场提供文本文件100中的固定数据。过去，仅对机器人机构50进行定向，使焊枪根据实现生成的图形移动。该预先移动程序包括从在记录机器人单元的TP执行程序中这个位置向那个位置移动。该实际作业仅采用现有机器人的低级程序语言。根据本发明，产生焊缝的标准文本文件；但是，以抢先(proactive)方式完成焊接，以便后台程序计算、检测和调节各种过程从而由TP机器人程序来执行该过程。为定制所执行的实际焊接过程，由后台程序产生用户帧以显示端壁表面偏离用于装载文本文件的理想间隙表面。此外，在填充过程之前要确定轨顶和轨腰横向偏置。在焊接过程中将这些偏置加上x和y位置或从x、y位置中减去。图11公开了开始焊接过程前在现场使用的程序。通过开始例程300而启动焊接过程。后台程序将触针250定位在点PT1，如方框302所示。然后记录该点，后台程序沿x轴向着点PT3移动触针250。然后记录x轴信息和位置，如方框304所示。因此，通过记录点PT2的位置，后台程序移动触针250以产生x、y平面，如程序块306所示。在记录了给定基准面的所有这些点后，端面导轨的相应点也被确定。这些点对计算用户帧之间的间距是必须的，向判定例程310提供间距信息。如果间距小于用于产生理想间隙的间距，则不执行焊接过程。如果间距比该间隙大1/4英寸，不执行该过程。在结束该过程的线312中，记录这些状态中的每个状态。必须围绕该区域重定该序列，使得可以形成新焊缝以将导轨段焊接在一起。如果判定例程310判定该间隙不比理想间隙大1/4英寸，在线314中向程序块320提供该信息。后台程序计算对应相邻导轨端壁的平面的用户帧(UF)3和4。由于具有作为用户帧3和4的端壁，通过平分两端壁帧而计算中用户帧。这样提供了中心平面，该中心平面与用于对焊枪定位的两端壁等距，如数据阵列的某些步骤或位置所示。程序块322表示该过程。后台程序接着计算轨顶偏置，如程序块330所示。这些偏置储存在程序块120中，程序块120是向图3中所公开新程序的一个数据输入。机器人程序记录点PT1、PT2、PT3。后台KAREL高级程序采用点定位和偏置一位置计算添加到数据阵列的数据，从而实现图3的计算机程序中所示的方法。
在实施本发明中，采用Teach Pendant语言的标准机器人运动程序将焊枪从这个点移动到那个点。该标准程序可以关于起始位置或其它手动定位用户帧来对焊枪定位。使用户帧对导轨面自动定位是本发明的新原理，需要执行与机器人程序相连的该后台程序并与其同时操作。处理后台程序和计算机程序的计算机或微处理器可以被分开或结合。计算和位置信息的处理是计算机程序技术中的标准技术，采用几个程序或原理来实现这些功能。可以改变在本发明中实现这些目的和编程步骤的细节和过程。本发明的基本原理是提供与理想间隙相关的数据阵列和后台程序以修正焊枪的定位，从而开始每个焊接步骤以提供没有理想间隙几何形状的理想焊接。此外，本发明采用焊层原理，用几个位置或步骤产生单焊层。
权利要求
1.一种通过采用具有机器人机构的电弧焊枪在相邻第一和第二铁路导轨的相对端壁之间窄间隙中沉积熔融金属垂直间隔焊层而自动填充所述间隙的方法，所述机器人机构以由低级机器人执行程序控制的模式从一个空间位置向下一空间位置移动所述焊枪，所述方法包括(a)构成特定间隙的数据阵列，所述阵列组成一系列形成所述焊枪的理想化前进的位置以便以由多个位置构成的垂直间隔焊层填充所述间隙，所述的每个固定位置至少由4个坐标识别，包括(1)至少x、y和z、(2)焊层，而所述位置是其一部分以及(3)当所述焊枪向着下一个位置移动时要执行的焊接参数；(b)由所述数据阵列输出关于特定位置的数据；(c)采用所述机器人执行程序处理与所述输出数据相关的所述焊接参数；(d)接着，输出关于在所述一系列点中下一个位置的新固定数据；(e)采用所述所述机器人执行程序处理与所述新数据相关的所述焊接参数；以及(f)重复所述输出和处理动作直到处理了关于特定焊层的所述数据阵列中的所述位置。
2.如权利要求1所述的方法，进一步包括步骤(g)在所述处理之前检测所述焊枪的实际z坐标；(h)通过检测z位置修正所述输出数据的所述z坐标；以及(i)接着用修正的z坐标处理所述焊接参数。
3.如权利要求2所述的方法，其中所述的修正用所述检测的实际z坐标替换所述数据阵列的所述z坐标。
4.如权利要求3所述的方法，其中由KAREL程序完成所述检测。
5.如权利要求2所述的方法，其中由KAREL程序完成所述检测。
6.如权利要求2所述的方法，进一步包括(j)在所述处理动作到构成特定焊层的系列点端点之后，检测所述焊枪的实际z坐标；(k)如果可以重复所述特定焊层，则将所述实际z坐标与表示所述特定焊层的焊层高度的值相比较；以及(l)如果所述比较显示实际z坐标低于所述特定焊层的所需高度，则重复构成所述特定焊层的位置处理。
7.如权利要求6所述的方法，其中由KAREL程序完成所述检测。
8.如权利要1所述的方法，进一步包括步骤(g)在所述处理动作到构成特定焊层的系列点端点之后，检测所述焊枪的实际z坐标；(h)如果可以重复所述特定焊层，则将所述实际z坐标与表示所述特定焊层的焊层高度的值相比较；以及(i)如果所述比较显示实际z坐标低于所述特定焊层的所需高度，则重复构成所述特定焊层的位置处理。
9.如权利要求8所述的方法，其中由KAREL程序完成所述检测。
10.如权利要求9所述的方法，进一步包括(j)记录所述第一导轨端壁上的第一点的空间位置；(k)记录所述第一导轨端壁上的第二点的空间位置；(l)记录所述第一导轨端壁上的第三点的空间位置；(m)计算采用所述第一导轨上的第一、第二和第三点的第一基准平面；(n)记录所述第二导轨端壁上的第一点的空间位置；(o)记录所述第二导轨端壁上的第二点的空间位置；(p)记录所述第二导轨端壁上的第三点的空间位置；(q)计算采用所述第二导轨上的第一、第二和第三点的第一基准平面；以及(r)在与所述位置相关的数据的所述处理中，采用所述平面之一作为所述坐标的基准。
11.如权利要求8所述的方法，进一步包括(j)记录所述第一导轨端壁上的第一点的空间位置；(k)记录所述第一导轨端壁上的第二点的空间位置；(l)记录所述第一导轨端壁上的第三点的空间位置；(m)计算采用所述第一导轨上的第一、第二和第三点的第一基准平面；(n)记录所述第二导轨端壁上的第一点的空间位置；(o)记录所述第二导轨端壁上的第二点的空间位置；(p)记录所述第二导轨端壁上的第三点的空间位置；(q)计算采用所述第二导轨上的第一、第二和第三点的第一基准平面；以及(r)在与所述位置相关的数据的所述处理中，采用所述平面之一作为所述坐标的基准。
12.如权利要求6所述的方法，进一步包括步骤(m)记录所述第一导轨端壁上的第一点的空间位置；(n)记录所述第一导轨端壁上的第二点的空间位置；(o)记录所述第一导轨端壁上的第三点的空间位置；(p)计算采用所述第一导轨上的第一、第二和第三点的第一基准平面；(q)记录所述第二导轨端壁上的第一点的空间位置；(r)记录所述第二导轨端壁上的第二点的空间位置；(s)记录所述第二导轨端壁上的第三点的空间位置；(t)计算采用所述第二导轨上的第一、第二和第三点的第一基准平面；以及(u)在与所述位置相关的数据的所述处理中，采用所述平面之一作为所述坐标的基准。
13.如权利要求7所述的方法，进一步包括步骤(m)记录所述第一导轨端壁上的第一点的空间位置；(n)记录所述第一导轨端壁上的第二点的空间位置；(o)记录所述第一导轨端壁上的第三点的空间位置；(p)计算采用所述第一导轨上的第一、第二和第三点的第一基准平面；(q)记录所述第二导轨端壁上的第一点的空间位置；(r)记录所述第二导轨端壁上的第二点的空间位置；(s)记录所述第二导轨端壁上的第三点的空间位置；(t)计算采用所述第二导轨上的第一、第二和第三点的第一基准平面；以及(u)在与所述位置相关的数据的所述处理中，采用所述平面之一作为所述坐标的基准。
14.如权利要求2所述的方法，进一步包括(j)记录所述第一导轨端壁上的第一点的空间位置；(k)记录所述第一导轨端壁上的第二点的空间位置；(l)记录所述第一导轨端壁上的第三点的空间位置；(m)计算采用所述第一导轨上的第一、第二和第三点的第一基准平面；(n)记录所述第二导轨端壁上的第一点的空间位置；(o)记录所述第二导轨端壁上的第二点的空间位置；(p)记录所述第二导轨端壁上的第三点的空间位置；(q)计算采用所述第二导轨上的第一、第二和第三点的第一基准平面；以及(r)在与所述位置相关的数据的所述处理中，采用所述平面之一作为所述坐标的基准。
15.如权利要求3所述的方法，进一步包括(j)记录所述第一导轨端壁上的第一点的空间位置；(k)记录所述第一导轨端壁上的第二点的空间位置；(l)记录所述第一导轨端壁上的第三点的空间位置；(m)计算采用所述第一导轨上的第一、第二和第三点的第一基准平面；(n)记录所述第二导轨端壁上的第一点的空间位置；(o)记录所述第二导轨端壁上的第二点的空间位置；(p)记录所述第二导轨端壁上的第三点的空间位置；(q)计算采用所述第二导轨上的第一、第二和第三点的第一基准平面；以及(r)在与所述位置相关的数据的所述处理中，采用所述平面之一作为所述坐标的基准。
16.如权利要求4所述的方法，进一步(j)记录所述第一导轨端壁上的第一点的空间位置；(k)记录所述第一导轨端壁上的第二点的空间位置；(l)记录所述第一导轨端壁上的第三点的空间位置；(m)计算采用所述第一导轨上的第一、第二和第三点的第一基准平面；(n)记录所述第二导轨端壁上的第一点的空间位置；(o)记录所述第二导轨端壁上的第二点的空间位置；(p)记录所述第二导轨端壁上的第三点的空间位置；(q)计算采用所述第二导轨上的第一、第二和第三点的第一基准平面；以及(r)在与所述位置相关的数据的所述处理中，采用所述平面之一作为所述坐标的基准。
17.如权利要求5所述的方法，进一步包括(j)记录所述第一导轨端壁上的第一点的空间位置；(k)记录所述第一导轨端壁上的第二点的空间位置；(l)记录所述第一导轨端壁上的第三点的空间位置；(m)计算采用所述第一导轨上的第一、第二和第三点的第一基准平面；(n)记录所述第二导轨端壁上的第一点的空间位置；(o)记录所述第二导轨端壁上的第二点的空间位置；(p)记录所述第二导轨端壁上的第三点的空间位置；(q)计算采用所述第二导轨上的第一、第二和第三点的第一基准平面；以及(r)在与所述位置相关的数据的所述处理中，采用所述平面之一作为所述坐标的基准。
18.如权利要求1所述的方法，包括动作(g)记录所述第一导轨端壁上的第一点的空间位置；(h)记录所述第一导轨端壁上的第二点的空间位置；(i)记录所述第一导轨端壁上的第三点的空间位置；(j)计算采用所述第一导轨上的第一、第二和第三点的第一基准平面；(k)记录所述第二导轨端壁上的第一点的空间位置；(l)记录所述第二导轨端壁上的第二点的空间位置；(m)记录所述第二导轨端壁上的第三点的空间位置；(n)计算采用所述第二导轨上的第一、第二和第三点的第一基准平面；以及(o)在与所述位置相关的数据的所述处理中，采用所述平面之一作为所述坐标的基准。
19.一种通过采用具有机器人机构的电弧焊枪在相邻第一和第二铁路导轨的相对端壁之间窄间隙中沉积熔融金属垂直间隔焊层而自动填充所述间隙的方法，所述机器人机构以由低级机器人执行程序控制的模式在所述间隙内的路径中从一个空间位置向下一空间位置移动所述焊枪，所述方法包括(a)提供理想间隙结构的主数据阵列，所述主数据阵列组成一系列形成所述焊枪的理想化前进的位置以便以由多个位置构成的垂直间隔焊层填充所述理想间隙，每个所述位置由(1)至少四个坐标、(2)其中焊枪位置是一部分的焊层以及(3)要执行到焊枪到达下一固定位置的焊接参数来标志；(b)由所述数据阵列输出所述一系列位置，用于启动所述焊枪从这个位置向那个位置的运动以便执行所述焊接参数；(c)通过检测所述第一导轨端壁上的点而构成第一基准平面；(d)通过检测所述第二导轨端壁上的点而构成第二基准平面；(e)采用所述第一和第二基准平面构成对所填充的实际间隙的表示；(f)修正来自所述数据阵列的输出位置，用于根据所述实际间隙对所述理想间隙的偏移控制所述焊枪的移动。
20.如权利要求19所述的方法，其中由机器人程序进行所述启动，由后台程序进行所述修正。
21.如权利要求20所述的方法，其中所述后台程序是KAREL程序。
22.如权利要求21所述的方法，进一步包括(g)检测所述焊枪的实际z坐标；(h)在所述焊枪移动到特定焊层中的最终位置后，判定是否可以重复该焊层，如果是，则判定是否所述焊枪处于表示焊层正确完成的z坐标；(i)如果所述判定为否，则重复处理构成所述特定焊层的位置。
23.如权利要求22所述的方法，其中由KAREL程序完成所述检测。
24.如权利要求23所述的方法，其中由KAREL程序完成所述检测。
25.一种通过采用具有机器人机构的电弧焊枪在相邻第一和第二铁路导轨的相对端壁之间窄间隙中沉积熔融金属垂直间隔焊层而自动填充所述间隙的系统，所述机器人机构以由低级机器人执行程序控制的模式在所述间隙中的路径上从一个空间位置向下一空间位置移动所述焊枪，所述系统包括一主数据阵列，用于理想间隙结构，所述主数据阵列组成一系列形成所述焊枪的理想化前进的位置以便以由多个位置构成的垂直间隔焊层填充所述间隙，每个所述位置采用至少用(1)四个坐标、(2)其中焊枪位置是一部分的焊层以及(3)要执行到焊枪到达下一位置为止的焊接参数来标志；一计算机，用于由所述数据阵列输出所述位置系列，供所述机器人机构使用以便启动所述焊枪由这个位置向下一个固定位置的移动以执行所述焊接参数；一程序，用于通过检测所述第一导轨端壁上的点而构成第一基准平面和通过检测第二导轨端壁上的点而构成第二基准平面；一基本后台程序，采用所述第一和第二基准平面构成所填充的实际间隙的表示；一后台程序，修正由所述数据阵列输出的位置，以便用于根据所述实际间隙对所述理想间隙的偏移来控制所述焊枪的移动。
26.如权利要求1所述的系统，其中在使用所述机器人机构填充所述间隙之前用由所述焊枪带动的触针检测所述点。
27.如权利要求26所述的系统，包括用于检测所述焊枪的实际z坐标的装置；用于判定是否所述焊枪处于表示特定焊层完成的z坐标的装置；通过构成特定焊层判断是否检测的z坐标显示没有完成所述特定焊层而重复移动的装置。
28.如权利要求25所述的系统，包括用于检测所述焊枪的实际z坐标的装置；用于判定所述焊枪是否处于表示特定焊层完成的z坐标的装置；通过构成特定焊层判断是否检测的z坐标显示没有完成所述特定焊层而重复移动的装置。
全文摘要
通过采用具有机器人机构的电弧焊枪,在相邻第一和第二铁路导轨的相对端壁之间窄间隙中沉积熔融金属垂直间隔焊层而自动填充所述间隙的方法和系统,包括:构成特定间隙的数据阵列,所述阵列组成一系列形成所述焊枪的理想化前进的位置以便以由多个位置构成的垂直间隔焊层填充所述间隙,由所述数据阵列输出关于特定位置的数据;处理与采用所述机器人执行程序的所述输出数据相关的所述焊接参数;接着,输出关于在所述系列点中下一个位置的新固定数据;处理与采用所述所述机器人执行程序的所述新数据相关的所述焊接参数;以及重复所述输出和处理动作直到处理了关于特定焊层的所述数据阵列中的所述位置。
文档编号E01B29/42GK1383463SQ01801874
公开日2002年12月4日 申请日期2001年2月7日 优先权日2000年2月28日
发明者迈克尔·J·莫罗克, 詹姆斯·W·穆马 申请人:林肯环球公司