用于获取焊接电缆能量以驱动焊接子系统的方法和系统与流程

文档序号:13985225
用于获取焊接电缆能量以驱动焊接子系统的方法和系统与流程

本公开总体上涉及焊接系统领域,并且更具体地涉及用于获取焊接电缆能量的方法和系统。

在一般的焊接系统中,子系统和附件由额外的焊接电缆或电池驱动。然而,额外的焊接电缆可导致焊接场地周围不必要的杂乱。而且,电池在焊接操作中可能失去动力,导致焊接过程中操作员混淆或丢失焊接信息。相应地,需要不提供物理连接或采用较大电池来提高组件重量来驱动焊接子系统和附件。



技术实现要素:

在一个实施例中,一种从焊接电缆中获取能量的系统包括设置在焊接电缆附近并且配置为从焊接电缆中感应地抽取电能的能量获取设备。能量获取系统还包括电耦合到能量获取设备并配置为将从焊接电缆中获取到的电能转换成直流电流的整流器。此外,能量获取系统包括电耦合到整流器的电压调节器。电压调节器配置为从整流器接收直流电流并将所述从整流器中接收的直流电流转换为所需电压。

在另一实施例中,焊接系统包括配置为提供电能的焊接电源单元,以及通过焊接电缆电耦合至焊接电源单元的焊枪。焊接系统还包括能量获取设备,其设置在焊接电缆附近并配置为从焊接电缆中抽取电能而不与焊接电缆直接接触。此外,焊接系统包括电压调节器和控制器,其配置为从能量获取设备接收电能,以及包括无线收发机的焊接附件。焊接附件配置为接收并消耗来自电压调节器和控制器的电能。焊接系统还包括能量存储元件,其配置为接收并存储从电压调节器和控制器中接收到的电能。

在另一个实施例中,用于从焊接电缆中获取电能的方法包括,将能量获取设备设置在焊接电缆附近。能量获取设备配置为感应地从流经焊接电缆的电流中获取能量。该方法进一步包括将能量传递到配置为将能量转换为所需电压的电压调节器。该方法还包括将所需电压输出到能量消耗设备。

附图说明

这些和其它特征、方面和本公开的优点参照附图阅读以下详细描述将能更好理解,图中相同的符号代表相同的部件,其中:

图1是根据本公开实施例的可使用能量获取设备的焊接系统的实施例的立体图;

图2是根据本公开的实施例的能量获取系统的实施例的框图;

图3是根据本公开的实施例的偶合至焊接电缆的能量获取设备的实施例的示意图;

图4是根据本公开的实施例的偶合至焊接电缆的能量获取设备的实施例的示意图;

图5是根据本公开的实施例的能量获取系统的电压调节器和控制器的实施例的框图;以及

图6是根据本公开的实施例的用于从焊接电缆中获取电能的方法的实施例的流程图。

具体实施方式

此处描述的实施例包括用于从焊接电缆中获取电能以驱动焊接子系统和附件的系统和方法。例如,能量获取系统可以并入到焊接系统中以从焊接电缆中的电流的波动中获取电能。能量获取设备可设置在焊接电缆附近。在某些实施例中,能量获取设备是焊接电缆周围的绕线。随着变电流(例如,有波纹效应的交流电流或直流电流)流经焊接电缆,电流在能量获取设备的耦合电线中感生,从而将能量从焊接电缆传递到能量获取设备。在其他实施例中,能量获取设备可定位于接近焊接电缆以捕获电流波动在某些实施例中,能量获取系统可包括用于将所捕获的能量转换为所需电压的整流器、电压调节器和其他组件。此外,在某些实施例中,能量获取系统配置为将操作能量供应给无线收发机。尽管在此描述为与从焊接电缆中获取电能的系统和方法相关,但是本文描述的系统和方法可用于其他焊接子系统和附件,例如序列号为14/576,503,名称为“使用焊接子系统的能量获取系统”,以Marc Lee Denis等人的名义于2014年12月19日申请的美国专利申请所公开,其全文纳入本文作为参考。

现参照附图,图1是根据本公开的实施例的可包括能量获取系统的焊接系统10的实施例图。应该理解,尽管本文描述的焊接系统10特别地呈现为气体保护电弧焊(GMAW)系统10,但是当前公开的能量获取系统还可与其他电弧焊工艺(例如药芯焊丝电弧焊(FCAW)、融芯弧焊(FCAW-G)、气钨极电弧焊(GTAW)、横列双丝埋弧焊(SAW)、金属电弧焊(SMAW)或类似电弧工艺),或其他金属制造系统,例如等离子切割系统、感应加热系统等一起使用。正如以下更详细描述,焊接系统10中使用的所有装置和附件可包括能量获取设备。焊接系统10包括焊接电源单元12(即焊接电源)、焊丝进给机14、气体供给系统16和焊枪18。焊接电源单元12通常为焊接系统10和其他各种附件供应电源,并可通过焊接电缆20耦合到焊丝进给机14以及利用具有夹具26的铅包电缆24耦合到工件22。在所示实施例中,焊丝进给机14通过焊接电缆28耦合到焊枪18,以在焊接系统10操作期间为焊枪18供应焊丝和电源。在另一个实施例中,焊接电源单元12可与焊枪18耦合并为其直接供应电源。

在图1所示的实施例中,焊接电源单元12可通常包括功率转换电路,其从交流电源30(例如,交流电网、发动机/发电机装置或其组合)接收输入电源,调节输入电源,并通过焊接电缆20提供直流或交流输出电源。例如,焊接电源单元12可供应具有波纹效应(例如峰值或变化)的直流电输入。此外,交流电输出可具有电流波动。照此,焊接电源单元12可驱动焊丝进给机14,焊丝进给机14继而根据焊接系统10的需求驱动焊枪18。在夹具26中端接的铅包电缆24将焊接电源单元12耦合到工件22以关闭焊接电源单元12、工件22和焊枪18之间的电路。焊接电源单元12可包括电路元件(例如,变压器、整流器、开关及等等),它们能够将交流输入电源转换为正直流电极(DCEP)输出、负直流电极(DCEN)输出、直流变极性,或可变平衡(例如平衡或不平衡)交流输出,如焊接系统10的需求所指示(例如基于焊接系统10执行的焊接过程的类型,等等)。

所示的焊接系统10包括气体供应系统16,其将保护气体或保护气体混合物供应给焊枪18。在所描述的实施例中,气体供应系统16通过气体导管32直接耦合到焊枪18,所述气体导管32是来自焊接电源单元12的焊接电缆20的一部分。在另一实施例中,气体供应系统16可反而耦合至焊丝进给机14,并且焊丝进给机14可调节气体从气体供应系统16向焊枪18的流动。如在此所用的保护气体可指代能够被提供给电弧和/或焊池以提供特定局部环境(例如屏蔽电弧、提高电弧稳定性、限制金属氧化物的形成、改善金属表面湿度,改变焊接熔敷物的化学物质,等等)的任何气体或气体混合物。

此外,在某些实施例中,其它焊接装置和焊接附件(焊接相关设备)可用于焊接系统10。例如,在多数焊接应用中,焊接面罩34可由焊接系统10的操作员佩戴。焊接面罩34为焊接系统10的操作员提供保护,在焊接过程中特别保护操作员眼睛免受与焊弧相关联的闪弧。此外,在某些实施例中,焊接面罩34可向操作员提供与焊接操作参数相关的反馈。例如,焊接面罩34可包括内部显示器,其配置为在焊接操作期间向操作员显示焊接参数。此外,在某些实施例中,焊接附件36(还称为焊接子系统)可用于焊丝进给机14和焊枪18之间进行通信。例如,焊接附件36可以是遥控器(例如无线或有线)、传感器、能量存储设备(例如电池、超级电容器、燃料电池等)等等。另外,焊接附件36是可用在远离相关联的焊接电源单元12和/或焊丝进给机14的焊接应用中的设备。

图1中所示的焊接装置和附件仅是示例性的,而不是用于限定可用在焊接系统10中的焊接装置和附件的类型,并且包括能量获取设备。应当理解,焊接系统10有时可能随着包含在焊接系统10中的焊接装置和附件的数量而变得稍微复杂。

图2是耦合到焊接系统10的焊接电缆28的能量获取系统37的实施例的示意图。尽管在此描述和说明为从焊接电缆28中获取能量,应当理解在此描述的能量获取系统37还可从焊接电缆20中获取能量。在所示实施例中,能量获取系统37的能量获取设备38设置在焊接电源单元12和焊枪18之间。如上所述,焊接电源单元12可通过焊接电缆28耦合到焊枪18。在焊接操作过程中,焊接电缆20、28中的电流可波动,从而建立周期或随机电流变化。能量获取设备38配置为利用焊接电流中的变化从焊接电缆28中抽取电能(例如感应地)并且将从焊接电缆28(例如通过有线连接)中获取的能量分配至一个或多个焊接相关设备,例如图1中所示的焊接附件36。在某些实施例中,能量获取设备38从焊接电缆28中抽取电能,而不直接与焊接电缆28电接触(例如不直接与焊接电缆28的导体接触)。

如上所述,焊接电缆28中的电流波动由能量获取设备38捕获。在某些实施例中,能量获取设备38与整流器40电耦合以将捕获的电流从交流电流(AC)转换为直流电流(DC)。换言之,整流器40配置为把由能量获取设备38从焊接电缆28中获取的电能转化成直流电流。例如,在某些实施例中,整流器40可以是全波电桥、半电桥,等等。并且,在某些实施例中,整流器40可包括二极管或经特殊配置的晶体管器件,例如MOSFET。在所示实施例中,整流器40电耦合到电压调节器和控制器42。电压调节器和控制器42包括用于滤波并调节从整流器40接收到的能量的电路。例如,电压调节器和控制器42可调节输出电压(例如输出所需电压)以适应焊接相关设备的电需求,例如图1所示的焊接附件36。如此,电压调节器和控制器42可将操作能量(例如所需电压)传输到焊接附件36,即便焊接附件36未直接电接触焊接电缆28(例如焊接附件36不是通过与焊接电缆直接电连接而接收操作能量)。此外,电压调节器和控制器42可包括配置为执行程序指令的电路(例如耦合到存储器的微处理器)以向操作员提供有关电压调节器和控制器42从整流器40接收的能量的指示(例如经由能量获取系统37和/或焊接附件36上的音频设备和/或显示设备而产生的声音警告、显示值,等等)。例如,电路可以提供指示,表明整流器40正在为焊接相关设备传递足够的操作能量,例如焊接附件36,并且还向能量存储元件44发送剩余能量以供后续使用。换言之,能量存储元件44配置为接收并存储从电压调节器和控制器42中接收的能量。在某些实施例中,能量存储元件44可以是可充电电池(例如锂离子电池、锂镁电池、铅酸电池)、低漏电容器、超级电容器、燃料电池、固态能量存储设备(例如硅基电容器)、或任何基于化学的能量存储设备。

在某些实施例中,系统可包括具有无线通信电路的无线收发机46。如在此所用,无线收发机指代能够发送和/或接收无线信号的设备。例如,无线收发机46可包括基于IEEE 802.11x的WI-FI无线收发机、IEEE 802.15.1BLUETOOTH无线收发机、IEEE 802.15.4ZIGBEETM无线收发机、蜂窝收发机(例如,4G或LTE蜂窝网络),等等。例如,无线收发机46可耦合到焊接电源单元12或焊枪附件36。如此,例如,无线收发机46可配置成在焊接电源单元12和焊接附件36之间发送和接收信号。但是,在其它实施例中,系统可包括硬线通信或任何其它适合的通信设备。

在焊接操作过程中,能量获取设备38将来自焊接电缆28中的波动的能量转化并将能量发送到整流器40。整流器40将能量转移到电压调节器和整流器42,用于滤波和电压调节。在某些实施例中,电压调节器和控制器42将能量传输到焊接附件36用于消耗。如所示,焊接附件36可安装在焊枪18上,但是在其它实施例中焊接附件36可与焊枪18分离。焊接附件36可包括无线收发机46,其可接收并消耗来自能量获取系统37的操作能量。因此,可以省去与焊枪18额外的有线连接。另外,在某些实施例中,电压调节器和控制42可将能量传输到能量存储元件44。

在某些实施例中,能量获取设备38、整流器40和电压调节器和控制器42可包裹在共用壳体中(例如焊接电源单元12、焊丝进给机14、焊枪18、焊接附件36或与焊接系统10相关联的其他焊接相关设备之内或之上)。例如,能量获取系统37可耦合到焊枪18上。但是,在某些实施例中,能量获取系统37的组件可设置在遍布焊接系统10(例如焊接电源单元12、焊丝进给机14、焊枪18、焊接附件36或与焊接系统10相关联的其他焊接相关设备之内或之上)的单独壳体之中。例如,能量获取设备38可耦合到焊接电缆28而整流器40和电压调节器和控制器42设置在焊接附件36上。

图3是设置在焊接电缆28上的用于接收焊接电流中的波动的能量获取设备38的示意图。在所示实施例中,能量获取设备38是焊接电缆28周围感应地耦合的元件绕线。能量获取设备38可以是设置在焊接电缆28附近的引线(例如铜线)回路。因此,流经焊接电缆28的电流在能量获取设备38中感生电流(例如,经由感应回路耦合元件)。如上所述,电流被传送到整流器40和/或电压调节器和控制器42,用以通过焊接系统10进行滤波或后续分配(例如,分配至焊接附件36)。尽管所示实施例描述了卷绕在焊接电缆28周围的电线,但是在其它实施例中,能量获取设备38可以是“悬挂”或夹在焊接电缆28上的元件。例如,能量获取设备38可包括用于将电线直接附接到焊接电缆28或其附近的夹子,但无需形成欧姆接触。即,来自焊接电缆28的能量通过感应耦合机制来传送。

图4是设置在焊接电缆28附近的能量获取设备38的另一个实施例的示意图。在所示实施例中,能量获取设备38的电线设置在焊接电缆28附近,用以接收通过焊接电缆28的电流中的波动。电线的位置靠近焊接电缆28使得电流中的波动感应耦合。因此,能量获取设备38的电线从焊接电缆28中接收能量以向焊接系统10的焊接相关子系统提供操作能量,例如焊接附件36(例如,然而焊接附件36不是通过与焊接电缆的直接电接触而接收操作能量)。

另外,焊接电流波动可随机并周期性地出现。调制解调器焊接电源利用了开关逆变器拓扑结构,其在焊接电缆上产生几十千赫兹正弦频率伪影。因此,在另一个实施例中,能量获取设备38包括动态可调谐振电路(例如,谐振耦合结构)以便更高效地将电路耦合到焊接电缆28上的特定频率范围,其中大量的能量可被清除。谐振频率可基于闭环软件算法在一定调节范围内修改,该算法可在微控制器或硬件上执行,例如运算放大器等,以便使能量相对时间的传递最大化。相应地,谐振耦合结构的耦合带宽、耦合频率和耦合系数可调节。此外,在某些实施例中,谐振电路不可调。例如,焊接电缆28的波动可具有实现能量获取的特定频率。因此,谐振电路可调节为实现能量获取的频率。

图5是焊接系统10的能量存储和传递组件的示意图。如上所述,整流器40电耦合到电压调节器和控制器42。电压调节器和控制器42配置为在将能量传输至焊接附件36和/或能量存储元件44之前从整流器40接收能量并处理该能量(例如,滤波、降低电压,等)。在所示实施例中,电压调节器和控制器42包括调节器48、滤波器50、能量优化电路52、处理器54和存储器56。通过利用电压调节器和控制器42的不同组件,经由能量获取设备38从焊接电缆28接收的能量可被传输至焊接附件36和/或能量存储元件44。

在所示实施例中,调节器48从整流器48接收能量并将能量(例如所需电压)供应到焊接附件36和能量存储元件44。例如,调节器48可将从整流器40接收的能量转换并保持稳定。此外,在其它实施例中,调节器48可减少供应给焊接附件36和/或能量存储元件44的能量。在某些实施例中,调节器48可以是具有电阻器以减小来自调节器48的输出电压的电路、自动调节器、电压调节器模块,等等。调节器48通信地耦合到滤波器50、能量优化电路52和处理器54。因此,调节器48可在能量传输到焊接附件36和/或能量存储元件44之前将能量输出到滤波器50用以进一步处理(例如噪声消除等)。然而,在某些实施例中,调节器48可直接将能量输出到能量优化电路52。此外,尽管所示实施例先于滤波器50(例如在上游)包括调节器48,但是在其它实施例中,从整流器40接收到的能量可在电压被调节器48控制之前(例如上游)由滤波器50进行滤波。此外,调节器48可从处理器54接收信号。例如,处理器54可向调节器48发送信号,指示所需的输出电压(例如,其可由焊接附件36或无线收发机46的操作电压而决定)。基于从处理器54接收到的信号,调节器48可输出所需的输出电压用以为焊接相关设备(例如焊接附件36、无线收发机46等等)提供操作能量。

由于焊接过程的开启和关闭的实际情况,供应给电压调节器和控制器42的能量可以是间歇性的,因为电弧电流只有当在焊接时才是有源的。此外,在某些实施例中,流经焊接电缆28的直流电流可具有波纹效应,从而引起焊接电缆28供应的能量产生波动。相应地,能量优化电路52可配置为高效地将操作能量供应给焊接附件36和/或能量存储元件44。例如,在低能量输出或间歇能量输入期间,能量优化电路52可将能量从能量存储元件44而非从能量获取设备38引导至焊接附件36(例如为焊接附件36的集成电路电池充电)。然而,能源优化电路52可从焊接附件36接收信号,指示集成电路电池已充满电量。因此,能量优化电路52可在高能量输入期间将能量从能量获取设备38重新引导到能量存储元件44以使用。此外,能量优化电路52可配置为与处理器54通信。例如,处理器54可将向量优化电路52发送信号,命令能量优化电路52将电能传输给能量获取设备38而非焊接附件36,或进行相反切换。因此,能量优化电路52可调节从能量获取设备38接收到的电能在焊接附件36和能量存储元件44之间的流动。

如上所述,处理器54可向调节器48和/或能量优化电路52发送信号,以控制电压调节器和控制器42的功能。例如,处理器54可向能量优化电路52发送信号以将能量引导至能量存储元件44而非焊接附件36。存储器56可以是任何类型的用以存储数据和可执行指令的非暂时性机器可读媒介,例如随机读取存储器、只读存储器、可重写闪存储器、硬盘驱动器、光盘等等。处理器54可执行存储在存储器56上的指令。例如,存储器56可包含机器可读编码,例如可由处理器54执行的指令。在一些实施例中,存储器56和处理器54可使电压调节器和控制器42和/或焊接系统10自动(例如处理器/存储器控制的)操作。

图6是用于从焊接电缆28获取能量的方法60的实施例的流程图。在方框62处能量获取设备38设置为靠近焊接电缆28。例如,在某些实施例中,能量获取设备38可通过卷绕焊接电缆28来利用感应耦合。因此,焊接电缆28中的电流波动将感生穿过能量获取设备38电流。然而,在其他实施例中,可利用电容性拾波器、电磁耦合等从焊接电缆28接收能量。在某些实施例中,能量获取设备38接收的能量经由整流器40转换成了直流电流。例如,整流器40可包括用以产生直流电流的全波电桥。在方框64处能量被传递至电压调节器和控制器42。在方框66处电压调节器和控制器42将从能量获取设备38接收到的能量输出。例如,电压调节器和控制器42可将能量分配给焊接附件36和/或能量存储元件44。因此,可利用焊接电缆28中的电流波动向焊接系统10的辅助组件提供操作能量。

如上文所详细描述,能量获取设备38设置在焊接电缆28附近,用以从流经焊接电缆28的电流的波动中接收能量。在某些实施例中,能量获取设备38将能量从焊接电缆28传递到整流器40用于处理(例如转化为直流电流)以及后续向电压调节器和控制器42的传递。电压调节器和控制器42配置为处理信号(例如滤波、调节等)并将能量分配给焊接附件36和/或能量存储元件44。相应地,焊接附件36(或与焊接系统10相关联的其他焊接相关设备)可从能量获取设备38获得操作能量,从而减少焊接附件36(或与焊接系统10相关联的其他焊接相关设备)上的板上存储设备的大小并且减少焊接系统10中的物理电连接件的数量。

尽管本文仅仅示出并说明了本公开的某些特征,但是对本领域技术人员而言,将产生许多修改和变化。因此,可以理解,附加权利要求旨在覆盖所有本公开内容的真正精神内的改进和变化。

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