专利名称：电弧焊设备及其控制方法
技术领域：
本发明涉及一种电弧焊设备，尤其是涉及能能根据焊接条件实时改变焊接功率从而获得良好焊接质量的电弧焊设备及其控制方法。
在对这种母材进行焊接操作中，主要是使用电弧焊工艺。电弧焊工艺能够在焊炬与母材之间产生强电流，同时为焊炬供应金属线焊条，以便瞬间使金属线焊条和母材熔化，从而在金属线焊条与母材之间形成熔合。为了进行焊接操作，对适用于特定类型母材的预定焊接参数和需要焊接的母材之间的熔化接触形状进行设定，并提前输入至机器人中。这些焊接参数包括焊接电流、焊接电压、焊炬与母材之间的距离、金属线焊条供应速度以及焊炬的摇摆运动速度。名词“摇摆运动”是指焊接机器人沿简单直线/曲线焊接路径运动，同时左右摆动，以便增加经过一次路径的焊接焊透度。
图1为一个曲线图，其中示出了传统电弧焊设备的电流源变化。如图1所示，在从焊接工艺起点开始的时间段“T1”期间提供基电流“A1”。经过时间段“T1”之后，基电流“A1”在时间段“T2”中逐步增加到最大电流“A2”。在基电流“A1”增加至最大电流“A2”后，在预定时间段“T3”期间提供最大电流“A2”进行主焊接工序。经过时间段“T3”之后，最大电流“A2”在时间段“T4”中逐步减小到终止电流“A3”。终止电流“A3”低于最大电流“A2”但高于基电流“A1”。在时间段“T5”期间提供终止电流“A3”，焊接操作完成。在焊接过程中，基电流“A1”和终止电流“A3”可以在焊接操作的起点和终点平稳地产生电弧。
如上所述，传统焊接机器人根据需要焊接的母材的类型预先确定基电流、最大电流和终止电流，在这些电流下进行焊接。当目标材料具有锥形形状时(即目标材料很薄)，目标材料的内部温度迅速增加，因此对母材造成损害。因此。由于不是根据焊接条件对输出电流进行实时控制，焊接质量的恶化(如母材的损害)经常发生。
本发明其他的目的和优点部分将在下面的说明中得到阐述，部分从说明中得到显而易见的了解，或者可以从实施本发明中得到理解。
本发明的上述及其他目的是通过提供一种电弧焊设备实现的，该电弧焊设备包括诸如焊接机器人的机器人机构；焊接单元，其包括位于机器人机构的铰接部分上的焊炬；控制单元，其根据焊接条件和焊接路径设定焊接文档(welding profile)，并根据焊接文档对机器人机构和焊接单元进行实时控制。
本发明的上述及其他目的是通过提供一种电弧焊设备的控制方法实现的，该方法包括为母材设定焊接条件；在母材上设定焊接路径；根据焊接条件和焊接路径设定焊接文档和变化系数；根据焊接文档进行焊接操作。
图5A至图5E为曲线图，示出了图2所示电弧焊设备的运转。
图2是根据本发明实施例的电弧焊设备的框图。如图2所示，电弧焊设备包括机器人机构200(即焊接机器人)；焊接单元300，焊接单元300包括位于机器人机构200铰接部分上的焊炬320、气体供应器330、金属线焊条供应器340和电弧焊控制器310，电弧焊控制器310用于控制焊炬320、气体供应器330和金属线焊条供应器340。电弧焊设备还包括控制单元100，用于控制机器人机构200和焊接单元300。
控制单元100包括中央处理单元50，用于控制电弧焊设备的全部运转。中央处理单元50连接至输入装置10，输入装置10具有多个输入按钮，使来自操作者的操作指令和数据输入至中央处理单元50。另外，中央处理单元50连接至图像处理器20，处理器20具有激光录像，可以计算焊接母材上的焊接路径，中央处理单元50还连接至用于检测母材温度的温度检测器30。温度检测器30通过接触或非接触对母材的温度进行检测，并将检测到的温度传送至中央处理单元50。
控制单元100包括用于存储数据和程序的存储单元40，还包括用于控制机器人的轴控制器60、与焊接单元300的焊接控制器310相连接的焊接接口70、与外部设备进行通信的通信单元80以及用于显示操作信息的显示器90。控制单元100包括的所有元件都通过总线连接至中央处理单元50。控制单元100还包括伺服电路62，伺服电路62连接至轴控制器61，以控制伺服电机(未示出)驱动机器人机构200的各个轴。
存储单元40包括用于存储控制程序的第一存储部分41和用于存储数据和控制参数的第二存储部分42。显示器90包括CRT或LCD，用于显示机器人机构200的运转状态。轴控制器61包括用于控制多个轴的插补器(未示出)。机器人机构200在其各个旋转位置包括多个传感器(编码器未示出)。传感器检测到的数据通过编码器63传送至中央处理单元50，中央处理单元50将接收的数据存储在第二存储部分42。通信单元80连接至外部设备以接收程序、数据指令和操作指令。通信单元包括串行通信单元、并行通信单元、现场总线通信单元和局域网(LAN)单元。
下面将描述电弧焊工艺。
首先将母材固定在焊接夹具中。中央处理单元50根据以前存储的数据进行焊接操作。在焊接操作开始之前，对焊接起点、焊接终点以及焊接区域的焊接线进行检验。从而以母材的真实位置为基础对焊接起点、焊接终点以及焊接线中存在的误差进行补偿。
对焊接区域的焊接起点、焊接终点以及焊接线进行计算和检验的方法是众所周知的。例如，在一种方法中，相对于焊接线母材之间接触区域的形状以及大概的焊接起点和焊接终点被预先确定。焊炬320设置在邻近焊接起点的空间位置上，并向母材移动。对焊炬与母材之间的接触进行检测，以确定母材的位置。随后以确定的母材位置和母材之间接触区域的形状为基础计算出焊接线，从而沿焊接线进行焊接操作。
当焊炬320位于焊接起点，金属线焊条供应器340供应充足的金属线焊条，同时气体供应器供应屏蔽气体，从而在母材上进行焊接操作。
下面将描述电弧焊设备的控制方法。
图3为图2所示电弧焊设备的控制方法的流程图。如图3所示，中央处理单元50确定需要的焊接参数(S100)。焊接条件包括与母材种类、焊接电压和电流等相关的值。有关焊接条件的数据通过输入装置10或通信单元80输入，中央处理单元50将输入的数据存储在第二存储部分42中。
在步骤(S100)中确定焊接条件之后，中央处理单元50通过图像处理器20确定焊接路径(S200)。图像处理器20使用激光录像计算出焊接路径，并将焊接路径传送至中央处理单元50。如上所述，中央处理单元50确定焊接路径，并将与确定的焊接路径相关的数据存储在第二存储部分42中。中央处理单元50以在步骤S100中确定的焊接条件和在步骤S200中确定的数据为基础建立焊接文档(S300)，从而根据焊接文档完成焊接操作(S400)。
图4A为流程图，其示出了在步骤S300中建立焊接文档的操作。如图4A所示，从在步骤S200确定的焊接路径获得的数据由中央处理单元50从第二存储部分42中载入，从而能够以数据为基础对焊接电压/焊接电流的文档进行计算(S310)。中央处理单元50对计算出的文档进行分析(S320)。在步骤S330中央处理单元50根据分析结果计算出变化系数。中央处理单元50将计算出的变化系数存储在第二存储部分42中(S340)，并返回建立步骤的起点。
图4B为流程图，其示出了在步骤S400中焊接文档的焊接操作。如图4B所示，中央处理单元50控制机器人机构200和焊接单元300进行焊接操作(S410a)。首先，中央处理单元50通过轴控制器61控制伺服电路62将焊炬320移动至焊接起点。在这里，编码器63对安装在机器人机构200的各个旋转位置上的传感器发出的输出信号进行处理，并将输出信号传送至中央处理单元50。因此，中央处理单元50能够知道机器人机构200的当前位置，从而通过轴控制器61控制伺服电路62将焊炬320精确定位在焊接起点上。
当焊炬320位于焊接起点上时，中央处理单元50通过焊接接口70将数据(即根据焊接文档)发送至焊接单元300。电弧焊控制器310控制气体供给器330，使气体供给器330供应气体，并且在经过一段时间(T)后，为焊炬320供电。金属线焊条供应器供应金属线焊条，补充由于进行焊接操作所消耗的金属线焊条。因此，中央处理单元50控制机器人机构200进行焊接操作，因而焊炬320以预定速度沿焊接路径移动。
当按照上述方式进行焊接操作时，中央处理单元50计算出进行焊接操作需要的时间，并通过从编码器63接收的输出信号确定当前焊接位置(S420a)。此后，中央处理单元50以接收的输出信号结果为基础确定焊接文档是否需要改变(S430a)。在步骤S430a中，中央处理单元50确定由来自编码器63的输出信号确定的当前焊接位置是否对于焊接文档是改变的位置，从而确认焊接文档是否改变。在步骤S430a中，如果当前焊接位置对于焊接文档是改变的位置，中央处理单元50通过将存储在第二存储部分42中的相关数据载入，从而再次设定焊接文档(S440a)。但是，在步骤S430a中，中央处理单元50可以通过确定焊接时间来确定焊接文档已经改变，而不是通过确定由来自编码器63的输出信号确定的当前焊接位置。
中央处理单元50确定焊接操作是否完成(S450a)。在步骤S450a中，如果焊接操作已经完成，中央处理单元50向电弧焊控制器310发送完成焊接操作的信号。随后，电弧焊控制器310中断对焊炬320的供电，并在经过预定的时间段(T)后，控制气体供应器330停止气体供应，并完成焊接操作(S460a)。
图4C为流程图，其示出了焊接步骤S400的另一个实例。如图4C所示，中央处理单元50控制机器人机构200和焊接单元300进行焊接操作。首先，中央处理单元50通过轴控制器61控制伺服电路62将焊炬320移动至焊接起点。在这里，编码器63对安装在机器人机构200的各个旋转位置上的传感器发出的输出信号进行处理，并将输出信号传送至中央处理单元50。因此，中央处理单元50能够知道机器人机构200的当前位置，从而通过轴控制器61控制伺服电路62将焊炬320精确定位在焊接起点上。
当焊炬320位于焊接起点上时，中央处理单元50通过焊接接口70将数据(即根据焊接文档)发送至焊接单元300。电弧焊控制器310控制气体供给器330，使气体供给器330供应气体，并且在经过一段时间(T)后，为焊炬320供电。金属线焊条供应器供应金属线焊条，补充由于进行焊接操作所消耗的金属线焊条。因此，中央处理单元50控制机器人机构200进行焊接操作，因而焊炬320以预定速度沿焊接路径移动。
当按照上述方式进行焊接操作时，中央处理单元50检测母材的温度(S420b)。随后，中央处理单元50以检测到的母材温度为基础确定焊接文档是否需要改变(S430b)。如果在步骤S430b中检测的母材温度对于焊接文档是改变的温度，中央处理单元50通过将存储在第二存储部分42中的相关数据载入，从而再次设定焊接文档(S440b)。
中央处理单元50确定焊接操作是否完成(S450b)。在步骤S450b中，如果焊接操作已经完成，中央处理单元50通过焊接接口70向电弧焊控制器310发送完成焊接操作的信号。随后，电弧焊控制器310中断对焊炬320的供电，并在经过预定的时间段(T)后，控制气体供应器330停止气体供应，并完成焊接操作(S460b)。
图5A至图5E为曲线图，其中示出了图2所示电弧焊设备的运转。焊接文档分别为电压(图5D)和电流设定(图5E)。在根据焊接文档的焊接操作过程中，母材的温度增加。此处，气体供应被启动(图5B)，在经过预定时间段(T)之后，施加电能(电压/电流)。如果电源被切断，在经过预定时间段(T)之后，中断气体供应。
如图表所示，在电能(电压/电流)值改变的位置表示焊接文档的改变点。改变点是以母材温度、焊炬位置或焊接时间为基检测的，并以此改变电能。
如上所述，本发明涉及一种电弧焊设备机器控制方法，其中母材的焊接条件和在母材上的焊接路径是预先确定的。以焊接条件和焊接路径为基础设定焊接文档和变化系数，因而可以根据焊接文档进行焊接操作。因此，可以根据条件和母材状态对焊接装置的焊接功率进行实时控制，因此无论对于何种类型的焊接母材都可以获得良好的效果。
虽然对本发明的优选实施例进行了说明，但本领域的技术人员可以理解，在不脱离由权利要求书及其等同物所限定的本发明的原理和精神的范围的情况下，可以对这些实施例进行修改。
权利要求
1.一种电弧焊设备，包括机器人机构；焊接单元，其包括位于机器人机构的旋转位置上的焊炬；及控制单元，其根据焊接条件和焊接路径设定焊接文档，并根据焊接文档对机器人机构和焊接单元进行实时控制。
2.根据权利要求1所述的电弧焊设备，其中焊接单元包括气体供应器；金属线焊条供应器；及电弧焊控制器，其通过控制单元控制气体供应器、金属线焊条控制器和施加在焊炬上的功率。
3.根据权利要求1所述的电弧焊设备，其中控制单元控制电弧焊控制器，以便对施加在焊炬上的功率进行实时控制。
4.根据权利要求1所述的电弧焊设备，其中控制单元包括中央处理单元；输入装置，其具有输入按钮，以便使操作者发出的操作指令和数据可以输入至中央处理单元；对母材上的焊接路径进行计算的图像处理器；轴控制器，其通过中央处理单元控制伺服电路，从而驱动机器人的各个轴；编码器，其用于检测来自机器人机构的信号，并将所述信号传送至中央处理单元；和将中央处理单元和焊接单元相连的焊接接口。
5.根据权利要求4所述的电弧焊设备，其中图像处理器包括激光录象，其使用激光对母材上的焊接路径进行计算。
6.根据权利要求4所述的电弧焊设备，其中控制单元包括用于检测母材温度的接触型温度传感器或非接触型温度传感器。
7.根据权利要求4所述的电弧焊设备，其中控制单元包括通信单元，其使中央处理单元可以与外部设备进行通信；显示操作信息的显示单元；存储电弧焊设备的控制程序的第一存储部分；和存储数据和控制参数的第二存储部分。
8.根据权利要求7所述的电弧焊设备，其中通信单元连接至外部设备以便接收程序、数据和操作指令，并且是从无线通信、串行通信、并行通信、现场总线通信和局域网(LAN)中选择的。
9.一种电弧焊设备的控制方法，包括为母材设定焊接条件；在母材上设定焊接路径；根据焊接条件和焊接路径设定焊接文档和变化系数；及根据焊接文档进行焊接操作。
10.根据权利要求9所述的电弧焊设备的控制方法，其中焊接条件的设定是根据母材事先设定的，并包括焊接参数，焊接参数包括用于设定母材的焊接文档的焊接电压和电流。
11.根据权利要求9所述的电弧焊设备的控制方法，其中设定焊接路径包括计算母材厚度的变化。
12.根据权利要求9所述的电弧焊设备的控制方法，其中设定焊接文档包括根据焊接条件和焊接路径计算焊接文档以控制焊接功率；根据计算出的焊接文档计算变化系数以控制焊接功率。
13.根据权利要求9所述的电弧焊设备的控制方法，其中进行焊接操作包括根据焊接文档进行焊接操作；根据变化系数确定当前位置是否是焊接文档的改变位置；如果焊接文档的当前位置已改变，则重新设定焊接文档；确定当前位置是否是完成焊接操作的位置；如果当前位置是完成焊接操作的位置，则关闭焊接电源，在经过预先确定的时间段后，切断气体供应以完成焊接操作。
14.根据权利要求9所述的电弧焊设备的控制方法，其中进行焊接操作包括根据焊接文档进行焊接操作；检测母材的温度；根据变化系数确定检测到的温度是否为焊接文档的改变温度；如果焊接文档的检测温度已经改变，则重新设置焊接文档；确定当前位置是否是完成焊接操作的位置；如果当前位置是完成焊接操作的位置，则关闭焊接电源，在经过预先确定的时间段后，切断气体供应以完成焊接操作。
15.根据权利要求9所述的电弧焊设备的控制方法，其中进行焊接操作包括根据焊接文档进行焊接操作；根据变化系数确定焊接文档的焊接时间已经改变；如果焊接文档的检测温度已经改变，则重新设置焊接文档；确定焊接时间是否是完成焊接操作的时间；如果焊接时间是完成焊接操作的时间，则关闭焊接电源和气体以完成焊接操作。
16.一种用于焊接母材的电弧焊设备，包括机器人机构；焊接单元，其包括位于机器人机构的旋转位置上的焊炬；控制单元，其在母材上设定预定的焊接条件和焊接路径，以焊接条件和焊接路径为基础设定焊接文档和至少一个变化系数，并根据焊接文档和至少一个变化系数控制机器人机构和焊接单元。
17.根据权利要求16所述的电弧焊设备，其中至少一个变化系数包括用于进行焊接操作的时间段和焊接单元的当前焊接位置。
18.根据权利要求17所述的电弧焊设备，其中控制单元将时间段和当前焊接位置与焊接文档进行比较，并根据比较结果改变焊接文档。
19.根据权利要求16所述的电弧焊设备，其中至少一个变化系数包括母材的温度。
20.根据权利要求19所述的电弧焊设备，还包括用于确定母材温度的温度传感器，其中控制单元将母材温度与焊接文档进行比较，并根据比较结果改变焊接文档。
21.一种用于焊接母材的电弧焊设备的控制方法，包括为母材的焊接操作确定焊接文档；在进行焊接操作时确定母材的状态；和在进行焊接操作时以确定的状态为基础控制焊接功率。
22.一种用于焊接母材的电弧焊设备，包括机器人机构；焊接单元，其包括位于机器人机构的旋转位置上的焊炬；和控制单元，其根据用于母材的预定焊接条件设定焊接文档，以预定的焊接条件为基础检测焊接文档中的改变，并根据焊接文档中的改变实时控制机器人机构和焊接单元以进行焊接操作。
23.根据权利要求22所述的电弧焊设备，其中变化系数用于检测焊接文档中的改变。
24.根据权利要求23所述的电弧焊设备，其中变化系数以母材温度中的改变、焊接单元的当前位置或时间为基础。
25.根据权利要求23所述的电弧焊设备，还包括判断单元，其根据变化系数确定当前位置是否是焊接文档的改变位置；重新设置单元，如果当前位置相对于焊接文档已经改变，其重新设置焊接文档。
26.根据权利要求23所述的电弧焊设备，还包括判断单元，其根据变化系数确定温度是否是焊接文档的改变温度；重新设置单元，如果温度相对于焊接文档已经改变，其重新设置焊接文档。
全文摘要
一种电弧焊设备及其控制方法，其实时改变焊接功率，从而获得良好的焊接质量。所述电弧焊设备包括机器人机构，例如焊接机器人；焊接单元，其包括位于机器人机构的铰接部分上的焊炬；控制单元，其根据焊接条件和焊接路径设定焊接文档，并根据焊接文档对机器人机构和焊接单元进行实时控制。所述控制方法包括为母材设定焊接条件；在母材上设定焊接路径；根据焊接条件和焊接路径设定焊接文档和变化系数；根据焊接文档进行焊接操作。因此，通过根据母材的条件实时控制焊接功率，无论对于何种类型的母材，电弧焊设备及其控制方法都能获得良好的焊接结果。
文档编号B23K9/10GK1425527SQ0214155
公开日2003年6月25日 申请日期2002年9月2日 优先权日2001年12月14日
发明者洪性榛 申请人:三星电子株式会社