专利名称：送丝电机控制系统和方法
送丝电机控制系统和方法相关申请的交叉引用本申请主张2010年3月10日提出的名称为“电机温度估计程序”的第61/312，531号美国临时专利申请和2011年I月17日提出的名称为“送丝电机控制系统和方法”的第13/007, 935号美国专利申请的优先权，上述申请在此通过引用的方式并入本文。
背景技术：
本发明大体上涉及焊接系统，具体涉及用于焊接系统的送丝驱动系统。焊接工艺越来越广泛地应用于各个行业和领域。虽然焊接工艺能在某些情况下实现自动化，但仍有大量的应用须手动实施焊接作业。这种焊接作业依靠多种设备保证在所需的时间提供适当数量的焊接耗材(例如，送丝、保护气体等)。举例来说，金属惰性气体(MIG)保护焊接一般依靠送丝机来保证向焊炬输送适量焊丝。 通常，这种送丝机有利于按所需的速度从焊丝卷筒向焊炬送丝，在整个焊接作业过程中，送丝速度基本恒定。为此，现有技术的推拉型送丝机依靠推动电机和拉动电机相互配合来建立适当的焊丝张力以驱动焊丝卷筒向焊炬输送适量的焊丝。上述系统特别适用于铝焊丝等如下产品推动经过焊接电缆，因而在通过焊炬的机动进给装置来拉动下推离送丝机时缺乏对抗柱加载所需的强度。但是，各台电机的速度会在送丝运行中发生变化，往往导致送丝速度的不良变化。例如，在运行过程中，随着每个电机均产生运行高温，使电机速度发生变化(例如，速度增加)，从而影响送丝速度，并且可能使焊丝承受不良应力。这类特性限制了传统送丝机的效率和实用性。因此，需要能够克服上述缺点的送丝系统。
发明内容
在一个示范性实施方式中，焊接系统包括焊接电源，焊接电源包括电源转换电路，电源转换电路适于接收主电源并且把主电源转换成适合在焊接作业中使用的焊接电源输出。焊接系统还包括具有丝卷筒的送丝机、用于按所需的张力水平从焊丝卷筒中抽取焊丝的推动电机、与推动电机连接并适于测量推动电机温度的第一温度传感器和接收温度传感器的温度反馈的控制电路。送丝机接收焊接电源的一种或多种电源、气体和控制信号。送丝系统还包括焊炬装置，焊炬装置包括拉动电机和第二温度传感器，其中，所述拉动电机用于确定从焊丝卷筒开始送丝时所需的送丝速度，所述第二温度传感器与拉动电机相连接并适于监控拉动电机温度。送丝机的控制电路适于接收第二温度传感器的温度反馈，根据第一温度传感器反馈和第二温度传感器反馈中的至少一种反馈来控制推动电机和拉动电机中至少一台电机的运行。在另一个实施方式中，送丝驱动装置包括在其中安装有焊丝的焊丝卷筒，适于转动焊丝辊以驱使焊丝卷筒的焊丝前往焊炬的推动电机以及与推动电机相连接并适于测量推动电机温度的温度传感器。送丝驱动装置还包括电机控制器，电机控制器连接温度传感器和推动电机，接收温度传感器的温度反馈，利用温度反馈调节推动电机速度。在另一个实施方式中，焊接系统的推拉送丝控制方法包括确定电机的运行温度，其中所述电机适于转动送丝辊以驱使焊丝卷筒的焊丝前往焊炬，根据确定的运行温度近似与电机运行相关的一个或多个运行常数，和调节与电机有关的一项或多项运行参数值以将电机速度保持为所需的速度值。根据电机的运行温度确定一项或多项运行参数值。
参考附图阅读如下详细的描述，本发明的特性、方面和优点将变得更好理解，在所有附图中相同的附图标记表示相同的部件，其中图I显示了本发明某些方面所述的一个示范性焊接系统，该系统驱动、控制焊接作业并提供焊接作业耗材；图2的框图显示了本发明实施方式所述的示范性焊接电源、示范性送丝机和示范性焊炬装置的各种部件；图3显示了本发明某些方面所述的一种示范性方法，一个示范性送丝控制器可以 利用该方法来凭借电机温度反馈控制推拉送丝作业；图4显示了本发明实施方式所述的一种示范性方法，可供电机控制器用于在整个焊接作业中保持基本恒定的电机速度；以及图5显示了本发明某些方面所述的外加电压-电机速度图的一个实施方式。
具体实施例方式下面将详细说明焊接系统的实施方式，所述焊接系统包括速度控制系统，速度控制系统被配置为控制焊丝从焊丝卷筒经焊炬进入焊接作业的推拉送丝速度基本相同。本文公开的焊接系统的实施方式包括一个或多个温度传感器，所述温度传感器至少与送丝驱动装置的推动电机和拉动电机中的一台电机有关，送丝驱动装置通过焊炬输送焊丝作焊接作业使用。例如设置于送丝机内的速度控制系统的控制器接收一个或多个温度传感器的反馈，并且根据这种反馈确定一个或多个温度相关常数。这样，控制器能利用电机温度反馈调节送丝操作的一项或多项参数(例如，电机电枢电阻)，使推动电机及/或拉动电机保持基本固定的理想速度。相应地，本发明的实施方式能利用电机温度反馈调节送丝驱动系统一台或多台电机的速度。上述特性使焊炬处的送丝速度在整个焊接作业过程中基本保持稳定，即使驱动系统的电机在使用过程中升温也是如此，从而具有明显的优势。现在结合附图进行说明，图I显示了一个示范性焊接系统10，焊接系统10驱动、控制焊接作业，提供焊接作业耗材。焊接系统10包括电焊机12，电焊机12具有控制面板14，焊工可通过控制面板14来控制例如气流、送丝速度等焊接材料供应到焊炬16。为此，控制面板14包括例如旋钮18等输入设备或界面设备，操作员可以利用输入设备或界面设备调节焊接参数(例如，电压、电流等)。焊接线20连接电焊机12和工件夹22，工件夹22连接工件24，在焊接作业中在电焊机12和焊炬16之间构成完整的电路。焊接系统10还包括台式送丝机26，台式送丝机26向焊炬16提供用于焊接作业的焊丝。为此，所示实施方式的送丝机26包括控制面板28，使用户能够设置例如送丝速度等一项或多项送丝参数。所示实施方式的送丝机26还包括支架结构30，所述支架结构30适于接纳焊丝卷筒32。另外，送丝机26包括送丝驱动装置34，所述送丝驱动装置34抽取焊丝卷筒32的焊丝，使焊丝送往焊炬16。送丝机26和送丝驱动装置34可能包含例如电机、一个或多个驱动辊等各种内部构件，其相互配合以适合既定作业的所需方式抽取焊丝卷筒32的焊丝。例如，在一个实施方式中，送丝机26包含推动电机，推动电机连接送丝驱动装置34的温度传感器。另外，这种实施方式包括设置于送丝机内的控制器，控制器连接推动电机和温度传感器。控制器可经过配置监控检测到的温度，改变一项或多项电机控制参数，使推动电机保持大致固定的运行速度，详情参见下文。需要注意的是，虽然图I所示的实施方式采用的是台式送丝机26，但是在其他实施方式中，送丝机26可以是任意适合的送丝系统，比如各种推拉送丝系统中的任意系统，其被配置为利用一台或更多电机使焊丝送往焊炬。事实上，可以结合台式送丝机和/或非台式送丝机(吊杆型送丝机及便携式手提箱型送丝机等)的电机使用本发明的实施方式。这种送丝机可配合任何送丝工艺使用，例如包括气体作业(气体保护金属极弧焊(GMAW))或无气体作业(电弧焊(SMAW))。例如，送丝机可应用于金属惰性气体保护焊(MIG)和焊条电焊。事实上，本发明的实施方式包括所有如下送丝机具有送丝电机以及在焊接作业过程中采集或估计电机温度相关反馈的机构。在所示的实施方式中，各种电缆将焊接系统10的部件连在一起，方便向焊炬16供应焊接材料。可分出各种单一导线38的第一电缆36连接焊炬16和送丝机26。电缆束40·连接电焊机12和送丝机26，并且提供用于焊接作业的焊接材料。电缆束40包括电源线42和控制电缆44。需要注意的是，在某些实施方式中，电缆束40未捆绑在一起，和/或可以包括附加数据线、电源线或其他适合的导线。另外，作为焊炬16的供气源的气罐46通过气体导管48连接送丝机26。在本发明的实施方式运行期间，焊接系统10的构件配合通过推拉送丝系统通过焊炬16将焊丝送至焊接作业。为此，在这种实施方式中，焊炬16包含拉动电机和送丝机26，所述拉动电机经配置确定对焊接作业的送丝速度，所送丝机26包括推动电机，所述推动电机经配置从焊丝卷筒32抽取所需的焊丝量以使拉动电机和推动电机之间的焊丝适当张紧。这样，拉动电机和推动电机相互配合，以使从焊丝卷筒32通过焊炬16送往焊接作业的送丝保持所需的速度。为此，如本文所述，一台或两台上述电机可以连接例如热敏电阻等温度传感器，所述温度传感器经配置在焊接作业期间监控电机相关温度。控制器利用一台或两台电机的运行温度相关反馈调节一台或两台电机的速度，从而调节送丝速度，详情参见下文。图2的框图显示了本发明一个实施方式所述的电焊机12、送丝机26和焊炬装置16的内部构件。但是，需要注意的是，可以在附加实施方式中对所示系统作修改，所示的实施方式并不限制系统构件。如上所述，电焊机12和送丝机26通过电缆42和数据线44相互连接，并且焊炬16通过电缆束36连接送丝机26。在图2所示的实施方式中，连接送丝机26和焊炬装置16的电缆束36包括数据线50、电源线52、送丝线54和气体导管56。在所示的实施方式中，电焊机12包括电源转换电路58和控制电路60。控制电路60包括处理电路62和相关内存64。如图所示，电焊机12的处理电路62连接操作员界面14，以供操作员选择数据设置。操作员界面14允许选择例如焊接工艺、待用焊丝类型、电压和电流等设置。具体而言，系统用于实现使用铝焊丝等焊丝的金属惰性气体保护焊，其中焊丝分别地被推动电机推向焊炬16，和被拉动电机拉动通过焊炬16。在运行过程中，控制电路60运行控制焊接电源输出的产生，所述焊接电源输出适用于实施所需焊接作业的焊丝。为此，控制电路60连接电源转换电路58。电源转换电路58适于产生输出电源，最终将所述输出电源应用于焊炬16处的焊丝。可以使用各种电源转换电路，包括斩波器、升压电路、降压电路、逆变器、转换器等。电路配置可以是本领域众所周知的类型。电源转换电路58连接例如交流电源66等电源。运用于电源转换电路58的电源可以来自电网，也可以来自机动发电机发电、电池、燃料电池等选择性来源。相应地，在运行期间，电焊机12的电源转换电路58和控制电路60经配置分别通过电缆42和电缆44向送丝机26输送电源和数据，以便在焊炬处16控制焊接作业并且向焊接作业供电。所示送丝机26包括用户界面28、处理控制电路68、气体控制阀70、焊丝卷筒32、及送丝驱动装置34。送丝驱动装置34包括但不限于电机控制器72、电机装置74等。电机装置74包括推动电机76和温度传感器78。气体控制阀70通过气体导管48连接第一气罐46，通过第二气体导管82连接第二气罐80。在运行期间，控制电路68允许送丝速度被控制为与通过用户界面28所指示操作员的选择相一致，使相关设置通过数据通道44反馈给电源12的处理电路62。例如，操作员界面28允许选择焊接工艺、待用焊丝类型、电流、电压、电源等焊接参数的设置。操作员 界面28还能让操作员选择既定应用所需的气体类型或者处理电路68可根据操作员的一项或多项选择确定相应的气体类型。为此，控制电路68还连接气体控制阀70，所述气体控制阀70根据操作员的选择调节流向焊炬16的保护气体流量。一般在焊接时供气，可以在即将开始焊接前和焊接开始后不久接通气体。在运行期间，送丝机26的控制电路68还控制送丝驱动装置34的部件，送丝驱动装置34的部件运转以向焊炬16送丝。举例来说，在某些实施方式中，可以用控制电路68结合电机控制器72来控制从送丝机的26焊丝卷筒32到焊炬16的送丝。虽然在所示的实施方式中，控制电路68和电机控制器72显示为不同的部件，但是在其他实施方式中，可以设置单一的控制电路来协调送丝部件的运行。例如，在某个实施方式中，电机控制器72与主控制电路68集成。事实上，可以在送丝机26中使用各种适用控制电路中的任意一种控制电路来实现所需的送丝。为了将焊丝卷筒32的焊丝送往焊炬16，需要放出卷筒32的焊丝，以推动电机76所确定的速度渐渐地将焊丝送往焊炬16。举例来说，推动电机76与送丝辊接合，把焊丝从送丝机26推向焊炬16。事实上，其中一个送丝辊机械地连接推动电机76，经电机76转动使焊丝离开送丝机26，同时配合辊被偏置朝向焊丝以使两个辊和焊丝之间保持良好的接触。有些系统包括多个这种类型的送丝辊。电机控制器72控制送丝过程，显示推动电机76的一项或多项参数控件。本发明实施方式所述的温度传感器78在推动电机76的运行过程中连续地或按所需的间隔定期地测量推动电机76的温度。为此，温度传感器78可以按各种适合的方式连接电机76。例如，在一个实施方式中，温度传感器78是附在电机76底盘上的热敏电阻。另外，温度传感器78向电机控制器72输送测量值，电机控制器72根据收到的反馈来修改对电机76的控制以使电机76在整个焊接作业过程中保持所需的运行速度，详情参见下文。通过这样的方式，本发明的实施方式能直接测量或间接预测或估计电机76温度，并且利用这种数据控制电机的运行速度。在所示的实施方式中，送丝机26通过电缆束36连接焊炬装置16，电缆束36包括数据线50、电源线52、送丝线54和气体导管56。焊炬装置16包括但不限于电机装置80等，电机装置80包括拉动电机82和温度传感器84。在运行过程中，拉动电机82操作一个或多个驱动辊以确定并保持所需的送丝速度，例如，操作员在送丝机26的界面28中所选择的送丝速度。可以用各种适当的方式中的任意方式来控制拉动电机82的运行。举例来说，电机控制器72可以通过数据线50控制拉动电机82的运行。在这种实施方式中，可以向电机控制器输送温度传感器84关于拉动电机82的运行温度反馈。如上所述，单个或者与控制电路68相结合的电机控制器72可以利用传感器84的温度反馈通过控制电机82速度等方式来控制拉动电机82的运行，使焊接作业的推拉送丝速度保持基本相同。在所示的实施方式中，推动电机76与温度传感器78相关，拉动电机82与温度传感器84相关。但是，在本发明所述的实施方式中，推动电机76和拉动电机82中的一台或两台可连接温度传感器。例如，在一个实施方式中，推动电机76可以连接温度传感器，但无法测量或估计拉动电机82的温度。又如，一些实施方式并不局限于单一温度传感器的使用，而是采用各种适当的一台或两台电机的温度测量或估计方法中的任意方法。例如，在一个实施方式中，在推动电机的上面和周围设置多个温度传感器，电机控制器72利用多个传感器的反馈近似电机温度，并且用近似温度控制电机速度。· 图3显示了一种方法86，一个示范性送丝控制器可以采用所述方法86通过电机温度反馈来控制送丝运行。方法86包括电机的运行温度估计步骤(方框88)。举例来说，控制器接收温度传感器的反馈，传感器位于送丝机的推动电机底盘。该方法还包括近似根据估计的运行温度引导电机运行的一个或多个常数(方框90)，调节电机的一项或多项运行参数，使电机保持预设速度(方框92)。然后可以在整个焊接作业过程中根据需要监控估计的电机温度(方框94)，例如，以连续或预定间隔方式，而后根据需要重新调节运行参数，使电机保持预定的运行速度(方框96)。举例来说，在一个实施方式中，可以用以下等式表示电机速度(I) Veff = Kv^ffarm = Vterm- (Iarm*Rarm)，式中，Veff指运用于电机的有效电压，Kv指电机的每分钟电压/转动常数，Warm指电机的角速度，Vtmn指电机的应用终端电压，I指电机的实测电枢电流，Rarm指电机电枢电阻。人们已经认识到，Ranil和Kv是温度相关常数，可以根据电机的实测或估计温度予以确定。举例来说，控制器在获得电机温度后通过利用相应的查找表或以其他方式来确定以上常数。相应地，控制器能在焊接作业过程中取得电机温度后确定上述常数，并且可以改变等式I中的剩余未知参数，使电机保持预设或所需速度。因此，图3所示的方法能启用本发明的电机控制器实施方式，在焊接作业过程中纠正电机速度，即使电机温度在使用过程中发生变化。上述特性能启用本文公开的送丝系统实施方式来使送丝速度在焊接作业过程中基本保持恒定，即使送丝驱动系统的一台或多台电机在使用过程中生热。图4显示了一种方法98，所述方法98可供电机控制器用于使电机速度在焊接作业过程中基本保持恒定。方法98包括所需电机速度的确定或接收(方框100)。例如，可根据焊工输入的一项或多项参数或设置确定所需的电机速度。如上说述，方法98还包括推动电机和/或拉动电机的运行温度确定(方框102)。此外可根据焊接系统的需求对图2所示的一台或两台电机与温度测量设备进行关联。方法98还包括推动电机和/或拉动电机的当前运行速度确定(方框104)。
控制器检查一台或两台电机的当前运行速度是否等于相应电机的所需速度(方框106)，如是，控制器继续监控一台或多台电机的温度。但是，如果运行速度不同于所需速度，则控制器确定一项或多项所需的参数调整(方框108)。举例来说，控制器可以用等式I确定一项或多项所需的调整对象以改变电机速度使其达到理想的速度值。接着实施控制器确定的调整(方框110)，控制器继续监控电机温度，调节一项或多项参数，以达到与等式I一致的所需速度。图5显示了外加电压-电机速度图112的一个实施方式，控制器可以用该实施方式实现所需的电机速度。图112包括外加电压轴114和电机速度轴116。图112还包括具有第一斜坡120的第一曲线118、具有第二斜坡124的第二曲线122和具有第三斜坡128的第三曲线126。如图所示，电机速度与施加给电机的电压直接相关。因此，在整个焊接作业过程中，电机控制器通过改变外加电压来改变电机速度，以保持所需的电机速度。另外，当焊炬内的电机在作业过程中发热时，由于电机速度随着温度的上升而上升，因此焊炬电机的运行电压-速度图的斜坡120、124和128发生变化。因此，利用本发明所述的方法，电机控制器可以在焊接作业过程中修改适当的参数(例如，外加电压等)来抵消热效应。 虽然本文仅介绍了本发明的一些特性，但是本领域的技术人员还能实现多种修改和变化。因此，需要理解的是，所附权利要求意图包括所有落入本发明实质精神之内的所有修改和变形。
权利要求
1.一种焊接系统，包括 焊接电源，所述焊接电源包括电源转换电路，所述电源转换电路经配置接收主电源，并将所述主电源转换成适合焊接作业使用的焊接电源输出； 送丝机，所述送丝机包括焊丝卷筒、被配置为抽取来自所述焊丝卷筒的焊丝的推动电机、连接推动电机并经配置测量推动电机的温度的第一温度传感器和经配置接收温度传感器的温度反馈的控制电路，其中，所述送丝机经配置接收一种或多种电源、气体和来自所述焊接电源的控制信号； 焊炬装置，包括拉动电机和第二温度传感器，所述拉动电机经配置确定从所述焊丝卷筒开始输送的所需送丝速度，所述第二温度传感器连接所述拉动电机并经配置测量所述拉动电机的温度，其中，所述送丝机的控制电路经配置接收来自所述第二温度传感器的温度反馈，并且根据所述第一温度传感器和所述第二温度传感器中至少一个传感器的反馈来控制所述推动电机和所述拉动电机中至少一台电机的运行。
2.权利要求I所述的焊接系统，其特征在于所述控制电路经配置根据从所述第一温度传感器所接收到的反馈来调节所述推动电机的速度，使其达到所需速度。
3.权利要求I所述的焊接系统，其特征在于所述控制电路经配置根据从所述第二温度传感器所接收到的反馈来调节所述拉动电机的速度，使其达到所需速度。
4.权利要求I所述的焊接系统，其特征在于所述控制电路经配置根据从所述第一温度传感器所接收到的温度反馈来调节所述推动电机的电枢电阻值，从而控制所述推动电机的运行。
5.权利要求I所述的焊接系统，其特征在于所述送丝机进一步包括气体控制阀，所述气体控制阀连接一个或多个气罐，并且经配置调节从一个或多个气罐流向所述焊炬装置的气体流量。
6.权利要求I所述的焊接系统，其特征在于所述焊接电源进一步包括控制器，所述控制器经配置与送丝机的控制电路通信，根据操作员在用户界面所作的一项或多项选择来协调从所述焊丝卷筒送往所述焊炬装置的送丝速度。
7.一种送丝驱动装置，包括 焊丝卷筒，其包括安装在所述焊丝卷筒上的焊丝； 电机，所述电机经配置转动送丝辊以驱使所述焊丝卷筒的焊丝前往焊炬； 温度传感器，所述温度传感器连接电机，并经配置测量所述电机的温度； 电机控制器，所述电机控制器连接所述温度传感器和所述电机，并经配置接收温度传感器的温度反馈，利用温度反馈调节电机速度。
8.权利要求7所述的送丝驱动装置，其特征在于所述电机控制器经配置通过调节电枢电阻值调节所述电机速度。
9.权利要求7所述的送丝驱动装置，其特征在于所述电机控制器经配置通过调节施加给电机的电压来调节所述电机速度。
10.权利要求7所述的送丝驱动装置，进一步包括拉动电机和温度传感器，所述拉动电机设置在所述焊炬内或所述焊炬上，所述温度传感器连接所述拉动电机，并经配置测量所述拉动电机的温度。
11.权利要求10所述的送丝驱动装置，其特征在于所述电机控制器经配置连接所述拉动电机和所述温度传感器，经配置利用温度传感器的温度反馈来调节所述拉动电机的速度。
12.权利要求11所述的送丝驱动装置，其特征在于电机控制器经配置利用与电机相关的温度传感器反馈以及与拉动电机相关的温度传感器反馈来控制所述电机和所述拉动电机的运行，通过协调使所述焊丝卷筒送往所述焊炬的送丝速度基本保持相同。
13.权利要求7所述的送丝驱动装置，其特征在于所述电机控制器连接送丝机的主控电路，与所述主控电路交换数据，根据操作员的一项或多项输入来控制所述电机运行。
14.权利要求7所述的送丝驱动装置，其特征在于所述温度传感器为附于电机底盘上的热敏电阻。
15.一种焊接系统的推拉送丝速度控制方法，包括 确定电机的运行温度，所述电机经配置转动送丝辊以驱使焊丝卷筒的焊丝前往焊炬； 根据确定的运行温度近似与电机运行有关的一个或多个运行常数； 调节与电机有关的一项或多项运行参数值，使电机保持所需的运行速度，其中，根据电机的运行温度确定一项或多项运行参数值。
16.权利要求15所述的方法，其特征在于电机运行温度的确定包括在所述电机底盘上固定热敏电阻，以及监控所述热敏电阻的测量值。
17.权利要求15所述的方法，其特征在于运行常数至少包括电机电压/转数/分钟和电机电枢电阻中的一项。
18.权利要求15所述的方法，其特征在于电机运行温度的确定包括监控电机的环境温度，利用所述监控温度估计电机温度。
19.权利要求15所述的方法，其特征在于运行参数包括施加于电机终端的电压。
20.权利要求15所述的方法，其特征在于根据操作员输入的关于所需的送丝速度来确定所述电机的所需速度值。
全文摘要
本发明提供了送丝驱动装置(26)，其中送丝驱动装置(26)装有焊丝和电机(76)，电机(76)转动送丝辊以驱使焊丝前往焊炬。焊丝驱动装置还包括温度传感器(78)，温度传感器(78)连接电机，测量电机温度。送丝驱动装置还包括电机控制器(72)，电机控制器(72)连接温度传感器和电机，适于接收温度传感器的温度反馈，并且利用温度反馈来调节电机速度。
文档编号B23K9/12GK102933345SQ201180012519
公开日2013年2月13日 申请日期2011年3月7日 优先权日2010年3月10日
发明者彼得·唐纳德·梅恩 申请人:伊利诺斯工具制品有限公司