相关申请案的交叉引用
本申请与代理人档案号为09794624-000566并且名为“具有力控制起动操作的金属加工送丝机系统(metalworkingwirefeedersystemwithforcecontrolstartoperation)”的同日提交并共同转让的第14/943,270号专利申请相关，所述专利申请全文以引用方式并入本文中。
本公开总的来说涉及金属加工设备和方法，并且更具体来说，涉及焊接、被覆与增材制造控制系统。
背景技术：
热丝焊接和被覆是金属填充焊丝通过使电流穿过其中而通常电阻性地加热到软化状态或塑性状态的过程。这减小被施加所加热的焊丝的工件的基底金属所需的来自另一来源的增加的热量。焊丝通常是在例如激光或等离子体等高功率能源前面或后面馈送，其中高功率能源进一步使焊丝材料(通常是与工件的基底金属一起)熔化以产生焊缝或被覆。此熔池也可被称为焊接或被覆点。
送丝机用于各种焊接与被覆应用中以将焊丝馈送到焊接或被覆点。此焊丝可被称为填充焊丝、增材焊丝或自耗焊丝。
在操作期间，焊丝被馈送到熔池中或熔池附近。以此方式，当工件相对于焊接或被覆布置移动(无论是工件移动还是焊接或被覆设备移动)时，熔池可被维持以产生连续的焊接或被覆层。
在热丝焊接中，送丝的起动被非常精确地定序以在所述过程可稳定和处于稳态之前防止起弧或焊丝的过度馈送。通常，首先起动送丝。第二，焊丝接触工件。第三，将加热电力(例如，通过具有某电阻的焊丝而施加的电流)施加到焊丝。第四，焊丝在焊接/被覆点(即，焊接/被覆熔池)处加热到软化/塑性/半液相。第五，在稳态下发生焊丝的馈送和持续的高功率能量加热。
例如钨极惰性气体焊接等热丝焊接的使用往往与部件和行业的相关程度更高。例如，热丝tig广泛用于运输和发电行业中。这在造船中是重要的，并且用于改造大型发电厂的涡轮轴。热丝tig还用于被覆极大阀体焊缝(例如，石油行业的阀体焊缝)，其中焊机以高性能合金来被覆阀体焊缝的内部。
当前热丝焊接与被覆机依赖于焊接电压和电流来控制对焊丝进行电阻性加热的过程。这些参数还可用于计算功率、电阻和广度。重要的是，控制电阻性加热过程，以使得焊丝被加热到足够的温度，但也使得焊丝与工件之间不产生电弧。焊丝的温度应足够高，以使得焊丝在其端部塑性变形。然而，如果温度过高，那么焊丝的端部将变为液体，并且电磁收紧力可导致电弧形成。起弧将中断在焊丝中进行的精确电阻性加热，可导致贯穿焊缝的不一致性，并且将需要保护眼睛不受弧光影响。起弧因导致大量基底金属熔化而对于被覆过程来说也是有害的，因此影响被覆的稀释。起动焊接或被覆操作的过程特别容易受起弧影响。
当通过依赖于电压和电流反馈来控制热丝过程以避免起弧时，关于正被使用的特定类型的焊丝的信息是必要的。因为不同焊丝类型具有不同参数，例如，熔化温度、电阻率、热容量和热导率，所以每一焊丝类型需要其自身的特定参数编程或输入到焊接或被覆机中以便确保成功的操作。
技术实现要素：
本公开的实施例使用来自焊丝的力反馈以控制金属加工操作。力反馈是通过指示焊丝上的力的信号来提供。当馈送到空气时，即，当焊丝未遭遇到障碍物时，力应是零或空值。当焊丝遭遇到例如工件等固定障碍物时，在不改变用于馈送焊丝的送丝机机构的运用的情况下，该力将基本上是送丝机机构所施加的力的反力。
如本文所使用，金属加工操作意味并包含焊接操作、被覆操作和增材制造操作。热丝是在操作中在焊丝的涂覆期间被初步加热(通常电阻性地加热)的焊丝。高功率能量被施加到焊丝或焊丝和工件，以分别使焊丝熔化或使焊丝和工件的一部分熔化。增材制造操作使用熔融的焊丝以沉积金属来制造产品。增材制造过程的实例是可被称为3-d打印过程的过程。
如本文所公开的力反馈的使用消除或显著减小在改变焊丝时改变程序或键入具体焊丝参数的需要，这是因为在末端处具有塑性变形的焊丝所产生的力在不同的焊丝和焊丝类型之间实质上类似。
在焊接或被覆操作的起动期间使用焊丝力反馈的实施例中，通过将焊丝的端部预加热并作为电压和电流反馈的代替或附加来使用力反馈，会实现受控的起动并避免起弧。
在实施例中，一种方法包含：检测正从送丝机设备馈送的焊丝与工件之间的初始接触；以及响应于所述检测而暂停从焊接设备馈送焊丝。所述方法还包含：激活被配置成对焊丝的末端进行加热的高能热源；以及当焊丝的末端由高能热源加热到塑性状态到软化状态时，恢复从送丝机设备馈送焊丝。焊丝的馈送是根据来自接触工件的焊丝的力反馈而恢复。
在实施例中，在焊丝与工件的初始接触之后且在激活被配置成将焊丝的末端加热到软化状态的高能热源之前，焊丝经受以另一能源进行的初步加热。
在实施例中，在焊丝与工件的初始接触之后且在激活被配置成将焊丝的末端加热到软化状态的高能热源之前，焊丝经受以另一能源进行的电阻性加热。
在实施例中，一种方法包含：测量来自正在稳态状态下(即，在启动状态之后)从送丝设备馈送的焊丝的力反馈，其中焊丝接触工件。所述方法还包含：确定力反馈的力的改变；以及至少部分基于力的改变而调整或控制焊丝的加热、焊丝的馈送速率或上述两者。这些步骤可使用力反馈传感器以及可包含处理器的处理电路来进行。优选地，焊丝的加热被调整以维持焊丝的恒定馈送速率。
在实施例中，方法步骤使用恒定转矩方法。
在实施例中，通过感测和测量置于载荷元件上的载荷来确定力反馈。
在实施例中，通过感测和测量送丝机电机的电机速度来确定力反馈。
在实施例中，通过感测和测量送丝机电机所使用的电机电流来确定力反馈。
在实施例中，通过感测和测量来自测力计的输出来确定力反馈，所述测力计测量送丝机电机所施加的转矩。
在实施例中，力反馈用于调整焊丝的加热以便维持恒定馈送速度。
在实施例中，所述方法包含：通过处理器来基于预定阈值而确定力反馈的力误差；以及当力误差处于预定力阈值之外时，通过处理器来至少部分基于力误差而调整用于焊丝加热的加热电流。
在实施例中，对焊丝的加热或焊丝的馈送速率的控制使用比例控制布置。
在实施例中，对焊丝的加热或焊丝的馈送速率的控制使用比例积分微分控制布置。
在实施例中，提供一种非暂时性存储介质，其中存储有程序指令，所述程序指令在由处理器执行时实现上文所述的任何一个方法实施例中。
在实施例中，提供一种用于控制金属加工操作的方法。所述方法包含：通过处理器来测量来自正从送丝设备馈送的焊丝的力反馈，其中焊丝接触工件；以及通过处理器来至少部分基于力反馈而调整焊丝的加热。
在实施例中，所述方法还包含：通过处理器来基于预定阈值而确定力反馈的力误差；以及通过处理器来至少部分基于力误差而调整焊丝的加热。
在实施例中，提供一种金属加工设备。所述设备包含：被配置成将焊丝从送丝枪馈送到工件上的机构；以及加热电力供应器，被配置成将加热能量，优选是电流，供应到焊丝。所述设备还包含：电路，被配置成：(a)测量来自接触工件的焊丝的力反馈；(b)确定力反馈的改变；并且(c)至少部分基于力反馈的改变而调整加热电流、焊丝的馈送速率或前述两者。所述电路优选包含处理器或优选是处理器。
在实施例中，控制电路实施恒定转矩控制方案。
在实施例中，处理器被配置成：(a)基于预定力阈值而确定力反馈的力误差；并且(c)当力误差处于预定力阈值之外时，至少部分基于力误差而调整加热电流。
在其它实施例中，所述设备配置有电路和传感器以使用上文所述的方法中的至少一种。
下文在详细描述中参照附图而更详细地论述这些和其它特征与方面。
附图说明
可参照下面的附图来更好地理解本公开。附图中的组件未必按照比例绘制，而是着重于说明本公开的原理。在附图中，附图标记贯穿不同视图而表示对应的部件。
图1是图示本公开的一个实施例可在其中操作的示范性焊接系统环境的图。
图2是图示本公开的另一实施例可在其中操作的示范性焊接系统环境的图。
图3到图4是根据实施例更详细地图示图1的焊接系统的热焊丝操作的框图。
图5是图示根据实施例的图1的焊接系统的力控制操作的方法的流程图。
图6是图示根据实施例的图1的焊接系统的力控制操作的另一方法的流程图。
图7是图示根据实施例的图1的焊接系统的力控制起动操作的方法的流程图。
图8图示一种控制布置。
图9图示另一种控制布置。
具体实施方式
在本文中参照附图所图示的实施例来详细地描述本公开，其中附图形成本公开的一部分。可使用其它实施例，和/或可进行其它改变，而不偏离本公开的精神或范围。具体实施方式中所述的说明性实施例不希望限制本文所呈现的主题。
现将参考附图所图示的示范性实施例，并且将在本文中使用具体用语来描述示范性实施例。然而，应理解，不希望限制本发明的范围。本文所说明的创新性特征的更改和其它修改，以及拥有本公开的本领域的技术人员所清楚的如本文所说明的本发明的原理的额外应用应被视为处于本公开的范围内。
参照图1，示出热焊丝金属加工系统100。虽然在本文中主要称为焊接或被覆系统，但可理解，本文所公开的原理同样适用于增材制造过程，只要焊丝的类似馈送和被覆原理的应用能够建立来自焊丝的金属层以产生产品。
如下文更详细地论述的，系统100贯穿整个过程地使用来自焊丝的力反馈以控制焊接或被覆操作。因为焊丝由末端处的塑性变形而产生的力在不同焊丝和焊丝类型之间实质上类似，所以使用来自焊丝的力反馈以控制所述过程会消除或显著地减少对改变用于管理焊接设备的操作的控制程序的需要以及对在更换焊丝时输入具体焊丝参数的需要。
在所图示的实施例中，系统100包含具有焊炬104的焊接设备102。设备102还包含将焊丝108馈送到工件110上的送丝机106。所知的是，例如送丝机106等送丝机包含电机，其中电机操作驱动辊112，该驱动辊112馈送焊丝108使其穿过焊炬104。在所图示的实施例中，当焊丝接触工件110时，电阻性加热电力供应器114将电阻性加热电流施加到焊丝。在各种实施例中，电阻性加热电力供应器114是通过与焊接设备102相关联的处理器115控制的ac或dc电力供应器。虽然电阻性加热电力供应器114和控制电路115被示意性地图示为处于焊接设备102外部，但本领域的技术人员应认识到，电力供应器114和/或控制电路115可处于焊接设备102内部或外部。
本领域的技术人员应理解，控制电路代表可实施例如比例控制、比例积分微分控制或使用反馈信号以调整操作参数的任何其它适当控制等控制逻辑的各种电路配置。此外，控制电路115代表用于实施此控制逻辑的不同电路结构，无论所述电路结构是模拟控制还是数字控制，并且无论是使用硬件、固件、软件还是前述各者的某一组合来实施。控制电路115可包含处理器以执行存储在单独的非暂时性存储器装置中或集成到处理器芯片自身中的程序代码。
此外，本领域的技术人员还应理解，虽然描述了电阻性加热布置，但可使用例如热源等其它方法和布置。
在实施例中，可从包含力测量装置(例如，构建到焊炬104中的载荷元件换能器)的各种装置确定或指示来自焊丝108的力，或通过直接测量力的独立设备来确定或指示来自焊丝108的力。测力计可附接到送丝机电机轴，并且送丝机电机所施加的转矩可被测量。此外，适当的速度传感器可用于测量电机轴或送丝轮速度，该速度与电机所施加的转矩的量相关。
在另一实施例中，可从间接测量力的另一测量值(例如，送丝电机电流)推断来自焊丝108的力。在此实施例中，被送到送丝机106的电机的电流变化以维持恒定送丝速度。如果在焊丝108的端部处存在沿焊丝行进的方向回推的较大力，那么送丝机106的电机将需要增大电流以能够保持以期望的恒定速度向前馈送焊丝108。基于供应到电机106的送丝电流的变化，可推断焊丝末端处的力。用于读取电机电流的方法和电路是众所周知的，这些是用于检测因例如对电机的轴的旋转上的反作用力所致的电机电流增大的方法和电路。
在图2中，载荷元件140被图示为定位在送丝机106的一个端部与表面142之间。可了解，将允许送丝机进行一些移动以允许在送丝机106受力作用而向回抵靠表面142时由载荷元件140记录力。
力测量，无论是直接的还是间接的，都用于确定与预定力设定点的误差。基于该力误差，供应到焊丝108的电阻性加热电流被调整。可选择地，电阻性加热电流的调整将预定的系统增益因子考虑在内。在实施例中，增益因子表示与系统响应时间相关联的校正值。如图3到图4中进一步示出的，电阻性加热电流的增大提高焊丝108中的温度，并且较容易在焊丝末端116处造成塑性变形120，这导致较低的力读数。电阻性加热电流的减小降低焊丝108中的温度，并且使塑性变形120变得较困难，这导致较大的力读数。
为了实现焊接或被覆操作的受控的起动，焊丝108的端部116通过例如激光器118等高能热源来预热。如下文更详细地描述的，作为电压和电流反馈的替代或附加，接着使用焊丝力反馈来实现受控的起动并防止起弧。
参照图5，示出使用焊丝力反馈来进行热丝焊接和被覆的方法的实施例。在步骤400中，焊接设备控制电路115获得来自焊丝108的力反馈的测量值。如上文所论述，可经由力测量装置(例如，测力计或构建到焊接设备102中或以其它方式连接到焊接设备102的载荷元件换能器)来直接测量来自焊丝108的力反馈，或可基于电机106为保持送丝速度恒定所需的送丝电流的变化来推断来自焊丝108的力反馈。在步骤402中，控制电路115确定力反馈读数相对于预定力反馈设定点或阈值范围的误差，所述预定力反馈设定点或阈值范围例如对应于焊丝末端116处的塑性变形的状态。在步骤404中，如果力误差处于预定力误差阈值范围内，那么方法返回到步骤400。否则，在步骤404到406中，如果力误差处于预定阈值之外，那么控制电路115增大或减小经由接触末端和工件而施加到焊丝的电阻性加热电流。这对应地升高或降低焊丝温度以在防止焊丝108的末端116变为液体的同时确保末端116处的塑性变形。例如，高于预定阈值的力误差确定指示焊丝108的温度需要升高以促进末端116处的塑性变形。另一方面，低于预定阈值的力误差确定指示焊丝温度需要降低以防止末端116变为液体。作为替代或附加，控制电路115改变送丝速度和激光器118的功率输出中的一个或更多个，以便在防止焊丝末端116变为液体的同时确保焊丝末端116的塑性变形。
参照图6，示出使用焊丝力反馈来进行热焊丝焊接和被覆的方法的另一实施例。在图6中，取决于反馈系统的校准，每一总循环大约是在数微秒或更短时间内发生。在步骤420中，焊接设备控制电路115获得来自焊丝108的力反馈的测量值。如上文所论述的，可经由力测量装置(例如，测力计或构建到焊接设备102中或以其它方式连接到焊接设备102的载荷元件换能器)来直接测量来自焊丝108的力反馈，或可基于电机106为保持送丝速度恒定所需的送丝电流的变化来推断来自焊丝108的力反馈。在步骤422中，控制电路115确定力反馈相对于过往的测量值是否已增大或正在增大。虽然未说明，但也可例如使用一系列测量值以及所述测量值之间的差异来确定增大的速率。在步骤424中，如果力反馈正在增大，那么焊丝加热电流增大以抵消增大的电阻。接着，所述过程返回到步骤420以进行另一次测量。
然而，如果力反馈尚未增大或没有正在增大，那么所述过程前进到步骤426以确定力反馈是否已减小或正在减小。虽然未说明，但也可例如使用一系列测量值以及所述测量值之间的差异来确定减小的速率。在步骤426中，如果力反馈正在减小，那么焊丝加热电流减小以抵消减小的电阻。接着，所述过程返回到步骤420以进行另一次测量。
如果力反馈既尚未增大/正在增大，也尚未减小/正在减小，那么所述过程返回到步骤420以进行另一次测量。
同样，此过程对应地提高或降低焊丝温度以在防止焊丝108的末端116变为液体的同时确保末端116处的塑性变形。作为附加或替代，控制电路115可改变送丝速度和激光器118的功率输出中的一个或更多个，以便在防止焊丝末端116变为液体的同时确保焊丝末端116的塑性变形。
虽然在附图中未明确地描绘，但可希望将一些滞后包含在反馈和调整过程中，以避免不必要的或有害的持续微调或适应调整反应时间。
参照图7，示出用于控制热丝焊接或被覆操作的开始的方法的实施例。在步骤500中，将焊炬104与例如激光器118等高能热源装置对准。在步骤502到506中，控制电路115引导电机106以开始朝向工件110馈送焊丝108，直到确定焊丝108正在接触工件110为止。在实施例中，当检测到预定的最小焊丝力反馈或电压信号时，控制电路115确定焊丝108正在接触工件110。此时，在步骤508到510中，控制电路115设定施加到焊丝的电阻性加热电流，以使得从接触末端延伸的焊丝的绝大部分保持硬直，并激活激光器118。在步骤512中，焊丝108保持固定，直到末端116加热到塑性状态为止。在一个实施例中，当来自焊丝的力反馈减小到预定阈值时，检测到末端116的塑性状态。最终，一旦焊丝末端116加热到塑性状态，控制电路115便引导电机106以加大送丝速度直到用于焊接或被覆操作的稳态速度，并经由上文结合图4所论述的力反馈方法来控制焊接或被覆过程。
在图8中，图示电路布置，其中控制电路800与至少一个传感器换能器802、初步焊丝加热器控制器804、高功率能源控制器806和送丝机电机控制器808互连。控制电路800如上所述地操作，以从换能器802接收指示焊丝上的力的力信号并根据本文所论述的原理来控制各种控制器的操作，即，经由到控制器804的适当信号而起动和/或调整对焊丝的初步加热，经由到控制器806的适当信号而起动和/或调整高功率能量到焊丝的施加，并经由到控制器808的适当信号而起动、停止和/或调整送丝机电机的馈送速度。
如图所示，在实施例中，控制电路800包含耦接到输入/输出部812的处理器810，信号经由所述输入/输出部812而从换能器和控制器输入以及输出到换能器和控制器。处理器所执行的逻辑存储在耦接到处理器810的存储器814中。应了解，逻辑可呈软件、固件或硬件的形式。
在图9中，图示另一控制方案。在此方案中，可在控制送丝机和/或送丝机上的焊丝所施加的力时，将输送到焊丝用于加热(例如，电阻性加热)的能量维持在恒定水平。送丝机电机电流用作力反馈循环中的控制变量。出于此目的，使用以下关系式：
因此，将力设定点fwiresetpoint与力反馈信号ffbk进行比较，所述力反馈信号ffbk是从传感器(例如，载荷元件或测力计)或从送丝机电机电流imotor推导出。力反馈ffbk与电机电流imotor成比例。在图9中，比较是由求和函数f实现。
求和函数f的输出变成力反馈误差∑force，其中∑force等于ffbk-fwiresetpoint。将此输出∑force馈送到具有适当滤波器和增益的比例积分微分(pid)控制器c中，以产生电流差输出δi。此输出δi用于通过调整送丝电机命令信号imotor来控制电机，该送丝电机命令信号imotor进而用于控制馈送到电机的电流的量。此调整是通过取决于信号imotor中所反映的求和的结果来增大或减小馈送到电机的电流来实现。因此，关系式是imotor(new)＝imotor(old)+δi。
虽然已公开各方面和实施例，但预期有其它方面和实施例。所公开的各方面和实施例是出于说明的目的，并且不希望是限制性的，其中真实范围和精神由随附权利要求书指示。
前述方法描述和过程流程图仅是作为说明性实例来提供，并且不旨在要求或暗示必须以所呈现的次序来执行各种实施例的步骤。如本领域的技术人员所了解的，可按任何次序执行前述实施例的步骤。例如“接着”、“然后”等用词不旨在限制步骤的次序；这些用词仅用于贯穿方法的描述来引导读者。虽然过程流程图可将操作描述为依序过程，但许多所述操作可并行地或同时地执行。此外，操作的次序可被重新布置。过程可对应于方法、函数、进程、子例程、子程序等。当过程对应于函数时，其终止可对应于函数到调用函数或主函数的返回。
本文中结合所公开的实施例而描述的各种说明性逻辑块、模块、电路和算法步骤可被实施为电子硬件、计算机软件或前述两者的组合。为了清楚地说明硬件和软件的此可互换性，上文已大体上就其功能方面来描述各种说明性组件、块、模块、电路和步骤。此功能被实施为硬件还是软件取决于施加在整个系统上的特定应用和设计约束。本领域的技术人员可针对每一特定应用以不同的方式来实施所描述的功能，但这些实施决策不应解释为导致偏离本发明的范围。
以计算机软件实施的实施例可以软件、固件、中间件、微代码、硬件描述语言或其任何组合中实现。代码段或机器可执行指令可代表进程、函数、子程序、程序、例程、子例程、模块、软件包、类，或指令、数据结构或程序语句的任何组合。代码段可通过传递和/或接收信息、数据、自变量、参数或存储器内容而耦接到另一代码段或硬件电路。信息、自变量、参数、数据等可经由包括存储器共享、消息传递、令牌传递、网络传输等任何适当手段来传递、转发、或传输。
用于实施这些系统和方法的实际软件代码或专用控制硬件不受本发明限制。因此，没有参照具体软件代码来描述系统和方法的操作和行为，应理解，可以将软件和控制硬件设计为基于本文中的描述来实施这些系统和方法。
当以软件实施时，功能可作为一个或更多个指令或代码存储在非暂时性计算机可读存储介质或处理器可读存储介质上。本文所公开的方法或算法的步骤可体现在处理器可执行软件模块中，所述处理器可执行软件模块可驻留在计算机可读或处理器可读存储介质上。非暂时性计算机可读介质或处理器可读介质包含计算机存储介质与有利于将计算机程序从一处传送到另一处的有形存储介质两者。非暂时性处理器可读存储介质可以是可通过计算机来存取的任何可用介质。举例来说且并非限制，这些非暂时性处理可读介质可包括ram、rom、eeprom、cd-rom或其它光盘存储器、磁盘存储器或其它磁性存储装置，或可以指令或数据结构的形式存储期望程序代码且可由计算机或处理器存取的任何其它有形存储介质。如本文中所使用的盘和碟包括压缩盘(cd)、镭射盘、光盘、数字多功能盘(dvd)、软盘和蓝光盘，其中磁盘通常磁性地再现数据，而光盘用激光光学地再现数据。上述各项的组合也应包含在计算机可读介质的范围内。此外，方法或算法的操作可作为代码和/或指令的一个或任何组合或集合而存储在非暂时性处理器可读介质和/或计算机可读介质上，所述非暂时性处理器可读介质和/或计算机可读介质可纳入到计算机程序产品中。
提供所公开的实施例的前文描述以使本领域的技术人员能够制作和使用本发明。对这些实施例的各种修改对于本领域的技术人员来说是容易清楚的，并且本文所定义的通用原理可应用到其它实施例而不偏离本发明的精神或范围。因此，本发明不希望限于本文所示出的实施例，而是应符合与随附权利要求书和本文所公开的原理和新颖特征一致的最广范围。