基于补偿立柱电压的用于控制焊接操作的方法、控制器和焊接系统.pdf

一种方法，包括接收与焊接操作期间产生的焊接波形相对应的数据，并基于与焊接波形相对应的接收到的数据，确定用于焊接操作的过冲电压，该过冲电压超过期望的电压电平。该方法还包括接受与所测量的立柱电压(26,34)相对应的数据并基于过冲电压和所测量的立柱电压，计算用于焊接操作的立柱电压。该方法还包括基于用于焊接操作的立柱电压控制焊接操作的至少一个参数。还描述了用于应用该方法的控制器和焊接系统。

权利要求书1.  一种方法，包含： 接收与在焊接操作期间产生的焊接波形相对应的数据； 基于接收到的与焊接波形相对应的数据，确定用于焊接操作的超过预期 电压电平的过冲电压； 接收与所测量的立柱电压相对应的数据； 基于过冲电压和所测量的立柱电压，计算用于焊接操作的补偿立柱电 压；以及 基于用于焊接操作的补偿立柱电压，控制焊接操作的至少一个参数。 2.  如权利要求1所述的方法，其中计算用于焊接操作的补偿立柱电压包 含从所测量的立柱电压减去用于焊接操作的过冲电压。 3.  如权利要求1所述的方法，其中确定用于焊接操作的过冲电压包含确 定对应于瞬时斜坡率除以平均斜坡率的量，并且将所确定的量乘以过冲平均 斜坡电压。 4.  如权利要求1所述的方法，包含基于所计算的用于焊接操作的补偿立 柱电压，确定用于焊接操作的补偿焊接波形。 5.  如权利要求4所述的方法，包含在焊接电源的用户界面上显示焊接波 形和补偿焊接波形。 6.  如权利要求1所述的方法，其中所述至少一个参数包含用于焊接操作 的电流指令。 7.  如权利要求1所述的方法，其中所述至少一个参数包含用于焊接操作 的电压指令。 8.  一种用于焊接系统的控制器，该控制器配置成： 接收与在焊接操作期间产生的焊接波形相对应的数据； 确定用于焊接操作的焊接波形中的超过用于焊接操作的预期电压电平的 过冲电压的总量； 接收与所测量的立柱电压相对应的数据； 基于过冲电压的总量和所测量的立柱电压，计算用于焊接操作的补偿立 柱电压；以及 输出用于焊接操作的焊接指令，该焊接指令对应于被调节以适应补偿立 柱电压的预期焊接指令。 9.  如权利要求8所述的控制器，其中控制器配置成通过从所测量的立柱 电压减去用于焊接操作的过冲电压来计算补偿立柱电压。 10.  如权利要求8所述的控制器，还配置成接收一个或多个来自用户的 关于负极焊接电缆长度、负极焊接电缆尺寸、正极焊接电缆长度、正极焊接 电缆尺寸中的至少一个或上述组合的输入。 11.  如权利要求10所述的控制器，还配置成利用负极焊接电缆长度、负 极焊接电缆尺寸、正极焊接电缆长度和正极焊接电缆尺寸中的至少一个来确 定用于焊接操作的焊接指令。 12.  如权利要求8所述的控制器，其中用于焊接操作的焊接指令包含电 压指令和电流指令中的至少一个。 13.  如权利要求8所述的控制器，其中控制器配置成通过确定对应于瞬 时斜坡率除以平均斜坡率的量，并将所确定的量乘以过冲平均斜坡电压来确 定过冲电压的总量。 14.  一种焊接系统，包含： 焊接电源； 焊炬，该焊炬经由焊炬电缆联接到焊接电源； 夹具，该夹具配置成将工件固定在焊接位置； 接地电缆，该接地电缆联接到焊接电源以及夹具和工件中的至少一个； 以及 控制器，该控制器配置成监测所测量的立柱电压，以确定用于焊接操作 的过冲电压，以及基于所测量的立柱电压和过冲电压来确定补偿立柱电压， 其中补偿立柱电压对应于由于焊炬电缆中的电感和电阻而从所测量的立柱电 压降低的焊接位置处的电压电平。 15.  如权利要求14所述的系统，其中控制器配置成通过从所测量的立柱 电压减去过冲电压来计算补偿立柱电压。 16.  如权利要求14所述的系统，其中控制器配置成通过确定对应于瞬时 斜坡率除以平均斜坡率的量，并且将所确定的量乘以过冲平均斜坡电压来确 定过冲电压。 17.  如权利要求14所述的系统，其中焊接电源包含恒定电流的焊接电 源。 18.  如权利要求14所述的系统，其中焊接电源包含恒定电压的焊接电 源。 19.  如权利要求14所述的系统，其中控制器还配置成利用补偿立柱电压 来控制焊接操作。 20.  如权利要求14所述的系统，其中焊接电源包含金属惰性气体 (MIG)电源、钨惰性气体(TIG)电源或焊条电源。

说明书基于补偿立柱电压的用于控制焊接操作的方法、控制器和焊接系统
背景技术
本发明总体上涉及焊接系统，且更具体地，本发明涉及用于补偿在焊接系 统的二次组件中误差的系统和方法。
焊接是一种在各行业和应用中已经变得普遍存在的工艺，如建筑、造船等 等。焊接系统通常包括多种二次组件，这些二次组件可包括二次电缆和二次设 备。这样的二次组件可包括焊炬、焊接夹具、焊接电缆等等，且这些二次组件 的某些参数可能影响在焊接操作中获得的焊接质量。例如，焊接电缆通常具有 相关的电阻值和电感值。由于和典型的焊接工艺相关的高电流电平，这些电感 值和电阻值经常导致电压误差。在许多情况下，因为电压被用于控制焊接弧的 参数，所以这些电压误差可能导致焊接质量的降低。
一些先前的系统已经试图解决前述的问题以减少或消除由于二次电缆的特 征而在焊接质量方面承受前述降低的可能性。例如，一些系统可利用非载流电 压传感引线，该引线从焊接电源延伸到焊接电源的端部。这种电压传感引线可 在焊接处用来感测电压而不会受到由焊接电缆产生的电压误差的影响。然而， 许多焊接环境已经堆满了许多电缆和其他结构，所以额外电缆的增加可能是不 希望的。因此，需要用于补偿由二次组件(如焊接电缆)引入焊接操作所造成 的误差的改进的系统和方法。
发明内容
在一个实施例中，方法包括接收与在焊接操作期间形成的焊接波形相对应 的数据并基于与焊接波形相对应的接收到的数据，确定用于焊接操作的过冲电 压，该过冲电压超过预期的电压电平。该方法还包括接收与所测量的立柱电压 相对应的数据，并基于过冲电压和所测量的立柱电压，计算用于焊接操作的立 柱电压。该方法还包括基于用于焊接操作的立柱电压，控制焊接操作的至少一 个参数。
在另一个实施例中，用于焊接系统的控制器配置成接收和在焊接期间形成 的焊接波形相对应的数据，并确定在焊接波形中的超过用于焊接操作的预期电 压电平的总量。控制器还配置成接收与所测量的立柱电压相对应的数据，以基 于过冲电压的总量和所测量的立柱电压，计算用于焊接操作的补偿立柱电压， 并输出用于焊接操作的焊接指令，该指令与被调节以考虑补偿立柱电压的预期 的焊接指令相对应。
在另一实施例中，焊接系统包括焊接电源、经由焊炬电缆联接到焊接电源 的焊炬、适于在焊接位置固定工件的夹具以及联接到焊接电源与夹具和工件中 的至少一个的接地电缆。焊接系统还包括配置成监测所测量的立柱电压的控制 器，以确定用于焊接操作的过冲电压以及基于所测量的立柱电压和过冲电压来 确定补偿立柱电压。补偿立柱电压和在焊接位置处的电压电平相对应，由于在 焊炬电缆中的电感和电阻该焊接位置处的电压电平从所测量的立柱电压减小。
附图说明
在参照附图阅读下面的详细说明时，将更好地理解本发明的这些和其它特 征、方面和优点，在所有附图中，相同的标号表示相同的部件，其中：
图1示出了依照本发明实施例的焊接系统的示意图；
图2示出了依照本发明实施例的图1中的焊接电源的示例性组件的方框 图；
图3示出了依照本发明实施例的理想电流波形和理想立柱电压波形的示意 图；
图4示出了依照实施例的标准立柱电压波形叠加在标准立柱电流波形上的 示意图；
图5示出了依照实施例的受焊接电缆电感影响的立柱电流波形和立柱电压 波形的示意图；以及
图6示出了方法的实施例的流程图，该方法可由焊接控制器控制以通过考 虑焊接焊接波形的缓变部分来补偿由焊接电缆引入的电压误差。
具体实施方式
如下面详细描述的，实施例所提供的系统和方法，可用于补偿焊接电压， 该电压被用以控制和二次焊接组件(如焊接电缆)相关的误差的焊接操作。例 如，这样的系统和方法可使由于焊接电缆而产生的二次焊接误差以电感误差的 形式识别。在一些实施例中，可提供焊接控制器，以便所取得的测量值和误差 信息可用于补偿所检测到的焊接误差。例如，在一些实施例中，控制器可利用 关于焊接电缆的信息以确定对于给定的焊接设备和操作的适当的电压误差补偿 程序。所提供的焊接控制器和方法的这些和附加的特征在下文将更加详细地描 述。
当和传统技术相比时，本文公开的补偿系统和方法可提供多个明显的优 势。例如，所提供的实施例补偿焊接弧二次响应，例如焊接电缆的电感和电 阻，而不需要电压传感引线。也就是说，然而一些现有系统利用非载流引线以 这种方式来检测焊接位置的电压：绕开由该焊接电缆产生的电压误差，目前公 开的实施例可使该额外布线减少或消除。更进一步地，通过将一个或多个焊接 波形与一个或多个希望的焊接波形相比较，在本文公开的控制器的某些实施例 能够以适合的方式控制焊机，以便产生的焊接指令将考虑给定的焊机的能力以 及例如与焊接电缆相关的二次响应。
现在转向附图，图1示出了焊接系统10，包括焊接电源12、送丝机14、 焊炬16和通过旋转接地22固定在夹具20上的工件18。在所示的实施例中， 正极焊接引线24将焊接电源12的正极端子26联接到送丝机14。另外，电缆 30将送丝机联接到到焊炬16。此外，负极焊接引线32将焊接电源12的负极 端子34联接到旋转接地22。
在操作期间，焊接电源12配置成通过送丝机14将电能提供给焊炬16，该 送丝机14为焊接操作提供焊丝。此外，在使用期间，焊接操作者利用焊炬16 来焊接工件18。当焊接时，与焊接工艺相关的高电流电平可能使二次电缆和/ 或设备退化，并且在许多焊接循环之后，二次电缆和/或设备的退化可能影响 焊接的质量。如此，本发明的某些实施例提供了用于电压误差的补偿，该电压 误差可能由焊接二次组件(比如焊接电缆)引入的电感和/或电阻误差造成。 这样的电压误差可以由焊接控制器利用以产生焊接指令，该指令补偿在给定的 焊接系统中的二次响应。
图2示出了图1中焊接电源12的示例组件。在所示的实施例中，焊接电 源12包括用户界面46、控制器48、处理器50、存储器52、接口电路54和电 力转换电路56。在使用期间，电力转换电路56从主电源，比如壁装电源插 座、电力网等，接收主电力，并将上述电力转换成用于传输到焊炬16的合适 的焊接输出。处理器50配置成接收多个关于送丝机操作、用户选择、电压反 馈、电流反馈、电力反馈、电阻反馈、电感反馈等的输入，从而处理上述输入 并产生多个适当的输出，该输出引导焊接电源12的操作。比如，接口电路54 可从一个或多个外部装置(例如，送丝机14、辅助设备等)接收反馈，将上述 反馈通信到处理器50，接收来自处理器50的输出信号，并将上述信号通信到 一个或多个外部装置。
更进一步地，处理器50可接收来自用户界面46的关于焊接操作的用户输 入。例如，处理器50可接收关于所选的焊接工艺的指令、焊接工艺的参数 (例如，电流电平、电压电平等)等并处理这些输入。处理器50还可以接收 一个或多个来自控制器48的输入，该控制器可以配置成执行一个或多个用以 引导焊接工艺和/或焊接电源12的任何其他功能的算法。例如，在一个实施例 中，控制器48可执行一系列的指令以确定由二次焊接电缆和/或设备引入的电 压误差的量级。然后，所获取的测量数据可经由接口电路54通信到处理器， 该处理器可处理所接收的信息以确定例如合适的焊接指令，该指令考虑了由二 次焊接组件引入的确定的电压误差。在某些实施例中，若需要，此类信息可例 如经由用户界面46通信给用户。为此，用户界面46可以是能够经由视觉提示 (例如，光照明、显示面板信息等)，语音提示(例如，错误消息陈述误差) 或任何其他适当的通信机制来与用户交流。
不限于下面详细描述的各算法和控制方案可以由图2中的控制器48来实 施以补偿由二次焊接组件(比如焊接电缆)引入的电压误差。例如，当在焊接 波形斜升或从局部峰值下降时，控制器可考虑被引入到焊接波形内的电压误 差。事实上，在某些实施例中，控制器可以考虑焊接波形的斜升部分和下降部 分两者，或可仅考虑波形的一个期望部分。
如在下面更加详细地就图6和图7中示出的方法进行描述的，在一些实施 例中，由控制器48实施的补偿方法包括在焊接波形的缓变部分期间测量电压 误差。这样，由于二次响应出现的过冲电压可在反馈控制信号中减小或消失， 从而使立柱电压指令补偿由焊接二次组件引入的误差。再者，应该注意的是， 当前公开的实施例的上述特征可以提供优于传统系统的优点，该传统系统利用 电压传感引线来获得必要的数据从而为二次焊接误差进行补偿。
应当注意的是，为了便于理解前述的方法，如果没有由于二次组件(比 如，焊接电缆)造成的二次焊接误差(比如，电感误差)存在，考虑将实现的 立柱电流波形和立柱电压波形可能是有益的。这样的波形在图3中示出，且在 图4中，这些波形被标准化并彼此叠加。与此相比，图5示出了当由二次焊接 组件(比如焊接电缆)引入二次焊接误差时(比如电感误差)可获得的立柱电压和 电流波形。下面的描述更详细地讨论这种波形。
图3示出了示例立柱电流波形60和示例立柱电压波形62,如果没有由于 焊接电缆引起的电感(或其他二次焊接误差)的存在，则这两种波形可以在一 个焊接系统中获得。应当注意的是，波形60和62的相关形状基本上是类似 的，但是波形60和62的缩放和振幅由于电流测量单位(比如，安培)和立柱 电压测量单位(例如，伏特)的不同而不同。例如，如图所示，示例立柱电流 波形60包括缓变部分64、峰值部分66和下降部分68。同样地，示例立柱电 压波形62包括缓变部分70、峰值部分72和下降部分74。因此，如果波形60 和62被标准化为百分比，如图4所示，波形60和62可叠加并具有基值部分 76、缓变部分78和峰值部分80。
虽然在图3和图4示出的焊接波形是可获得的没有二次焊接误差存在的希 望的波形示例代表，但由于二次焊接误差的存在，和所给定的焊接操作相关的 焊接波形通常不同于这些形式。例如，在许多情况下，由于由焊接电缆引入的 电感，立柱电压将在缓变时上升超过期望波形的电平。在图5中示出用于示例 情况下的标准化的立柱电流波形82和标准化的立柱电压波形84的示例，其中 电感由焊接电缆引入。
如图所示，标准化的立柱电流波形82如前面的一样仍包括缓变部分86、 峰值部分88和下降部分90。然而，标准化的立柱电压波形84包括上升部分 92和增长部分94，在该增长部分，电压在下降前上升到超过峰值电压96的电 平，如部分98所示，在稳定于电平102前到达电平100。如本领域的技术人员 理解的那样，电压上升的幅度通常由立柱电流对时间的导数乘以焊接电缆中存 在的电感来确定。
图6是流程图，示出了方法104的实施例，该方法可由焊接控制器48利 用以确定补偿立柱电压，该电压考虑存在于系统中的二次焊接误差并利用补偿 立柱电压来进行焊接控制。如图所示，方法104被启动(方框106)，并且测 量基值立柱电压和电流(方框108和110)。例如，测量图4所示在波形的部 分76期间的立柱电压和立柱电流的电平。而且，采用对应于例如图4所示的 波形的部分78的附加测量值。具体地，方法104需要测量上升峰值缓变立柱 电压(方框112)、上升峰值缓变立柱斜坡率(方框114)、上升峰值缓变立 柱电流(方框116)以及在波形的缓变部分期间花费的时间的确定(方框 118)。此外，方法104包括测量例如对应于图4所示的波形的部分80的峰值 立柱电压(方框120)和峰值立柱电流(方框122)。
方法104还需要在每个波形(比如，大约每30到300Hz)执行一次方框 124的步骤以及每次控制器48依次通过控制回路(比如，大约每20,000到 40,000Hz)执行方框126的步骤。在所示的实施例中，对每一个波形，方法 104包括平均电流缓变百分比的计算(方框128)。例如，在一些实施例中， 以下公式可用于计算平均电流缓变百分比：

在所示实施例中，对每一个波形，方法104还包括电流的平均斜坡率的计 算(方框130)。例如，在一些实施例中，以下公式可用于计算电流的平均斜 坡率：

更进一步地，对每个波形，方法104包括对理想平均斜坡电压(例如，假 设二次焊接误差不存在)的计算(方框132)。例如，在一些实施例中，以下 公式可用于计算平均斜坡电压：
理想立柱斜坡电压＝
[(电流缓变％/100％)*(平均峰值电压-平均基值电压)]+基值电压
此外，对于每一个波形，方法104包括过冲平均斜坡电压的计算(方框 134)。例如，在一些实施例中，以下公式可用于计算过冲平均斜坡电压：
过冲平均斜坡电压＝
测量的平均立柱斜坡电压–理想立柱斜坡电压
步骤126的方框也可以在每次控制器依次通过控制回路时，通过控制器48 来执行。在所示的实施例中，方框126包括计算瞬时过冲电压(方框136)。 例如，以下公式可用于：

一旦瞬时过冲电压以这种方式计算，则控制器48可通过从测量的立柱电 压(方框138)减去瞬时过冲电压来计算补偿立柱电压。进一步地，此时补偿 立柱电压可用于焊接控制(方框140)，从而使焊接工艺被校正在给定的焊接 系统中存在的一个或多个二次焊接误差。方法104可以以这种方式进行直到有 疑问(方框142)，控制器48意识到焊接操作已经完成，并且操作结束(方框 144)。
应该注意的是，当焊接波形斜升到峰值时(例如，图4波形的部分78)， 所示的实施例测量目前的电压误差，在另一些实施例中，可以在焊接波形从峰 值下降时，测量电压误差。在任一实施例中，然而，二次焊接误差(例如，由 焊接电缆产生的电感误差)可在焊接控制中通过确定或除去与来自反馈信号的 焊接波形的一部分相关的焊接误差来补偿。
虽然在本文中仅对本发明的某些特征作了图示和说明，但对本领域的技术 人员来说，将能够进行许多修改和改变。因此应当理解的是，所附权利要求旨 在覆盖落在本发明真实精神内的所有这些修改和变化。