本發(fā)明大體涉及焊接系統(tǒng)，且更確切地說(shuō)，涉及用于監(jiān)測(cè)在焊接操作期間的焊炬的行進(jìn)速度的感測(cè)系統(tǒng)。

焊接是在針對(duì)多種類(lèi)型的應(yīng)用的各種行業(yè)中已變得無(wú)所不在的工藝。舉例來(lái)說(shuō)，常在例如造船、航空器修理、建筑等等的應(yīng)用中執(zhí)行焊接。雖然這些焊接操作在某些情況下可為自動(dòng)化的，但仍存在對(duì)于手動(dòng)焊接操作的需求。在一些手動(dòng)焊接操作中，可能期望在整個(gè)焊接操作中監(jiān)測(cè)焊接參數(shù)，例如，三維空間中的焊炬的行進(jìn)速度。雖然可以以機(jī)器人方式控制自動(dòng)化的焊炬的行進(jìn)速度，但在手動(dòng)操作中的焊炬的行進(jìn)速度可取決于操作員的焊接技術(shù)、焊接模式和位置、焊接操作員的經(jīng)驗(yàn)等等。遺憾地是，由于焊接環(huán)境、操作員的考慮等等特征，可能難以在焊接操作期間測(cè)量此焊接運(yùn)動(dòng)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

在第一實(shí)施例中，一種焊接系統(tǒng)包括定向傳感器，所述定向傳感器與焊炬相關(guān)聯(lián)并且被配置成感測(cè)相對(duì)于重力方向的焊炬定向。所述焊接系統(tǒng)還包括處理系統(tǒng)，所述處理系統(tǒng)與所述定向傳感器通信地耦合并且被配置成至少部分基于所述感測(cè)的焊炬定向確定所述焊炬相對(duì)于管的角位置。

在另一實(shí)施例中，一種方法包括使用一個(gè)或多個(gè)定向傳感器感測(cè)在管的初始位置處的焊炬的初始定向。所述方法還包括使用所述一個(gè)或多個(gè)定向傳感器感測(cè)在所述管的角位置處的所述焊炬的角定向。所述方法進(jìn)一步包括確定在所述初始定向與所述角定向之間的定向的角變化。此外，所述方法包括基于所述角變化和在焊接接頭處的所述管的半徑導(dǎo)出所述焊炬從所述初始位置到所述角位置的行進(jìn)距離。

在又一實(shí)施例中，一種被配置成耦合到焊炬的改裝(retro-fit)套件包括加速度計(jì)，所述加速度計(jì)被配置成確定所述焊炬的初始定向以及隨后的角定向。所述改裝套件還包括處理器，所述處理器被配置成確定所述初始定向與所述隨后的角定向之間的定向的角變化。所述處理器還被配置成使所述處理器基于從所述初始位置到所述角位置的行進(jìn)距離導(dǎo)出所述焊炬的行進(jìn)速度，所述行進(jìn)距離通過(guò)使用所述角變化和在焊接接頭處的所述管的半徑來(lái)確定。

附圖說(shuō)明

當(dāng)參看附圖閱讀以下詳細(xì)描述時(shí)，本發(fā)明的這些和其他特征、方面和優(yōu)勢(shì)將變得更好地被理解，在附圖中，相同的附圖標(biāo)記在整個(gè)附圖中表示相同的部件，其中：

圖1為使用具有如所公開(kāi)的行進(jìn)速度測(cè)定的焊炬的焊接系統(tǒng)的實(shí)施例的框圖；

圖2為圖1的焊接系統(tǒng)的實(shí)施例的框圖，包括用于檢測(cè)焊炬的行進(jìn)速度的行進(jìn)速度感測(cè)系統(tǒng)；

圖3為圖2的焊接系統(tǒng)的實(shí)施例的透視圖，所述焊接系統(tǒng)被用來(lái)確定在管周?chē)暮妇娴男羞M(jìn)速度；

圖4為使用圖2的焊接系統(tǒng)進(jìn)行焊接的焊接接頭的實(shí)施例的橫截面圖；

圖5為被用來(lái)確定圖2的焊炬的行進(jìn)速度的行進(jìn)曲線(xiàn)(profile)的實(shí)施例的視圖；

圖6為可使用圖2的焊接系統(tǒng)進(jìn)行焊接的具有傾斜角度的管的實(shí)施例的透視圖；以及

圖7為可被用來(lái)確定焊炬的焊接行進(jìn)速度或行進(jìn)距離的速度感測(cè)系統(tǒng)的實(shí)施例的框圖。

具體實(shí)施方式

如下詳細(xì)地描述，本文提供用于確定在焊接操作期間的焊接裝置的行進(jìn)速度的系統(tǒng)和方法。前述系統(tǒng)和方法可單獨(dú)地或組合地使用以獲得在焊接操作期間的有關(guān)當(dāng)金屬正被焊接時(shí)沿著金屬的表面的焊炬的三維速度的信息。在一些實(shí)施例中，可在不受約束的或手動(dòng)的焊接操作期間使用這些方法，以提供優(yōu)于可能難以測(cè)量焊接運(yùn)動(dòng)的傳統(tǒng)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)。然而，也可以在多種合適的焊接系統(tǒng)(例如，自動(dòng)化的或機(jī)器人系統(tǒng))中使用前述系統(tǒng)和方法。

層間溫度在焊接件的微結(jié)構(gòu)性質(zhì)(例如，屈服和拉伸強(qiáng)度)方面是重要的。估計(jì)和/或限制層間溫度的一種方法可包括估計(jì)行進(jìn)速度?？赡苡陕羞M(jìn)速度產(chǎn)生的高的層間溫度導(dǎo)致焊接連接和/或周?chē)饘俚膹?qiáng)度的降低。慢行進(jìn)速度還可能導(dǎo)致焊接連接過(guò)度(overbeading)和操作員的低效率的焊接。過(guò)快的行進(jìn)速度可指示焊接連接沒(méi)有完整地形成。本實(shí)施例涉及用于使用一個(gè)或多個(gè)定向傳感器(例如，加速度計(jì)傳感器和/或陀螺儀傳感器)感測(cè)焊炬的行進(jìn)速度的系統(tǒng)和方法。定向傳感器可安置于焊炬上、物理耦合到焊炬或與焊炬通信。行進(jìn)速度感測(cè)系統(tǒng)被配置成檢測(cè)焊炬相對(duì)于工件的位置和定向。在一些實(shí)施例中，定向傳感器可包括重力傳感器(例如，加速度計(jì))、用于測(cè)量角變化的傳感器(例如，陀螺儀)或適合于追蹤焊炬的定向的其他傳感器。

如下所論述，在一些實(shí)施例中，定向傳感器可用以監(jiān)測(cè)焊炬相對(duì)于工件(例如，管工件)的角位置。某些實(shí)施例還包括連接到焊炬和/或位于焊炬中的一個(gè)或多個(gè)其他傳感器。行進(jìn)速度感測(cè)系統(tǒng)被配置成基于從定向傳感器確定的定向來(lái)確定或檢測(cè)行進(jìn)速度。使用預(yù)期的行進(jìn)角度和位置，預(yù)期的定向可被確定并且可被用于與經(jīng)由定向傳感器(本文中通常被稱(chēng)作“定向傳感器”；例如，加速度計(jì)、陀螺儀)測(cè)量的定向相比較。行進(jìn)角度可根據(jù)可手動(dòng)輸入的行進(jìn)曲線(xiàn)、標(biāo)準(zhǔn)行進(jìn)角度或通過(guò)在焊接前的教學(xué)過(guò)程獲悉的行進(jìn)角度而變化。此外，在一些實(shí)施例中，可使用定向傳感器確定待焊接的工件(例如，管的一個(gè)或多個(gè)段)的傾斜角度，以便將重力方向數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)譯成焊炬相對(duì)于工件的定向。

現(xiàn)轉(zhuǎn)到附圖，圖1為根據(jù)本技術(shù)的焊接系統(tǒng)10的實(shí)施例的框圖。焊接系統(tǒng)10被設(shè)計(jì)成產(chǎn)生在工件14(例如，管)附近的焊弧12。焊弧12可由任一類(lèi)型的焊接系統(tǒng)或工藝產(chǎn)生，且可以以任何期望的方式定向。舉例來(lái)說(shuō)，此類(lèi)焊接系統(tǒng)可包括氣體金屬電弧焊(GMAW)系統(tǒng)，且可使用各種編程的波形和設(shè)定。焊接系統(tǒng)10包括電力供應(yīng)器16，電力供應(yīng)器16通常將耦合到電源18(例如，電網(wǎng))。當(dāng)然，可利用其他電源，包括發(fā)電機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的電源組等等。在所示的實(shí)施例中，送絲器20耦合到氣體源22和電源18，且將焊絲24供應(yīng)到焊炬26。焊炬26被配置成在焊炬26與工件14之間產(chǎn)生焊弧12。焊絲24穿過(guò)焊炬26饋送到焊弧12，由焊弧12熔化，且沉積于工件14上。

送絲器20通常將包括大體由附圖標(biāo)記28示出的控制電路，控制電路尤其調(diào)節(jié)焊絲24從線(xiàn)軸的饋送，并且命令電力供應(yīng)器16的輸出等。類(lèi)似地，電力供應(yīng)器16可包括用于控制某些焊接參數(shù)和起弧參數(shù)的控制電路30。線(xiàn)軸將容納在焊接操作期間所消耗的焊絲24的長(zhǎng)度。通常通過(guò)電動(dòng)機(jī)的使用在控制電路28的控制下，焊絲24由焊絲驅(qū)動(dòng)組件32推進(jìn)。此外，工件14通過(guò)連接到工作電纜36的夾鉗34耦合到電力供應(yīng)器16，以當(dāng)在焊炬26與工件14之間建立焊弧12時(shí)使電路完整。

將焊炬26放置在接近工件14的位置處允許由電力供應(yīng)器16提供的且被投送到焊炬26的電流從焊炬到工件14成弧。如上所述，此成弧使得包括電力供應(yīng)器16、焊炬26、工件14和工作電纜36的電路完整。確切地說(shuō)，在操作中，電流從電力供應(yīng)器16傳送到焊炬26，再到工件14，工件14通常經(jīng)由工作電纜36連接回到電力供應(yīng)器16?；‘a(chǎn)生相對(duì)大量的熱量，這使工件14的部分和焊絲24的填料金屬轉(zhuǎn)變到使得材料熔化的熔融狀態(tài)，從而形成焊縫。

為了保護(hù)焊接區(qū)域在焊接期間不被氧化或污染，為了增強(qiáng)電弧性能，且為了改善所得焊縫，焊接系統(tǒng)10還可將惰性保護(hù)氣體從氣體源22饋送到焊炬26。然而，值得注意地，除了惰性保護(hù)氣體之外，或代替惰性保護(hù)氣體，還可使用用于保護(hù)焊接位置的多種保護(hù)材料，包括活性氣體和顆粒固體。此外，在其他焊接工藝中，可不使用此類(lèi)氣體，而本文中公開(kāi)的技術(shù)卻同等地可適用。

目前公開(kāi)的實(shí)施例涉及基于角的行進(jìn)速度感測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)用于檢測(cè)整個(gè)焊接過(guò)程中焊炬26的位置隨著時(shí)間的變化。在一些實(shí)施例中，焊炬26的行進(jìn)速度可指使用至少位于焊炬26中、焊炬上或與焊炬26相關(guān)聯(lián)的加速度計(jì)38和/或陀螺儀40測(cè)量的關(guān)于時(shí)間的三維位置的變化。在某些實(shí)施例中，加速度計(jì)38可包括能夠測(cè)量動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)(例如，焊接擺動(dòng))的單個(gè)三軸加速度計(jì)。在其他實(shí)施例中，焊炬26的行進(jìn)速度可指使用兩個(gè)定向傳感器(例如，加速度計(jì))確定的焊炬26的二維的變化。舉例來(lái)說(shuō)，可相對(duì)于平行于重力的方向的平面計(jì)算二維位置。如上提到，雖然圖1示出GMAW系統(tǒng)，但目前公開(kāi)的技術(shù)可類(lèi)似地應(yīng)用在其他類(lèi)型的焊接系統(tǒng)上，包括氣體鎢電弧焊(GTAW)系統(tǒng)和保護(hù)金屬電弧焊(SMAW)系統(tǒng)。因此，焊接行進(jìn)速度感測(cè)系統(tǒng)的實(shí)施例可供包括送絲器20和氣體源22的焊接系統(tǒng)利用，或供不包括送絲器和/或氣體源的系統(tǒng)利用，取決于具體針對(duì)實(shí)施的考慮。

圖2為包括根據(jù)目前公開(kāi)的技術(shù)的行進(jìn)速度感測(cè)系統(tǒng)50的焊接系統(tǒng)10的實(shí)施例的框圖。其中，行進(jìn)速度感測(cè)系統(tǒng)50可包括行進(jìn)速度監(jiān)測(cè)裝置52，行進(jìn)速度監(jiān)測(cè)裝置52被配置成處理從包括在焊炬26內(nèi)或連接到焊炬26(例如，經(jīng)由附加套件)的一個(gè)或多個(gè)傳感器54(例如，加速度計(jì)、陀螺儀等)接收的信號(hào)。如下詳細(xì)地論述，可利用傳感器54確定焊炬26在工件14周?chē)奈恢谩Ｔ谝恍?shí)施例中，焊炬26和/或焊炬附加套件可包括一個(gè)或多個(gè)處理器55，處理器55可分析和變換來(lái)自傳感器54的測(cè)量結(jié)果，且物理耦合到焊炬26上(例如，經(jīng)由外殼)。在一些實(shí)施例中，傳感器54和/或處理器55可包括用于一個(gè)或多個(gè)部件的屏蔽件。

焊接系統(tǒng)10還可包括位于焊接區(qū)域58內(nèi)的、在焊炬26外部的且能夠捕獲關(guān)于用來(lái)焊接工件14的焊接技術(shù)的各種細(xì)節(jié)的一個(gè)或多個(gè)傳感器56。傳感器56可以是產(chǎn)生指示焊炬26的位置、焊炬26的定向和/或在焊接區(qū)域58內(nèi)的工件14的各個(gè)部分的溫度的信號(hào)的任何期望類(lèi)型的傳感器。焊接區(qū)域58可包括經(jīng)由焊接系統(tǒng)10執(zhí)行焊接操作所在的任何三維空間。舉例來(lái)說(shuō)，傳感器56可包括在焊接區(qū)域58中操作的麥克風(fēng)陣列(其被配置成檢測(cè)焊弧12的位置)、安置于焊炬26上的聲音發(fā)射器或指示焊炬26的位置的任何其他聲音。在其他實(shí)施例中，傳感器56可包括被配置成感測(cè)從焊炬26(例如，焊弧12)發(fā)射的光的一個(gè)或多個(gè)光學(xué)傳感器。在一些實(shí)施例中，傳感器56中的一個(gè)或多個(gè)可位于電焊頭盔上，以輔助確定焊炬26的位置。

一個(gè)或多個(gè)傳感器54、56和/或處理器55可將指示焊炬位置的信號(hào)60發(fā)送到行進(jìn)速度監(jiān)測(cè)裝置52。通過(guò)使用信號(hào)60，行進(jìn)速度監(jiān)測(cè)裝置52可至少部分基于從傳感器(例如，加速度計(jì)38和/或陀螺儀40)發(fā)送的信號(hào)60確定焊炬26的位置。即，行進(jìn)速度感測(cè)系統(tǒng)50可接收信號(hào)60，并且基于這些信號(hào)60確定焊炬26的行進(jìn)速度。在一些實(shí)施例中，可按與傳感器56的任何空間關(guān)系放置工件14，且可經(jīng)由焊接行進(jìn)速度系統(tǒng)50實(shí)施校準(zhǔn)方案。舉例來(lái)說(shuō)，可將焊炬26放置于相對(duì)于工件14的一個(gè)或多個(gè)已知位置處，且在這些位置取得的傳感器測(cè)量結(jié)果可用以校準(zhǔn)工件14與傳感器56之間的空間關(guān)系。

如所展示，行進(jìn)速度監(jiān)測(cè)裝置52可包括處理器62，其經(jīng)由信號(hào)60接收來(lái)自傳感器54、傳感器56和/或處理器55的輸入(例如，傳感器數(shù)據(jù))。每一信號(hào)可從一個(gè)或多個(gè)傳感器54、56在通信電纜或無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)(例如，)上通信。在實(shí)施例中，處理器62也可將控制命令發(fā)送到焊接系統(tǒng)10的控制裝置64，以便在焊接系統(tǒng)10內(nèi)實(shí)施適當(dāng)動(dòng)作。舉例來(lái)說(shuō)，控制裝置64可基于所確定的焊炬26的行進(jìn)速度控制焊接參數(shù)(例如，功率輸出、送絲速度、氣體流量等)。處理器62還可與反饋裝置66耦合，反饋裝置66基于來(lái)自傳感器54、56的輸入提供焊炬26的行進(jìn)速度的指示。在一些實(shí)施例中，反饋裝置66包括存儲(chǔ)器68和與行進(jìn)速度監(jiān)測(cè)裝置52的處理器分開(kāi)的處理器70。然而，在某些實(shí)施例中，反饋裝置66可依賴(lài)于行進(jìn)速度監(jiān)測(cè)裝置52的處理器62。在一些實(shí)施例中，反饋裝置66包括人機(jī)接口(HMI)72。在一些實(shí)施例中，HMI 72包括可基于由行進(jìn)速度監(jiān)測(cè)裝置52確定的行進(jìn)速度而提供焊炬26的行進(jìn)速度的視覺(jué)指示的顯示器。在某些實(shí)施例中，HMI 72的顯示器可位于在焊接區(qū)域58中的焊接期間使用的電焊頭盔中。在一些實(shí)施例中，顯示器可與電焊頭盔分開(kāi)，例如，從焊接區(qū)域內(nèi)可見(jiàn)的裝好的顯示器。此外，HMI 72可包括經(jīng)由手套、頭盔或焊炬26對(duì)用戶(hù)的觸覺(jué)反饋。HMI 72可用于在操作員正執(zhí)行焊接時(shí)將焊炬26的行進(jìn)速度的視覺(jué)、觸覺(jué)和/或可聽(tīng)的指示直接提供給焊接操作員，和/或提供對(duì)于特定焊接的操作員的行進(jìn)速度過(guò)慢、過(guò)快或在適當(dāng)范圍中的指示。處理器62可從焊接系統(tǒng)10接收額外的傳感器反饋84，以便監(jiān)測(cè)其他焊接參數(shù)。這些其他焊接參數(shù)可包括(例如)輸入到工件14的熱量。

如圖所示，處理器62耦合到存儲(chǔ)器74，存儲(chǔ)器74可包括含有可執(zhí)行指令、瞬時(shí)數(shù)據(jù)、輸入/輸出相關(guān)數(shù)據(jù)等等的一個(gè)或多個(gè)軟件模塊76。存儲(chǔ)器74可包括非暫時(shí)性計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)，例如，易失性或非易失性存儲(chǔ)器。此外，存儲(chǔ)器74可包括多種機(jī)器可讀且可執(zhí)行指令(例如，計(jì)算機(jī)代碼)，該指令被配置成在給定輸入傳感器數(shù)據(jù)的情況下提供焊接行進(jìn)速度的計(jì)算。通常，處理器62接收來(lái)自一個(gè)或多個(gè)傳感器54、56和/或處理器55的此傳感器數(shù)據(jù)，并且引用存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器74中的數(shù)據(jù)以實(shí)施此類(lèi)計(jì)算。以此方式，處理器62被配置成至少部分基于信號(hào)60確定焊炬26的行進(jìn)速度。

在一些實(shí)施例中，可將行進(jìn)速度感測(cè)系統(tǒng)50提供為圖1的焊接系統(tǒng)10的組成部分。即，例如在焊接系統(tǒng)10的制造期間，可將行進(jìn)速度感測(cè)系統(tǒng)50集成到焊接系統(tǒng)10的部件內(nèi)。舉例來(lái)說(shuō)，電力供應(yīng)器16可包括編程到其軟件內(nèi)以支持行進(jìn)速度感測(cè)系統(tǒng)50的適當(dāng)?shù)挠?jì)算機(jī)代碼。然而，在其他實(shí)施例中，可將行進(jìn)速度感測(cè)系統(tǒng)50提供為可使現(xiàn)有焊接系統(tǒng)10具有本文描述的行進(jìn)速度感測(cè)能力的改裝套件。改裝套件可包括(例如)行進(jìn)速度感測(cè)系統(tǒng)50，該行進(jìn)速度感測(cè)系統(tǒng)50具有處理器62和存儲(chǔ)器74，以及可附接到焊炬26的一個(gè)或多個(gè)傳感器54，行進(jìn)速度感測(cè)系統(tǒng)50接收來(lái)自傳感器54的傳感器輸入。在一些實(shí)施例中，改裝套件也可包括具有安裝的傳感器54的焊炬26。為此，此類(lèi)改裝套件可被配置為可安裝到現(xiàn)有焊接系統(tǒng)10上的附加件，從而提供行進(jìn)速度感測(cè)能力。另外，因?yàn)榭蓪⒏难b套件安裝于現(xiàn)有焊接系統(tǒng)10上，所以其也可被配置為一旦被安裝那么是可移除的。

圖3示出了可使用行進(jìn)速度感測(cè)系統(tǒng)50的焊接系統(tǒng)10的實(shí)施例。行進(jìn)速度感測(cè)系統(tǒng)50可以當(dāng)操作員80在工件14(例如，管)上形成焊縫82時(shí)確定焊炬26的焊接行進(jìn)速度。在示出的實(shí)施例中，除了或替代地將傳感器54放置在焊炬26中，傳感器54位于操作員80的手套84上和/或手套84中。如圖所示，焊縫82可形成于圓柱形工件14上，其中在具有已知直徑的工件14上形成焊接連接期間，焊炬26大體上垂直于工件14或處于與工件14的大體已知的角度。使用已知直徑(基于工件14與焊炬26之間的行進(jìn)曲線(xiàn)的定向)，可使用焊炬幾何尺寸(例如，圖4中所示的焊接系統(tǒng)10的實(shí)施例的橫截面圖)基于焊炬26的定向隨時(shí)間確定行進(jìn)速度。在操作期間，焊炬26經(jīng)受與重力相關(guān)聯(lián)的向下力90。向下力90的方向可由傳感器54(例如，加速度計(jì)38)檢測(cè)，用于在確定焊炬26的行進(jìn)速度時(shí)使用。舉例來(lái)說(shuō)，當(dāng)將焊炬26放置于與工件14實(shí)質(zhì)上垂直或呈其他角度的初始位置92處時(shí)，對(duì)于工件14的橫截面(例如，二維切片)而言，焊炬軸線(xiàn)94大體上穿過(guò)工件14的中心點(diǎn)96。隨著焊炬26行進(jìn)了行進(jìn)距離98到在工件14的外直徑周?chē)牡诙恢?00，同時(shí)維持相對(duì)于工件14的期望的定向，焊炬軸線(xiàn)94繼續(xù)穿過(guò)中心點(diǎn)96。換句話(huà)說(shuō)，焊炬軸線(xiàn)94可延伸穿過(guò)在初始位置92處的半徑102(或已知或假定的定向)且穿過(guò)在第二位置100處的半徑104(或其他已知或假定的定向)。可根據(jù)以下函數(shù)將距離98作為半徑102與104之間的角度φ和半徑102和104的長(zhǎng)度的函數(shù)來(lái)確定：

d＝r*φ (等式1)，

其中d為行進(jìn)距離98的長(zhǎng)度，r為半徑102和104的長(zhǎng)度，且φ為按弧度測(cè)量的在半徑102與104之間的角度。在一些實(shí)施例中，半徑102和104的長(zhǎng)度可為已知的(例如，在工作信息數(shù)據(jù)庫(kù)中)和/或由操作員輸入到焊接系統(tǒng)10內(nèi)。此外，可通過(guò)將行進(jìn)距離98除以由行進(jìn)速度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)50確定的焊炬26在初始位置92與第二位置100之間行進(jìn)的行進(jìn)時(shí)間間隔來(lái)確定行進(jìn)速度。

為了確定角度φ的量度，傳感器54可測(cè)量在從初始位置92到第二位置100的行進(jìn)期間重力的方向關(guān)于焊炬軸線(xiàn)94方向的變化。換句話(huà)說(shuō)，可將角度φ確定為在初始位置92處的焊炬軸線(xiàn)94的初始定向與在第二位置100處的焊炬軸線(xiàn)94的第二定向之間的角度。雖然可在工件14周?chē)囊恍┪恢锰幨褂么怪倍ㄏ?，但在一些位?諸如，位置106和108)中，可使用或期望替代的定向。舉例來(lái)說(shuō)，在位置106和108處，MIG焊炬可具有距焊炬定向110的輕微焊炬角度，以推動(dòng)焊接材料的熔池向上從而補(bǔ)償焊接材料上的向下力90。在此類(lèi)實(shí)施例中，可使用行進(jìn)曲線(xiàn)補(bǔ)償焊炬定向110與垂直定向112之間的差，以提供在工件14周?chē)哪承c(diǎn)處的期望的行進(jìn)步調(diào)。

圖5示出了行進(jìn)曲線(xiàn)(profile)110的實(shí)施例，該行進(jìn)曲線(xiàn)110反映在管(例如，工件14)周?chē)念A(yù)期的行進(jìn)。行進(jìn)角度112可選擇為垂直或具有變化以考慮各種因素(例如，在豎直定向的焊接位置處的焊接材料的重力效應(yīng))。在一些實(shí)施例中，行進(jìn)角度112可為標(biāo)準(zhǔn)焊炬角度偏轉(zhuǎn)(deflection)。在某些實(shí)施例中，行進(jìn)角度112可手動(dòng)鍵入或可從在焊接前執(zhí)行的教學(xué)操作來(lái)確定。舉例來(lái)說(shuō)，可使用傳感器56或者使用在2013年1月31日遞交的美國(guó)專(zhuān)利公開(kāi)第2013/0206741號(hào)中公開(kāi)的訓(xùn)練方法來(lái)確定行進(jìn)角度112，該美國(guó)專(zhuān)利以全文引用的方式并入本文。此外，可通過(guò)訓(xùn)練操作針對(duì)具體操作員定制行進(jìn)角度112，以基于在管(例如，工件14)周?chē)母鞣N位置處的操作員的個(gè)人技術(shù)更準(zhǔn)確地確定所述管周?chē)奈恢谩?/p>

在所示的實(shí)施例中，行進(jìn)角度112開(kāi)始于0°的角位置(例如，12點(diǎn)鐘位置)，其具有偏離垂直線(xiàn)0°的角度。然而，隨著焊炬26接近90°的角位置(例如，3點(diǎn)鐘位置)，角度可增加到被配置成在向上方向上推動(dòng)焊接材料以抵消重力的偏轉(zhuǎn)角度(例如，15°)。在180°的角位置(例如，6點(diǎn)鐘位置)附近，角度可返回朝向偏離垂直線(xiàn)的0°，但在更加處于270°的角位置(例如，9點(diǎn)鐘位置)附近，焊炬26可向下偏轉(zhuǎn)(例如，-15°)，以再次補(bǔ)償焊接材料上的重力。使用行進(jìn)角度112，相對(duì)于原始焊炬軸線(xiàn)94的預(yù)期定向角度114。預(yù)期定向角度114可反映行進(jìn)角度112的變化，其反映從管周?chē)暮愣ù怪倍ㄏ蚪嵌?16的變化(例如，歸因于操作員技術(shù))。如圖所示，所選擇的行進(jìn)角度112的變化對(duì)應(yīng)于定向角度的類(lèi)似變化。

如圖所示，對(duì)于管路和類(lèi)似工件，行進(jìn)路徑112和預(yù)期定向角度114可為連續(xù)的正弦形線(xiàn)。然而，基于隨時(shí)間的大量的采樣位置和定向，實(shí)際的定向角度可為離散的。然而，在一些實(shí)施例中，采樣可暴露給低通過(guò)濾、基于時(shí)間的移動(dòng)平均過(guò)濾或預(yù)測(cè)性卡爾曼(Kalman)過(guò)濾器，以濾出除了相對(duì)緩慢變化的定向角度外的不想要的信息。可使用硬件或軟件過(guò)濾器來(lái)執(zhí)行過(guò)濾。此外，可按較長(zhǎng)間隔(例如，若干秒)計(jì)算平均的焊炬定向，以聚焦于到相對(duì)緩慢變化的定向角度的變化。

此外，可通過(guò)融合來(lái)自一個(gè)或多個(gè)其他傳感器(例如，傳感器56和/或陀螺儀40)的信息來(lái)進(jìn)一步改進(jìn)實(shí)際定向角度。舉例來(lái)說(shuō)，通過(guò)使用陀螺儀40(例如，三軸陀螺儀傳感器)，焊炬圍繞3個(gè)正交軸線(xiàn)的旋轉(zhuǎn)速率可在時(shí)間上積分以獲得當(dāng)前角度的估計(jì)，其可與加速度計(jì)信號(hào)結(jié)合以通過(guò)校正傳感器誤差、偏移和動(dòng)態(tài)加速度來(lái)改善確定的定向角度的準(zhǔn)確性。

前述論述論述了大體上平行于地面的管。然而，可使用進(jìn)一步分析來(lái)確定對(duì)于不平行于地面的管的定向角度。舉例來(lái)說(shuō)，在圖6的焊接系統(tǒng)120中。管124的中心向量122與地面126形成角度θ，其中0°<θ<90°。雖然在圖示的實(shí)施例中，管124接觸地面126，但焊接系統(tǒng)120的某些實(shí)施例，管124可不接觸地面126。取而代之，角度θ指示中心向量122和/或管124的邊緣的延伸。由管124的焊接接頭128形成的平面可作為圓圈垂直于中心向量122。然而，當(dāng)將焊接接頭128投影到由重力130的方向界定的平面上時(shí)，在該平面上的投影的焊接接頭132可形成橢圓。由于投影的焊接接頭132為橢圓，因此投影的焊接接頭132具有大直徑134和小直徑136。大直徑134的長(zhǎng)度與管124的直徑138相同。然而，小直徑136基于角度θ的值而變化，且可使用以下等式來(lái)確定：

d_minor＝d_major*cos(θ) (等式2)，

其中d_minor為小直徑136的長(zhǎng)度且d_major為大直徑134的長(zhǎng)度。使用d_minor和d_major，可確定或估算在管上圍繞橢圓行進(jìn)的距離。舉例來(lái)說(shuō)，在一些實(shí)施例中，可使用以下等式估算在橢圓的周長(zhǎng)上行進(jìn)的距離。

在某些實(shí)施例中，可使用以下等式估算在橢圓的周長(zhǎng)上行進(jìn)的距離。

在一些實(shí)施例中，可通過(guò)將周長(zhǎng)乘以φ/2π來(lái)使用其他合適的橢圓周長(zhǎng)估算公式。

在一些實(shí)施例中，對(duì)于焊接系統(tǒng)120，角度θ的測(cè)量可為已知的和/或由操作員輸入。在某些實(shí)施例中，可使用焊接系統(tǒng)120(例如，焊炬26)確定角度θ。舉例來(lái)說(shuō)，可將焊炬26放在管124上，從而使得可在焊接管124之前使用焊炬26的定向傳感器54確定角度θ。

使用投影的焊接接頭132模型，即使當(dāng)管不平行地面126時(shí)(即，大體垂直于重力)，也可確定焊炬26在管124周?chē)男羞M(jìn)速度。雖然先前論述是關(guān)于圍繞管的整個(gè)圓周的焊接，但前述技術(shù)可應(yīng)用于涵蓋圍繞管的圓周的部分的弧形節(jié)段。事實(shí)上，可將圓形管細(xì)分成兩個(gè)或更多個(gè)子弧，在焊接全部管接頭時(shí)所述子弧可具有分開(kāi)的預(yù)期。舉例來(lái)說(shuō)，可將行進(jìn)路徑112細(xì)分成可同時(shí)或在不同時(shí)間焊接的四個(gè)截然不同的子段。

圖7示出了用于確定在管124的焊接期間焊炬26的行進(jìn)速度的過(guò)程140的實(shí)施例?？墒褂锰幚砥?5、62和/或70實(shí)施過(guò)程140。在一些實(shí)施例中，處理器55、62和/或70實(shí)施存儲(chǔ)于存儲(chǔ)器74和/或68中的指令。在某些實(shí)施例中，處理器55、62和/或70可將過(guò)程140作為硬件、軟件或其某一組合執(zhí)行。過(guò)程140包括使用一個(gè)或多個(gè)定向傳感器54確定相對(duì)于重力向量的當(dāng)前焊炬定向(塊142)。在一些實(shí)施例中，定向傳感器54可包括一個(gè)或多個(gè)加速度計(jì)38和/或一個(gè)或多個(gè)陀螺儀40。在一些實(shí)施例中，可將來(lái)自定向傳感器54的測(cè)量結(jié)果與來(lái)自其他傳感器(例如，傳感器56)的額外測(cè)量結(jié)果融合。使用所確定的定向，確定從初始焊炬定向到當(dāng)前焊接定向的變化(塊144)。在一些實(shí)施例中，變化包括指示焊炬26在操作期間的移動(dòng)的一個(gè)或多個(gè)正交軸上的角變化(例如，使用三軸加速度計(jì))。

使用所確定的變化和管124的半徑，過(guò)程140包括基于角度和半徑計(jì)算行進(jìn)的距離(塊146)。在某些實(shí)施例中，管124的半徑可在焊接前被輸入和/或?yàn)橐阎?。在一些?shí)施例中，可通過(guò)掃描條形碼、QR碼、RFID(無(wú)線(xiàn)電場(chǎng)識(shí)別)或可位于管上或在管附近的其他合適的數(shù)據(jù)傳送裝置來(lái)確定管124的半徑。在某些實(shí)施例中，使用掃描來(lái)識(shí)別存儲(chǔ)關(guān)于管124的信息(例如，管的半徑)的工作信息數(shù)據(jù)庫(kù)。在某些實(shí)施例中，計(jì)算行進(jìn)的距離包括基于行進(jìn)角度曲線(xiàn)計(jì)算行進(jìn)的距離。在一些實(shí)施例中，行進(jìn)角度曲線(xiàn)可對(duì)應(yīng)于特定焊接連接和幾何形狀的標(biāo)準(zhǔn)行進(jìn)曲線(xiàn)。在某些實(shí)施例中，行進(jìn)角度曲線(xiàn)可使用反映具體針對(duì)操作員或被配置以補(bǔ)償各種因素(例如，對(duì)焊接材料的重力影響)的技術(shù)的教學(xué)操作由焊接系統(tǒng)10獲悉。過(guò)程140進(jìn)一步包括基于焊炬穿過(guò)行進(jìn)距離所花的時(shí)間來(lái)確定行進(jìn)的速度(塊148)。在一些實(shí)施例中，行進(jìn)的速度可跨距離的多個(gè)確定而平均化和/或在計(jì)算的周期(例如，1秒、2秒、3秒、4秒或更多秒)上確定。

確定的行進(jìn)速度可至少部分基于線(xiàn)性輸入和電力輸入提供焊接質(zhì)量的文件資料。行進(jìn)速度也可用以經(jīng)由反映焊接進(jìn)度的反饋裝置66對(duì)操作員提供實(shí)時(shí)反饋。另外，應(yīng)注意，在某些實(shí)施例中，可能需要確定和監(jiān)測(cè)焊炬26在正被焊接的工件14的總距離(而不是焊炬26行進(jìn)的總距離)上的行進(jìn)速度。即，在操作員110按傳統(tǒng)模式(例如，擺動(dòng))執(zhí)行焊接的情況下，焊炬26可行進(jìn)大的距離，而僅覆蓋工件14的小部分。如果操作員110使用此技術(shù)，那么可調(diào)整焊接行進(jìn)速度的解譯以補(bǔ)償擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)，以沿著焊接的行進(jìn)方向(X)導(dǎo)出行進(jìn)速度。因此，在一些實(shí)施例中，焊接行進(jìn)速度不會(huì)簡(jiǎn)單地是焊接向量的長(zhǎng)度的總和。取而代之，用于計(jì)算焊接行進(jìn)速度的算法可連續(xù)地確定當(dāng)前焊接位置與某一先前參考位置之間的直線(xiàn)或平面距離，且將此距離除以?xún)蓚€(gè)位置之間的經(jīng)過(guò)的焊接時(shí)間。點(diǎn)之間的經(jīng)過(guò)的時(shí)間可保持恒定，或可在焊接起始位置處將初始參考點(diǎn)保持恒定。在一些實(shí)施例中，可將兩個(gè)位置之間的經(jīng)過(guò)的時(shí)間調(diào)整為當(dāng)擺動(dòng)被檢測(cè)時(shí)的較長(zhǎng)時(shí)間間隔。

在一些實(shí)施例中，如果已知在行進(jìn)方向(X)和擺動(dòng)方向(Y)(或焊接表面上的任何兩個(gè)正交方向)上的位移，那么可例如通過(guò)勾股定理計(jì)算當(dāng)前焊接尖部位置與先前參考位置之間的距離。如果發(fā)現(xiàn)此距離為非單調(diào)增大，那么可識(shí)別擺動(dòng)技術(shù)。另外，在特定模式(例如，Z形模式)正由操作員110執(zhí)行的實(shí)施例中，可通過(guò)評(píng)估在某一時(shí)間周期內(nèi)在擺動(dòng)方向(Y)上的擺幅(excursion)或在行進(jìn)方向(X)上幾乎缺乏行進(jìn)來(lái)識(shí)別模式。也可通過(guò)感測(cè)在擺動(dòng)方向(Y)上的擺幅來(lái)檢測(cè)擺動(dòng)的量。舉例來(lái)說(shuō)，在實(shí)施例中，可根據(jù)檢測(cè)到的擺動(dòng)的量調(diào)整當(dāng)前焊接位置與先前參考位置之間的時(shí)間(例如，更多的擺動(dòng)對(duì)應(yīng)于更長(zhǎng)的時(shí)間)。另外，可調(diào)整計(jì)算的行進(jìn)速度的任何低通過(guò)濾或時(shí)間平均化(例如，更多的擺動(dòng)對(duì)應(yīng)于更長(zhǎng)的時(shí)間或更低頻率的過(guò)濾器)。

雖然已在本文中說(shuō)明和描述了本發(fā)明的僅某些特征，但許多修改和變化將會(huì)被本領(lǐng)域的技術(shù)人員想到。因此，應(yīng)理解，所附權(quán)利要求書(shū)希望涵蓋屬于本發(fā)明的真實(shí)精神的所有此類(lèi)修改和變化。