CN102947042B - 设有磁性转速传感器的焊接送丝机 - Google Patents

Abstract

一种焊接送丝机(14)包括磁性转速传感器系统(56)，磁性转速传感器系统(56)配置成测量表示焊接送丝机的送丝速度的参数。磁性转速传感器系统包括偶极磁体(110)和磁性传感器(108)，偶极磁体(110)连接焊接送丝机电动机(42)驱动的齿轮(52)，磁性传感器(108)靠近偶极磁体放置且配置成测量偶极磁体的角位置。磁性转速传感器系统还包括处理器(64)，所述处理器(64)配置成接收磁性传感器测量的角位置信号，且配置成根据角位置信号和焊接送丝机的配置参数计算焊接送丝机的送丝速度。

Description

设有磁性转速传感器的焊接送丝机

交叉引用相关申请

本项申请主张2011年6月10日提交的第13/158,005号美国专利申请《设有磁性转速传感器的焊接送丝机》和2010年6月17日提交的第61/355,815号美国临时专利申请《焊接送丝机的磁性转速传感器》的优先权，上述申请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，具体涉及设有磁性转速传感器的焊接送丝机。

焊接工艺已经成为日益普遍存在于各种行业和应用中的工艺。焊接作业依靠各种类型的设备以确保在所需的时间内为焊接提供恰当数量的焊接材料(例如，送丝、保护气体等)。举例来说，金属惰性气体(MIG)保护焊一般依靠送丝机以确保将焊丝恰当地送往焊炬，同时焊丝引燃焊弧且在焊接过程中被消耗。

在金属惰性气体保护焊系统中，既定焊接应用的送丝参数根据所用的焊丝类型、焊丝卷筒的尺寸、焊丝的物理特性、焊炬和焊炬电缆的长度和类型、焊接工艺的温度、焊接工艺类型等各种因素而变化。通常，焊接作业过程中会对送丝作业参数进行监测。举例来说，可以用程序化的电动机特性或电阻和电压斜率来测量焊接送丝机的送丝速度。但是，程序化的电动机特性和电阻和电压斜率方法会提供不精确的测量结果和数据。作为选择，也可以用光学转速计(例如，发光二极管(LED)和轮式编码器)测量送丝速度。然而，光学转速计(可以安装在送丝电动机的电动轴上)易在高温环境下发生故障。另外，焊接环境中的灰尘或污染物可能会遮挡LED的光路，从而进一步降低光学转速计的效率。此外，光学转速计能紧密连接送丝机的电动机驱动装置，这虽然可以提高分辨率，但也会增加拆除或更换电动机的难度。

发明内容

在一个示范性实施方式中，焊接送丝机系统包括焊丝驱动装置、齿轮传动装置和电动机组件，其中所述焊丝驱动装置配置成接触焊丝且将焊丝朝向焊接应用推动，所述齿轮传动装置连焊丝驱动装置且配置成使焊丝驱动装置在作业过程中转动，所述电动机组件连接齿轮传动装置且配置成使齿轮组件在作业过程中转动。该焊接送丝机系统还包括配置成测量指示焊接送丝机系统的送丝速度的参数的磁性转速传感器系统。

在另一个示范性实施方式中，送丝速度传感器系统包括偶极磁体、磁性传感器和处理器，其中所述偶极磁体连接焊接送丝机的电动机驱动的齿轮，所述磁性传感器靠近偶极磁体放置且配置成测量偶极磁体的角位置，所述处理器配置成接收磁性传感器测量的角位置信号，且根据角位置信号和焊接送丝机的配置参数计算焊接送丝机的送丝速度。

在另一个实施方式中，焊接送丝机的送丝速度测量方法包括测量电动机(配置成将焊丝送往焊接应用)驱动的齿轮的角位置，按所需的间隔对角位置进行采样，以及根据齿轮的角位置和焊接送丝机的配置参数计算送丝速度。

附图说明

下面用具体实施方式结合附图对本发明的特性、方面和优点作进一步说明。附图用类似的字符表示类似部件，其中：

图1为示范性焊接系统的示意图；

图2为图1所示的焊接送丝机系统的示范性功能元件的示意图；

图3为磁性送丝传感器的示意图，该磁性送丝传感器用于测量图1所示的焊接送丝机系统的送丝速度；

图4为焊接送丝机系统的齿轮角速度-供给系统电动机的电压的示意图；以及

图5的流程图显示了用图3所示的磁性送丝速度传感器确定送丝速度的示范性方法的流程图。

具体实施方式

本发明介绍了设有磁性送丝速度传感器的焊接送丝机的示范性实施方式。该焊接送丝机包括电动机，该电动机配置成驱动传动辊以向焊炬传送焊丝。该电动机还驱动空转齿轮，磁性送丝速度传感器通过计算空转齿轮的角位置和角速度来测量空转齿轮的转速。用类似的方法可以测量系统的另一个齿轮或转动部件的转速。具体而言，在所述的实施方式中，用磁体测量角位置和角速度，该磁体位于与空转齿轮连接的轴上和且位于集成电路上方，所述集成电路按一定的间隔对所述轴的角位置进行采样。接着，该角位置数据可用于确定空转齿轮的角速度，该角速度可进一步转换成送丝速度测量值。

可以理解的是，磁性送丝速度传感器能配合各种焊接送丝机电动机、焊丝和齿轮比使用。并且，磁性送丝速度传感器实现了非接触式位置/速度检测，有利于提高数据分辨率，并且磁性送丝速度传感器连接电动机驱动装置铸件而不是电动机驱动装置本身，因而使得电动机驱动装置的拆卸和更换更加合理化。此外，磁性送丝速度传感器通过测量磁场确定送丝速度时，其数据采集不大可能受焊接环境中的灰尘和其他污染物的影响。

现在结合附图进行说明，图1显示了一个示范性焊接系统10，焊接系统10为焊接作业提供电源、控制焊接作业并为焊接作业提供焊接材料。焊接系统10包括焊接电源供应器12、焊接送丝机14和焊炬16。焊接电源供应器12可以是需要使用电源18的功率转换器型焊接电源供应器或逆变焊接电源供应器。在其他实施方式中，焊接电源供应器12可以是内燃机驱动的发电机或交流发电机。焊接电源供应器12还可以包含用于输入和调节焊接电源供应器12的各种运行参数(如，电压和电流)的用户界面20。在某些实施方式中，用户界面20进一步配置成输入或调节焊接送丝机14的各种运行参数，如焊丝直径、送丝速度等。如图所示，焊接电源供应器12连接焊接送丝机14。可以理解的是，焊接电源供应器12可以通过送丝机电源线、焊接电缆和控制电缆连接至焊接送丝机14。

实施方式所述的焊接送丝机14向焊炬16提供焊接作业用的焊丝。具体而言，焊接送丝机14将焊丝从卷筒送往焊炬16。可以使用各种焊丝。举例来说，焊丝可以是实芯焊丝(例如，碳钢、铝、不锈钢)、复合焊丝、药芯焊丝等。此外，焊丝厚度根据使用焊丝的焊接应用的不同而不同。举例来说，焊丝厚度可以为0.045”、0.052”、1/16”或5/64”。焊接送丝机14可包含各种内部构件，例如，送丝驱动系统、电动机组件、电动机等。并且，焊接送丝机14还可以连接气体源22。气体源22是向焊炬16供应气体的来源。详见下文所述，焊接送丝机14还包括配置成测量焊接送丝机14的送丝速度的磁性送丝速度传感器。并且，磁性送丝速度传感器可以是非接触式传感器，该非接触式传感器配置成与在焊接送丝机14中使用的多个电动机中的任意一个电动机一起工作。换言之，磁性送丝速度传感器可以独立于电动机设在焊接送丝机14内，以便在拆除及更换电动机时不需要拆除或更换磁性送丝速度传感器。

如图所示，焊接送丝机14提供的焊丝通过第一电缆24送往焊炬16。也可以通过第一电缆24向焊炬16供气。如图进一步所示，第二电缆26连接焊接电源供应器12和工件28(一般通过夹具)，因而在焊接作业期间在焊接电源供应器12和焊炬16之间形成完整的电路。

需要注意的是，可以根据本发明的各个方面对图1所示的示范性焊接系统10进行修改。举例来说，焊接送丝机14还包括用户界面以供用户输入和调节焊接送丝机14的各种送丝设置或运行参数，如，送丝速度、焊丝直径等。并且，虽然本文以金属惰性气体(MIG)保护焊工艺为例介绍了实施方式，但是本发明的特性还可以配合各种焊接工艺使用。

图2的框图显示了焊接送丝机14的一些内部构件。如上所述，焊丝驱动装置34将焊丝30从焊丝卷筒32送往焊炬16。在所示的实施方式中，焊丝驱动装置34包括驱动辊36和偏置辊38。如图所示，偏置辊38偏向焊丝30，驱动辊36机械地连接包含电动机42的电动机组件40。期望的是，电动机组件40转动驱动辊36以驱动焊丝30前进，同时，偏置辊38偏向焊丝30以使偏置辊38、驱动辊36和焊丝30之间保持良好的接触。在其他实施方式中，焊丝驱动装置34包括多个这类的辊子。可以采用辊子、偏置组件及发动机架和组件的各种物理配置，本发明并不以具体配置为限。

如上所述，焊接送丝机14包括电动机组件40，电动机组件40可以根据驱动方案(例如，输入信号类型)、所需的电动机类型(例如，直流、扭矩等)、预期焊丝规格和扭矩要求以及预期速度范围从多个可用电动机、齿轮组合等中选择任何一个。除了电动机42(在当前实施方式中是有刷直流电动机)以外，电动机组件40还包括齿轮传动装置44。具体而言，电动机42驱动的电机轴46连接电机齿轮48。电机齿轮48机械地连接驱动辊齿轮50。驱动辊齿轮50连接驱动轴54，驱动轴54连接驱动辊36。因此，当电动机42驱动电机轴46转动时，电机齿轮48向驱动辊齿轮50传送动力，驱动辊齿轮50驱动驱动辊36使其转动。当驱动辊36驱动进行转动时，焊接送丝机14将焊丝30送往焊炬16。电机齿轮48和驱动辊齿轮50有多种不同的齿轮比。例如，电机齿轮48和驱动辊齿轮50的第一齿轮比配置为提供标准送丝速度和标准扭矩。作为选择，电机齿轮48和驱动辊齿轮50的第二齿轮比配置为提供较慢的送丝速度和较大的扭矩。如上所述，焊接送丝机14包括磁性送丝速度传感器56。具体而言，在所示的实施方式中，磁性送丝速度传感器56连接空转齿轮52，空转齿轮52机械地连接驱动辊齿轮50。详见下文所述，磁性送丝速度传感器56配置成测量电动机转速或送丝速度并向用户提供电动机转速或送丝速度的指示，并且可用于送丝速度的闭环控制。在驱动辊齿轮50驱动空转齿轮52使其转动时，使用磁体和磁性传感器的磁性送丝速度传感器56按所需间隔(一般为固定间隔)对空转齿轮52的角度或位置进行采样。然后，磁性送丝速度传感器56采集的角度或位置数据用于确定焊丝30的送丝速度，确定方法参见下文。同电机齿轮48和驱动辊齿轮50一样，驱动辊齿轮50和空转齿轮52也有多种齿轮比。并且，由于磁性送丝速度传感器56和空转齿轮52没有与电动机42、电机轴46或电机齿轮48直接连接，因此不需要拆除或更换磁性送丝速度传感器56、驱动辊齿轮50或空转齿轮52即可在焊接送丝机14中拆除和更换电动机42、电机轴46或电机齿轮48。

焊接送丝机14包括连接电动机组件40的驱动电路58。在一个实施方式中，驱动电路58通过两根导线(图中未显示)来连接电动机组件40。驱动电路58配置成向电动机组件40发送驱动信号使电动机组件40进行操作。驱动电路58还包括电源输入60，用于向驱动电路58输送电源。该驱动电路进一步电气连接控制电路62。控制电路62配置成向驱动电路58发送控制信号。例如，控制电路62向驱动电路58提供脉宽调制(PWM)信号，以调节从驱动电路58送往电动机组件40的驱动信号的占空比。举例来说，控制电路62向驱动电路58发送PWM信号，使发送给电动机组件40的驱动信号实现100％、50％、25％或任何需要的占空比。在某些实施方式中，用于调节送丝速度(因而调节电动机速度)的控制信号源自焊接电源供应器。

如实现方式所示，控制电路62连接处理器64、存储电路66和接口电路68。磁性送丝速度传感器56也连接处理器64。如上所述，磁性送丝速度传感器56按所需间隔对空转齿轮52的角度或位置进行采样。处理器64随着时间的推移监测磁性送丝速度传感器56采集的空转齿轮52的角度测量值。并且，处理器64利用测量值计算空转齿轮52运行的转动距离，继而计算空转齿轮52的转动速度。通过使用空转齿轮52的转动速度可以确定焊接送丝机14的送丝速度。

处理器64计算的送丝速度在焊接送丝机14的用户界面70上显示。具体而言，处理器64计算的送丝速度传送给与用户界面70连接的接口电路68，接口电路68再将所述送丝速度传送给用户界面70。用户界面70可供操作员输入和调节焊接送丝机14的各种设置和操作参数。举例来说，在某些实施方式中，用户界面70可用于选择或调节焊接送丝机14的送丝速度。

此外，在某些配置中，接口电路68连接焊接电源供应器12。在这种配置中，焊接电源供应器12能与焊接送丝机14交换信号。例如，焊接电源供应器12和焊接送丝机14可设置多引脚接口，焊接电源供应器12与焊接送丝机14之间敷设多芯电缆，以便在焊接电源供应器12或焊接送丝机14上或同时在两个装置上设置送丝速度、工艺、选定电流、选定电压、选定功率级、配置参数等信息。另外，焊接电源供应器12可以通过焊接送丝机14的用户界面70向用户提供焊接作业的相关反馈信息。

图3示出了配置成测量图1所示焊接送丝机14的送丝速度的磁性送丝速度传感器56。如上所述，焊接送丝机14包括电动机组件40，电动机组件40的电动机42配置成驱动齿轮传动装置44。具体而言，电动机42驱动延伸穿过安装板96(安装板96可以是电机传动铸件或其他表面)的电机轴46，并且电机轴46连接电机齿轮48。电机齿轮48被驱动时，电机齿轮48会驱动驱动辊齿轮50，驱动辊齿轮50进而驱动空转齿轮52。在所示的实施方式中，空转齿轮52靠近安装板96放置，磁性送丝速度传感器56在安装板96的与空转齿轮52相对的一侧连接安装板96。磁性送丝速度传感器56包括与安装板96连接的模块箱98，在模块箱98和安装板96之间形成了凹槽100。

如图所示，空转齿轮52连接空转轴102，空转轴102延伸穿过安装板96并进入磁性送丝速度传感器56的凹槽100。空转轴102两侧设有轴承104以将空转轴102的转动限定在模块箱98内。空转轴102部分地设于凹槽100内，以使空转轴102的末端106处于模块箱98内的磁性传感器108上方。另外，空转轴102的末端106设有磁体。举例来说，磁体可以是标准偶极磁体110。空转轴102连接空转齿轮52且设于磁性传感器108上方，以使磁体和磁性传感器108保持恒定的距离。驱动辊齿轮50驱动空转齿轮52使其转动时，空转轴102和磁体在磁性传感器108上方转动。磁性传感器108包括集成电路，集成电路配置成检测磁体生成的磁场倾斜，以确定空转齿轮52的角位置。举例来说，磁性传感器108可以采用奥地利Microsystems公司生产的AS5040旋转编码器IC。

磁性传感器108连接处理器64，处理器64监测磁性传感器108测量的空转轴102角位置。具体而言，当空转齿轮52受到驱动辊齿轮50的驱动使得空转轴102和磁体转动时，处理器64使用磁性传感器108对空转轴52的角度或位置进行采样，并保存该角位置测量值和进行角位置测量的时刻。举例来说，角位置和时间数据可保存到存储电路66中。处理器64利用角位置和时间的测量值来计算空转轴102的角速度。例如，角速度可以用如下方法计算：确定两个角位置之间的差值，将所述差值除以角位置采样的时间间隔。可以使用各种不同的间隔，如有需要，还可以用低通滤波、移动平均法等类似方法对计算值作平滑处理，降低噪声。可以根据角速度和其他因素(如，驱动辊齿轮50和空转齿轮52的齿轮比、驱动辊36直径、焊丝30规格等)来计算送丝速度。通常，以上因素用于通过所采用的一个或多个齿轮比将计算的角速度按比例调整为送丝速度。如下文所述，处理器64计算的空转轴102角速度与供给电动机42以产生计算的空转轴102角速度的相应电压相关联或相匹配。可以根据供给电动机42的电压与空转轴102的相应角速度之间的关系调整产生的送丝速度。

图4显示了供给电动机42的电压114与空转轴102产生的角速度116之间的关系图112。如上所述，用户可以使用用户界面70来增大焊接送丝机14的送丝速度。举例来说，当用户界面70收到增大送丝速度的命令时，用户界面70向接口电路68传送该命令，接口电路68再将该命令传送给处理器64。接着，处理器64向控制电路62传送该命令，控制电路62向驱动电路58发送控制信号。驱动电路58响应增大送丝速度的命令而增大供给电动机42的电压114。空转轴102的角速度116随着所供给的电压114的增大而增大。同样，当供给电动机42的电压114减小时，空转轴102的角速度116也随之减小。

如图4中的关系图112所示，在预期情况下，供给电动机42的电压114与空转轴102产生的角速度116之间具有线性关系。换言之，空转轴102产生的角速度116随着电动机42电压114的增大而按比例增大。另外，电动机42需要启动电压122才能开始运行。也就是说，向电动机42供给启动电压122时不会增大空转轴102的角速度。

图5的流程图124显示了用磁性送丝速度传感器56测量焊接送丝机14送丝速度的示范性方法。首先，如方框126所示，测量电动机42(配置成将焊丝30送往焊接应用)驱动的齿轮的角位置。如上所述，齿轮可以是空转齿轮52。另外，可以通过检测与齿轮连接的偶极磁体110产生的磁场来测量齿轮的角位置。在某些实施方式中，偶极磁体110连接空转齿轮52的空转轴102。由磁性传感器108测量所述磁场，磁性传感器108靠近偶极磁体110设置但不接触偶极磁体110。如方框128所示，按所需的时间间隔对齿轮的角位置进行采样。例如，处理器64可连接磁性传感器108(或通过中间采样电路、转换电路或其他电路进行连接)，且处理器64配置成监测磁性传感器108测量的角位置。具体而言，处理器64监测齿轮的角位置和进行角位置测量的时刻。如方框130所示，可以根据齿轮的角位置和焊接送丝机14的配置参数来计算焊丝30的传送速度。举例来说，焊接送丝机14的配置参数包括焊接送丝机14内齿轮传动装置44的齿轮比、焊丝30直径、焊接送丝机14内驱动辊36的直径等。并且，可以根据实测位置之间的差值除以测量时间间隔进行计算。可以采用滤波(例如，平均法、低通滤波等)方法对计算值作平滑处理。然后使用不同的齿轮比来获得送丝速度值。

虽然本文仅显示、说明了本发明的某些特性，但本领域的技术人员可以想到本发明的多种修改和变化。因此，需要理解的是，所附权利要求书旨在包括在本发明真实精神的范围内所作的全部这些修改和变化。

Claims (19)

1.一种焊接送丝机系统，包括：

焊丝驱动装置，配置成接触焊丝且将焊丝送往焊接应用；

齿轮传动装置，连接焊丝驱动装置且配置成使焊丝驱动装置在作业过程中转动，其中齿轮传动装置包括电动机齿轮、驱动辊齿轮和空转齿轮；

电动机装置，连接齿轮传动装置且配置成使齿轮传动装置在作业过程中转动；以及

磁性转速传感器系统，配置成测量表示焊接送丝机系统的送丝速度的参数，其中所述磁性转速传感器系统包括偶极磁体、磁性传感器和处理器，其中所述磁性传感器被配置为测量所述偶极磁体的角位置，并且所述处理器被配置为使用所测量的所述偶极磁体的角位置来确定送丝速度。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述偶极磁体连接空转齿轮，且磁性传感器配置成测量空转齿轮的角位置。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述处理器配置成处理按固定的采样间隔采样取得的空转齿轮的角位置的测量值。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，处理器配置成根据空转齿轮的角位置和焊接送丝机系统的配置参数计算焊接送丝机系统的送丝速度。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述配置参数包括电动机齿轮、驱动辊齿轮和空转齿轮的齿轮比、焊丝驱动装置的驱动辊的直径或焊丝的直径。

6.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，固定的采样间隔基于驱动辊齿轮和空转齿轮的齿轮比。

7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，磁性传感器连接独立于电动机组件装配的安装板。

8.根据权利要求1所述的系统，包括控制电路和用户界面，其中所述控制电路连接电动机组件，所述用户界面与控制电路耦合且配置成供用户调整送丝速度。

9.一种用于检测焊接送丝机的送丝速度的送丝速度传感器系统，包括：

偶极磁体，连接由焊接送丝机的电动机驱动的齿轮；

磁性传感器，靠近偶极磁体放置且配置成测量偶极磁体的角位置，其中角位置的测量表示焊接送丝机的送丝速度；以及

处理器，配置成接收磁性传感器测量的角位置信号，并根据角位置信号和焊接送丝机的配置参数来计算焊接送丝机的送丝速度。

10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，磁性传感器和处理器均独立于电动机安装在焊接送丝机上。

11.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述焊接送丝机包括电动机齿轮，驱动辊齿轮以及空转齿轮,并且所述配置参数包括电动机齿轮、驱动辊齿轮和空转齿轮的齿轮比、焊接送丝机驱动的焊丝的直径或焊接送丝机的驱动辊的直径。

12.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，磁性传感器包含集成电路，集成电路配置成测量偶极磁体所形成的磁场倾斜以确定偶极磁体的角位置。

13.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，处理器配置成接收磁性传感器按固定的采样间隔测量的角位置信号。

14.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述齿轮为空转齿轮，并且偶极磁体设置在与空转齿轮连接的空转轴的末端。

15.一种测量焊接送丝机的送丝速度的方法，包括：

使用磁性传感器来测量由电动机驱动的齿轮的角位置，所述电动机配置成将焊丝送往焊接应用；

按需要的采样间隔对所述角位置进行采样；并且

根据齿轮的角位置和焊接送丝机的配置参数来计算送丝速度。

16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，根据齿轮的角位置和焊接送丝机的配置参数来计算送丝速度包括：计算齿轮的角速度。

17.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述焊接送丝机包括电动机齿轮，驱动辊齿轮以及空转齿轮，并且所述配置参数包括电动机齿轮，驱动辊齿轮和空转齿轮的齿轮比、焊丝的直径或焊接送丝机的驱动辊的直径。

18.根据权利要求15所述的方法，包括：根据计算的送丝速度来调节施加至电动机的控制信号。

19.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述需要的采样间隔是基于焊接送丝机的配置参数的。