CN106536112B - 具有用于基于重力的焊接取向测定的取向感测系统的焊接系统和方法 - Google Patents

Abstract

一种焊接系统(10)包括取向感测系统(52、58)，所述取向感测系统(52、58)与焊炬相关联并且被配置成感测相对于重力方向的焊炬取向。所述焊接系统(10)还包括处理系统(62)，所述处理系统(62)通信地耦接到所述取向感测系统(52、58)并且被配置成至少部分基于所述感测的焊炬取向确定所述焊炬相对于管的角位置。

Description

具有用于基于重力的焊接取向测定的取向感测系统的焊接系 统和方法

背景技术

本发明大体涉及焊接系统，且更确切地说，涉及用于监测在焊接操作期间的焊炬的行进速度的感测系统。

焊接是在针对多种类型的应用的各种行业中已变得无所不在的工艺。举例来说，常在例如造船、航空器修理、建筑等等的应用中执行焊接。虽然这些焊接操作在某些情况下可为自动化的，但仍存在对于手动焊接操作的需求。在一些手动焊接操作中，可能期望在整个焊接操作中监测焊接参数，例如，三维空间中的焊炬的行进速度。虽然可以以机器人方式控制自动化的焊炬的行进速度，但在手动操作中的焊炬的行进速度可取决于操作员的焊接技术、焊接模式和位置、焊接操作员的经验等等。遗憾地是，由于焊接环境、操作员的考虑等等特征，可能难以在焊接操作期间测量此焊接运动。

发明内容

在第一实施例中，一种焊接系统包括取向传感器，所述取向传感器与焊炬相关联并且被配置成感测相对于重力方向的焊炬取向。所述焊接系统还包括处理系统，所述处理系统与所述取向传感器通信地耦接并且被配置成至少部分基于所述感测的焊炬取向确定所述焊炬相对于管的角位置。

在另一实施例中，一种方法包括使用一个或多个取向传感器感测在管的初始位置处的焊炬的初始取向。所述方法还包括使用所述一个或多个取向传感器感测在所述管的角位置处的所述焊炬的角取向。所述方法进一步包括确定在所述初始取向与所述角取向之间的取向的角变化。此外，所述方法包括基于所述角变化和在焊接接头处的所述管的半径导出所述焊炬从所述初始位置到所述角位置的行进距离。

在又一实施例中，一种被配置成耦接到焊炬的改装(retro-fit)套件包括加速度计，所述加速度计被配置成确定所述焊炬的初始取向以及随后的角取向。所述改装套件还包括处理器，所述处理器被配置成确定所述初始取向与所述随后的角取向之间的取向的角变化。所述处理器还被配置成使所述处理器基于从所述初始位置到所述角位置的行进距离导出所述焊炬的行进速度，所述行进距离通过使用所述角变化和在焊接接头处的所述管的半径来确定。

附图说明

当参看附图阅读以下详细描述时，本发明的这些和其他特征、方面和优势将变得更好地被理解，在附图中，相同的附图标记在整个附图中表示相同的部件，其中：

图1为使用具有如所公开的行进速度测定的焊炬的焊接系统的实施例的框图；

图2为图1的焊接系统的实施例的框图，包括用于检测焊炬的行进速度的行进速度感测系统；

图3为图2的焊接系统的实施例的透视图，所述焊接系统被用来确定在管周围的焊炬的行进速度；

图4为使用图2的焊接系统进行焊接的焊接接头的实施例的横截面图；

图5为被用来确定图2的焊炬的行进速度的行进曲线(profile)的实施例的视图；

图6为可使用图2的焊接系统进行焊接的具有倾斜角度的管的实施例的透视图；以及

图7为可被用来确定焊炬的焊接行进速度或行进距离的速度感测系统的实施例的框图。

具体实施方式

如下详细地描述，本文提供用于确定在焊接操作期间的焊接装置的行进速度的系统和方法。前述系统和方法可单独地或组合地使用以获得在焊接操作期间的有关当金属正被焊接时沿着金属的表面的焊炬的三维速度的信息。在一些实施例中，可在不受约束的或手动的焊接操作期间使用这些方法，以提供优于可能难以测量焊接运动的传统系统的优势。然而，也可以在多种合适的焊接系统(例如，自动化的或机器人系统)中使用前述系统和方法。

层间温度在焊接件的微结构性质(例如，屈服和拉伸强度)方面是重要的。估计和/或限制层间温度的一种方法可包括估计行进速度。可能由慢行进速度产生的高的层间温度导致焊接连接和/或周围金属的强度的降低。慢行进速度还可能导致焊接连接过度(overbeading)和操作员的低效率的焊接。过快的行进速度可指示焊接连接没有完整地形成。本实施例涉及用于使用一个或多个取向传感器(例如，加速度计传感器和/或陀螺仪传感器)感测焊炬的行进速度的系统和方法。取向传感器可安置于焊炬上、物理耦接到焊炬或与焊炬通信。行进速度感测系统被配置成检测焊炬相对于工件的位置和取向。在一些实施例中，取向传感器可包括重力传感器(例如，加速度计)、用于测量角变化的传感器(例如，陀螺仪)或适合于追踪焊炬的取向的其他传感器。

如下所论述，在一些实施例中，取向传感器可用以监测焊炬相对于工件(例如，管工件)的角位置。某些实施例还包括连接到焊炬和/或位于焊炬中的一个或多个其他传感器。行进速度感测系统被配置成基于从取向传感器确定的取向来确定或检测行进速度。使用预期的行进角度和位置，预期的取向可被确定并且可被用于与经由取向传感器(本文中通常被称作“取向传感器”；例如，加速度计、陀螺仪)测量的取向相比较。行进角度可根据可手动输入的行进曲线、标准行进角度或通过在焊接前的教学过程获悉的行进角度而变化。此外，在一些实施例中，可使用取向传感器确定待焊接的工件(例如，管的一个或多个段)的倾斜角度，以便将重力方向数据转译成焊炬相对于工件的取向。

现转到附图，图1为根据本技术的焊接系统10的实施例的框图。焊接系统10被设计成产生在工件14(例如，管)附近的焊弧12。焊弧12可由任一类型的焊接系统或工艺产生，且可以以任何期望的方式取向。举例来说，此类焊接系统可包括气体金属电弧焊(GMAW)系统，且可使用各种编程的波形和设定。焊接系统10包括电力供应器16，电力供应器16通常将耦接到电源18(例如，电网)。当然，可利用其他电源，包括发电机、发动机驱动的电源组等等。在所示的实施例中，送丝器20耦接到气体源22和电源18，且将焊丝24供应到焊炬26。焊炬26被配置成在焊炬26与工件14之间产生焊弧12。焊丝24穿过焊炬26馈送到焊弧12，由焊弧12熔化，且沉积于工件14上。

送丝器20通常将包括大体由附图标记28示出的控制电路，控制电路尤其调节焊丝24从线轴的馈送，并且命令电力供应器16的输出等。类似地，电力供应器16可包括用于控制某些焊接参数和起弧参数的控制电路30。线轴将容纳在焊接操作期间所消耗的焊丝24的长度。通常通过电动机的使用在控制电路28的控制下，焊丝24由焊丝驱动组件32推进。此外，工件14通过连接到工作电缆36的夹钳34耦接到电力供应器16，以当在焊炬26与工件14之间建立焊弧12时使电路完整。

将焊炬26放置在接近工件14的位置处允许由电力供应器16提供的且被投送到焊炬26的电流从焊炬到工件14成弧。如上所述，此成弧使得包括电力供应器16、焊炬26、工件14和工作电缆36的电路完整。确切地说，在操作中，电流从电力供应器16传送到焊炬26，再到工件14，工件14通常经由工作电缆36连接回到电力供应器16。弧产生相对大量的热量，这使工件14的部分和焊丝24的填料金属转变到使得材料熔化的熔融状态，从而形成焊缝。

为了保护焊接区域在焊接期间不被氧化或污染，为了增强电弧性能，且为了改善所得焊缝，焊接系统10还可将惰性保护气体从气体源22馈送到焊炬26。然而，值得注意地，除了惰性保护气体之外，或代替惰性保护气体，还可使用用于保护焊接位置的多种保护材料，包括活性气体和颗粒固体。此外，在其他焊接工艺中，可不使用此类气体，而本文中公开的技术却同等地可适用。

目前公开的实施例涉及基于角的行进速度感测系统，该系统用于检测整个焊接过程中焊炬26的位置随着时间的变化。在一些实施例中，焊炬26的行进速度可指使用至少位于焊炬26中、焊炬上或与焊炬26相关联的加速度计38和/或陀螺仪40测量的关于时间的三维位置的变化。在某些实施例中，加速度计38可包括能够测量动态运动(例如，焊接摆动)的单个三轴加速度计。在其他实施例中，焊炬26的行进速度可指使用两个取向传感器(例如，加速度计)确定的焊炬26的二维的变化。举例来说，可相对于平行于重力的方向的平面计算二维位置。如上提到，虽然图1示出GMAW系统，但目前公开的技术可类似地应用在其他类型的焊接系统上，包括气体钨电弧焊(GTAW)系统和保护金属电弧焊(SMAW)系统。因此，焊接行进速度感测系统的实施例可供包括送丝器20和气体源22的焊接系统利用，或供不包括送丝器和/或气体源的系统利用，取决于具体针对实施的考虑。

图2为包括根据目前公开的技术的行进速度感测系统50的焊接系统10的实施例的框图。其中，行进速度感测系统50可包括行进速度监测装置52，行进速度监测装置52被配置成处理从包括在焊炬26内或连接到焊炬26(例如，经由附加套件)的一个或多个传感器54(例如，加速度计、陀螺仪等)接收的信号。如下详细地论述，可利用传感器54确定焊炬26在工件14周围的位置。在一些实施例中，焊炬26和/或焊炬附加套件可包括一个或多个处理器55，处理器55可分析和变换来自传感器54的测量结果，且物理耦接到焊炬26上(例如，经由外壳)。在一些实施例中，传感器54和/或处理器55可包括用于一个或多个部件的屏蔽件。

焊接系统10还可包括位于焊接区域58内的、在焊炬26外部的且能够捕获关于用来焊接工件14的焊接技术的各种细节的一个或多个传感器56。传感器56可以是产生指示焊炬26的位置、焊炬26的取向和/或在焊接区域58内的工件14的各个部分的温度的信号的任何期望类型的传感器。焊接区域58可包括经由焊接系统10执行焊接操作所在的任何三维空间。举例来说，传感器56可包括在焊接区域58中操作的麦克风阵列(其被配置成检测焊弧12的位置)、安置于焊炬26上的声音发射器或指示焊炬26的位置的任何其他声音。在其他实施例中，传感器56可包括被配置成感测从焊炬26(例如，焊弧12)发射的光的一个或多个光学传感器。在一些实施例中，传感器56中的一个或多个可位于电焊头盔上，以辅助确定焊炬26的位置。

一个或多个传感器54、56和/或处理器55可将指示焊炬位置的信号60发送到行进速度监测装置52。通过使用信号60，行进速度监测装置52可至少部分基于从传感器(例如，加速度计38和/或陀螺仪40)发送的信号60确定焊炬26的位置。即，行进速度感测系统50可接收信号60，并且基于这些信号60确定焊炬26的行进速度。在一些实施例中，可按与传感器56的任何空间关系放置工件14，且可经由焊接行进速度系统50实施校准方案。举例来说，可将焊炬26放置于相对于工件14的一个或多个已知位置处，且在这些位置取得的传感器测量结果可用以校准工件14与传感器56之间的空间关系。

如所展示，行进速度监测装置52可包括处理器62，其经由信号60接收来自传感器54、传感器56和/或处理器55的输入(例如，传感器数据)。每一信号可从一个或多个传感器54、56在通信电缆或无线通信系统(例如，)上通信。在实施例中，处理器62也可将控制命令发送到焊接系统10的控制装置64，以便在焊接系统10内实施适当动作。举例来说，控制装置64可基于所确定的焊炬26的行进速度控制焊接参数(例如，功率输出、送丝速度、气体流量等)。处理器62还可与反馈装置66耦接，反馈装置66基于来自传感器54、56的输入提供焊炬26的行进速度的指示。在一些实施例中，反馈装置66包括存储器68和与行进速度监测装置52的处理器分开的处理器70。然而，在某些实施例中，反馈装置66可依赖于行进速度监测装置52的处理器62。在一些实施例中，反馈装置66包括人机接口(HMI)72。在一些实施例中，HMI 72包括可基于由行进速度监测装置52确定的行进速度而提供焊炬26的行进速度的视觉指示的显示器。在某些实施例中，HMI 72的显示器可位于在焊接区域58中的焊接期间使用的电焊头盔中。在一些实施例中，显示器可与电焊头盔分开，例如，从焊接区域内可见的装好的显示器。此外，HMI 72可包括经由手套、头盔或焊炬26对用户的触觉反馈。HMI72可用于在操作员正执行焊接时将焊炬26的行进速度的视觉、触觉和/或可听的指示直接提供给焊接操作员，和/或提供对于特定焊接的操作员的行进速度过慢、过快或在适当范围中的指示。处理器62可从焊接系统10接收额外的传感器反馈84，以便监测其他焊接参数。这些其他焊接参数可包括(例如)输入到工件14的热量。

如图所示，处理器62耦接到存储器74，存储器74可包括含有可执行指令、瞬时数据、输入/输出相关数据等等的一个或多个软件模块76。存储器74可包括非暂时性计算机可读介质，例如，易失性或非易失性存储器。此外，存储器74可包括多种机器可读且可执行指令(例如，计算机代码)，该指令被配置成在给定输入传感器数据的情况下提供焊接行进速度的计算。通常，处理器62接收来自一个或多个传感器54、56和/或处理器55的此传感器数据，并且引用存储在存储器74中的数据以实施此类计算。以此方式，处理器62被配置成至少部分基于信号60确定焊炬26的行进速度。

在一些实施例中，可将行进速度感测系统50提供为图1的焊接系统10的组成部分。即，例如在焊接系统10的制造期间，可将行进速度感测系统50集成到焊接系统10的部件内。举例来说，电力供应器16可包括编程到其软件内以支持行进速度感测系统50的适当的计算机代码。然而，在其他实施例中，可将行进速度感测系统50提供为可使现有焊接系统10具有本文描述的行进速度感测能力的改装套件。改装套件可包括(例如)行进速度感测系统50，该行进速度感测系统50具有处理器62和存储器74，以及可附接到焊炬26的一个或多个传感器54，行进速度感测系统50接收来自传感器54的传感器输入。在一些实施例中，改装套件也可包括具有安装的传感器54的焊炬26。为此，此类改装套件可被配置为可安装到现有焊接系统10上的附加件，从而提供行进速度感测能力。另外，因为可将改装套件安装于现有焊接系统10上，所以其也可被配置为一旦被安装那么是可移除的。

图3示出了可使用行进速度感测系统50的焊接系统10的实施例。行进速度感测系统50可以当操作员80在工件14(例如，管)上形成焊缝82时确定焊炬26的焊接行进速度。在示出的实施例中，除了或替代地将传感器54放置在焊炬26中，传感器54位于操作员80的手套84上和/或手套84中。如图所示，焊缝82可形成于圆柱形工件14上，其中在具有已知直径的工件14上形成焊接连接期间，焊炬26大体上垂直于工件14或处于与工件14的大体已知的角度。使用已知直径(基于工件14与焊炬26之间的行进曲线的取向)，可使用焊炬几何尺寸(例如，图4中所示的焊接系统10的实施例的横截面图)基于焊炬26的取向随时间确定行进速度。在操作期间，焊炬26经受与重力相关联的向下力90。向下力90的方向可由传感器54(例如，加速度计38)检测，用于在确定焊炬26的行进速度时使用。举例来说，当将焊炬26放置于与工件14实质上垂直或呈其他角度的初始位置92处时，对于工件14的横截面(例如，二维切片)而言，焊炬轴线94大体上穿过工件14的中心点96。随着焊炬26行进了行进距离98到在工件14的外直径周围的第二位置100，同时维持相对于工件14的期望的取向，焊炬轴线94继续穿过中心点96。换句话说，焊炬轴线94可延伸穿过在初始位置92处的半径102(或已知或假定的取向)且穿过在第二位置100处的半径104(或其他已知或假定的取向)。可根据以下函数将距离98作为半径102与104之间的角度φ和半径102和104的长度的函数来确定：

d＝r*φ (等式1)，

其中d为行进距离98的长度，r为半径102和104的长度，且φ为按弧度测量的在半径102与104之间的角度。在一些实施例中，半径102和104的长度可为已知的(例如，在工作信息数据库中)和/或由操作员输入到焊接系统10内。此外，可通过将行进距离98除以由行进速度监测系统50确定的焊炬26在初始位置92与第二位置100之间行进的行进时间间隔来确定行进速度。

为了确定角度φ的量度，传感器54可测量在从初始位置92到第二位置100的行进期间重力的方向关于焊炬轴线94方向的变化。换句话说，可将角度φ确定为在初始位置92处的焊炬轴线94的初始取向与在第二位置100处的焊炬轴线94的第二取向之间的角度。虽然可在工件14周围的一些位置处使用垂直取向，但在一些位置(诸如，位置106和108)中，可使用或期望替代的取向。举例来说，在位置106和108处，MIG焊炬可具有距焊炬取向110的轻微焊炬角度，以推动焊接材料的熔池向上从而补偿焊接材料上的向下力90。在此类实施例中，可使用行进曲线补偿焊炬取向110与垂直取向112之间的差，以提供在工件14周围的某些点处的期望的行进步调。

图5示出了行进曲线(profile)110的实施例，该行进曲线110反映在管(例如，工件14)周围的预期的行进。行进角度112可选择为垂直或具有变化以考虑各种因素(例如，在竖直取向的焊接位置处的焊接材料的重力效应)。在一些实施例中，行进角度112可为标准焊炬角度偏转(deflection)。在某些实施例中，行进角度112可手动键入或可从在焊接前执行的教学操作来确定。举例来说，可使用传感器56或者使用在2013年1月31日递交的美国专利公开第2013/0206741号中公开的训练方法来确定行进角度112，该美国专利以全文引用的方式并入本文。此外，可通过训练操作针对具体操作员定制行进角度112，以基于在管(例如，工件14)周围的各种位置处的操作员的个人技术更准确地确定所述管周围的位置。

在所示的实施例中，行进角度112开始于0°的角位置(例如，12点钟位置)，其具有偏离垂直线0°的角度。然而，随着焊炬26接近90°的角位置(例如，3点钟位置)，角度可增加到被配置成在向上方向上推动焊接材料以抵消重力的偏转角度(例如，15°)。在180°的角位置(例如，6点钟位置)附近，角度可返回朝向偏离垂直线的0°，但在更加处于270°的角位置(例如，9点钟位置)附近，焊炬26可向下偏转(例如，-15°)，以再次补偿焊接材料上的重力。使用行进角度112，相对于原始焊炬轴线94的预期取向角度114。预期取向角度114可反映行进角度112的变化，其反映从管周围的恒定垂直取向角度116的变化(例如，归因于操作员技术)。如图所示，所选择的行进角度112的变化对应于取向角度的类似变化。

如图所示，对于管路和类似工件，行进路径112和预期取向角度114可为连续的正弦形线。然而，基于随时间的大量的采样位置和取向，实际的取向角度可为离散的。然而，在一些实施例中，采样可暴露给低通过滤、基于时间的移动平均过滤或预测性卡尔曼(Kalman)过滤器，以滤出除了相对缓慢变化的取向角度外的不想要的信息。可使用硬件或软件过滤器来执行过滤。此外，可按较长间隔(例如，若干秒)计算平均的焊炬取向，以聚焦于到相对缓慢变化的取向角度的变化。

此外，可通过融合来自一个或多个其他传感器(例如，传感器56和/或陀螺仪40)的信息来进一步改进实际取向角度。举例来说，通过使用陀螺仪40(例如，三轴陀螺仪传感器)，焊炬围绕3个正交轴线的旋转速率可在时间上积分以获得当前角度的估计，其可与加速度计信号结合以通过校正传感器误差、偏移和动态加速度来改善确定的取向角度的准确性。

前述论述论述了大体上平行于地面的管。然而，可使用进一步分析来确定对于不平行于地面的管的取向角度。举例来说，在图6的焊接系统120中。管124的中心向量122与地面126形成角度θ，其中0°<θ<90°。虽然在图示的实施例中，管124接触地面126，但焊接系统120的某些实施例，管124可不接触地面126。取而代之，角度θ指示中心向量122和/或管124的边缘的延伸。由管124的焊接接头128形成的平面可作为圆圈垂直于中心向量122。然而，当将焊接接头128投影到由重力130的方向界定的平面上时，在该平面上的投影的焊接接头132可形成椭圆。由于投影的焊接接头132为椭圆，因此投影的焊接接头132具有大直径134和小直径136。大直径134的长度与管124的直径138相同。然而，小直径136基于角度θ的值而变化，且可使用以下等式来确定：

d_minor＝d_major*cos(θ) (等式2)，

其中d_minor为小直径136的长度且d_major为大直径134的长度。使用d_minor和d_major，可确定或估算在管上围绕椭圆行进的距离。举例来说，在一些实施例中，可使用以下等式估算在椭圆的周长上行进的距离。

在某些实施例中，可使用以下等式估算在椭圆的周长上行进的距离。

在一些实施例中，可通过将周长乘以φ/2π来使用其他合适的椭圆周长估算公式。

在一些实施例中，对于焊接系统120，角度θ的测量可为已知的和/或由操作员输入。在某些实施例中，可使用焊接系统120(例如，焊炬26)确定角度θ。举例来说，可将焊炬26放在管124上，从而使得可在焊接管124之前使用焊炬26的取向传感器54确定角度θ。

使用投影的焊接接头132模型，即使当管不平行地面126时(即，大体垂直于重力)，也可确定焊炬26在管124周围的行进速度。虽然先前论述是关于围绕管的整个圆周的焊接，但前述技术可应用于涵盖围绕管的圆周的部分的弧形节段。事实上，可将圆形管细分成两个或更多个子弧，在焊接全部管接头时所述子弧可具有分开的预期。举例来说，可将行进路径112细分成可同时或在不同时间焊接的四个截然不同的子段。

图7示出了用于确定在管124的焊接期间焊炬26的行进速度的过程140的实施例。可使用处理器55、62和/或70实施过程140。在一些实施例中，处理器55、62和/或70实施存储于存储器74和/或68中的指令。在某些实施例中，处理器55、62和/或70可将过程140作为硬件、软件或其某一组合执行。过程140包括使用一个或多个取向传感器54确定相对于重力向量的当前焊炬取向(块142)。在一些实施例中，取向传感器54可包括一个或多个加速度计38和/或一个或多个陀螺仪40。在一些实施例中，可将来自取向传感器54的测量结果与来自其他传感器(例如，传感器56)的额外测量结果融合。使用所确定的取向，确定从初始焊炬取向到当前焊接取向的变化(块144)。在一些实施例中，变化包括指示焊炬26在操作期间的移动的一个或多个正交轴上的角变化(例如，使用三轴加速度计)。

使用所确定的变化和管124的半径，过程140包括基于角度和半径计算行进的距离(块146)。在某些实施例中，管124的半径可在焊接前被输入和/或为已知的。在一些实施例中，可通过扫描条形码、QR码、RFID(无线电场识别)或可位于管上或在管附近的其他合适的数据传送装置来确定管124的半径。在某些实施例中，使用扫描来识别存储关于管124的信息(例如，管的半径)的工作信息数据库。在某些实施例中，计算行进的距离包括基于行进角度曲线计算行进的距离。在一些实施例中，行进角度曲线可对应于特定焊接连接和几何形状的标准行进曲线。在某些实施例中，行进角度曲线可使用反映具体针对操作员或被配置以补偿各种因素(例如，对焊接材料的重力影响)的技术的教学操作由焊接系统10获悉。过程140进一步包括基于焊炬穿过行进距离所花的时间来确定行进的速度(块148)。在一些实施例中，行进的速度可跨距离的多个确定而平均化和/或在计算的周期(例如，1秒、2秒、3秒、4秒或更多秒)上确定。

确定的行进速度可至少部分基于线性输入和电力输入提供焊接质量的文件资料。行进速度也可用以经由反映焊接进度的反馈装置66对操作员提供实时反馈。另外，应注意，在某些实施例中，可能需要确定和监测焊炬26在正被焊接的工件14的总距离(而不是焊炬26行进的总距离)上的行进速度。即，在操作员110按传统模式(例如，摆动)执行焊接的情况下，焊炬26可行进大的距离，而仅覆盖工件14的小部分。如果操作员110使用此技术，那么可调整焊接行进速度的解译以补偿摆动运动，以沿着焊接的行进方向(X)导出行进速度。因此，在一些实施例中，焊接行进速度不会简单地是焊接向量的长度的总和。取而代之，用于计算焊接行进速度的算法可连续地确定当前焊接位置与某一先前参考位置之间的直线或平面距离，且将此距离除以两个位置之间的经过的焊接时间。点之间的经过的时间可保持恒定，或可在焊接起始位置处将初始参考点保持恒定。在一些实施例中，可将两个位置之间的经过的时间调整为当摆动被检测时的较长时间间隔。

在一些实施例中，如果已知在行进方向(X)和摆动方向(Y)(或焊接表面上的任何两个正交方向)上的位移，那么可例如通过勾股定理计算当前焊接尖部位置与先前参考位置之间的距离。如果发现此距离为非单调增大，那么可识别摆动技术。另外，在特定模式(例如，Z形模式)正由操作员110执行的实施例中，可通过评估在某一时间周期内在摆动方向(Y)上的摆幅(excursion)或在行进方向(X)上几乎缺乏行进来识别模式。也可通过感测在摆动方向(Y)上的摆幅来检测摆动的量。举例来说，在实施例中，可根据检测到的摆动的量调整当前焊接位置与先前参考位置之间的时间(例如，更多的摆动对应于更长的时间)。另外，可调整计算的行进速度的任何低通过滤或时间平均化(例如，更多的摆动对应于更长的时间或更低频率的过滤器)。

虽然已在本文中说明和描述了本发明的仅某些特征，但许多修改和变化将会被本领域的技术人员想到。因此，应理解，所附权利要求书希望涵盖属于本发明的真实精神的所有此类修改和变化。

Claims (36)

1.一种用于焊接管的焊接系统，包括：

取向感测系统，所述取向感测系统与焊炬相关联，并且被配置成感测相对于重力方向的焊炬取向；

处理系统，所述处理系统通信地耦接到所述取向感测系统，并且被配置成至少部分基于所感测的所述焊炬取向和所述管的半径确定所述焊炬相对于所述管的角位置，

其中所述处理系统被配置成基于所述管的半径和所确定的所述焊炬相对于所述管的所述角位置来确定所述焊炬从初始位置行进到所述角位置的行进距离，其中所述行进距离包括沿所述管的外周的至少一部分行进的距离。

2.根据权利要求1所述的焊接系统，其中所述处理系统被配置成基于所确定的位置确定所述焊炬的行进速度。

3.根据权利要求1所述的焊接系统，其中所述取向感测系统包括至少一个加速度计。

4.根据权利要求3所述的焊接系统，其中所述取向感测系统包括至少一个陀螺仪，所述至少一个陀螺仪被配置成测量所述焊炬的角变化。

5.根据权利要求1所述的焊接系统，其中所述处理系统被配置成至少部分基于针对操作员或工作的行进曲线确定所述行进距离。

6.根据权利要求5所述的焊接系统，其中所述行进曲线包括使用教学模式输入的获悉的曲线或输入的行进曲线。

7.根据权利要求5所述的焊接系统，其中所述行进曲线包括针对在焊接期间对焊接材料的重力效应的补偿。

8.根据权利要求1所述的焊接系统，其中所述处理系统使用以下等式确定所述焊炬相比于初始位置的所述角位置：

d＝r*φ，

其中d为所述行进距离，r为半径，且φ为在所述初始位置处的焊炬轴线与在所述角位置处的所述焊炬轴线之间的角度。

9.根据权利要求1所述的焊接系统，包括位于焊接区域内的焊接区域传感器，其中所述焊接区域传感器被配置成同样感测所述焊炬的取向，且所述处理系统被配置成融合来自所述取向感测系统与所述焊接区域传感器的所感测的取向。

10.根据权利要求1所述的焊接系统，其中所述处理系统被配置成接收来自工作信息数据库或来自用户的手动输入的所述半径的指示。

11.一种用于焊接管的方法，包括：

使用一个或多个取向传感器感测在管的初始位置处的焊炬的初始取向；

使用所述一个或多个取向传感器感测在所述管的角位置处的所述焊炬的角取向；

确定所述初始取向与所述角取向之间的取向的角变化；以及

至少部分地基于所述管的半径和所述角变化来确定所述焊炬从所述初始位置行进到所述角位置的行进距离，从而基于所述角变化导出所述焊炬从所述初始位置到所述角位置的所述行进距离，其中所述行进距离包括沿所述管的外周的至少一部分行进的距离。

12.根据权利要求11所述的方法，其中导出行进距离包括使用以下等式确定所述行进距离：

d＝r*φ，

其中d为所述行进距离，r为所述管的半径，且φ为在所述初始位置处的焊炬轴线与在所述角位置处的所述焊炬轴线之间的角度。

13.根据权利要求11所述的方法，包括使用以下等式补偿不平行于地面的管，以确定由焊接接头投影到垂直于所述地面的平面所形成的椭圆的小直径：

d_minor＝d_major*cos(θ)，

其中d_minor为所述椭圆的所述小直径，d_major为所述管的半径的两倍，且θ为所述管的倾斜角。

14.根据权利要求13所述的方法，所述方法包括将所述焊炬放置于所述管上并且使用所述一个或多个取向传感器确定所述焊炬的倾斜取向，从而确定所述倾斜角。

15.根据权利要求11所述的方法，包括基于所述行进距离确定行进速度。

16.根据权利要求15所述的方法，包括通过以下操作向移动所述焊炬的操作员指示所述行进速度：

经由显示器提供视觉反馈；

提供可听反馈；或

提供触觉反馈。

17.一种被配置成耦接到焊炬的改装套件，包括：

加速度计，所述加速度计被配置成确定所述焊炬的初始取向和随后的角取向；以及

处理器，所述处理器被配置成：

确定所述初始取向与所述随后的角取向之间的取向的角变化；以及

基于管的半径和所述角变化来确定行进距离，从而基于从初始位置到角位置的所述行进距离导出所述焊炬的行进速度，所述行进距离通过使用所述角变化和在焊接接头处的所述管的半径来确定，其中，所述行进距离包括沿所述管的外周的至少一部分行进的距离。

18.根据权利要求17所述的改装套件，其中至少所述加速度计被配置成物理耦接到所述焊炬上。

19.根据权利要求17所述的改装套件，其中所述处理器被装入被配置成物理耦接到所述焊炬上的壳体中。

20.一种焊接系统，包括：

取向传感器，所述取向传感器与焊炬相关联，其中所述取向传感器被配置成感测相对于重力方向的焊炬取向；以及

一个或多个处理器，所述一个或多个处理器通信地耦接到所述取向传感器，并且被配置成：

至少部分基于管的半径和由所述取向传感器感测的所述焊炬取向来确定所述焊炬相对于所述管的角位置，以及

至少部分基于所述管的半径确定所述焊炬从初始位置行进到所述角位置的角行进距离，其中所述角行进距离包括沿所述管的外周的至少一部分行进的距离。

21.根据权利要求20所述的焊接系统，其中所述一个或多个处理器被配置成至少部分地基于所确定的所述角位置确定所述焊炬的行进速度。

22.根据权利要求20所述的焊接系统，其中所述取向传感器包括至少一个加速度计。

23.根据权利要求22所述的焊接系统，其中所述取向传感器包括至少一个陀螺仪，所述至少一个陀螺仪被配置成测量所述焊炬的角变化。

24.根据权利要求20所述的焊接系统，其中所述一个或多个处理器被配置成至少部分基于针对操作员或工作的行进曲线确定所述角行进距离。

25.根据权利要求24所述的焊接系统，其中所述行进曲线包括使用教学模式输入的获悉的曲线或输入的行进曲线。

26.根据权利要求24所述的焊接系统，其中所述行进曲线包括针对在焊接操作期间对焊接材料的重力效应的补偿。

27.根据权利要求20所述的焊接系统，其中所述一个或多个处理器使用以下等式确定所述焊炬相比于初始位置的所述角位置：

d＝r*φ，

其中d为所述角行进距离，r为半径，且φ为在所述初始位置处的焊炬轴线与在所述角位置处的焊炬轴线之间的角度。

28.根据权利要求20所述的焊接系统，包括位于焊接区域内的焊接区域传感器，其中所述焊接区域传感器被配置成同样感测所述焊炬的取向，且所述一个或多个处理器被配置成至少部分地基于来自所述取向传感器的与所感测的取向对应的测量值和来自所述焊接区域传感器的与所感测的取向相关的测量值来确定所述角位置。

29.根据权利要求20所述的焊接系统，其中所述一个或多个处理器被配置成接收来自工作信息数据库或来自用户的手动输入的所述半径的指示。

30.一种焊接系统，包括：

取向传感器，所述取向传感器与焊炬相关联，其中所述取向传感器被配置成感测相对于重力方向的焊炬取向；以及

一个或多个处理器，所述一个或多个处理器通信地耦接到所述取向传感器，并且被配置成：

至少部分基于管的半径和由所述取向传感器感测的所述焊炬取向确定所述焊炬相对于所述管的取向的角度变化，以及

使用焊接点处所述管的半径和所述角度变化确定从初始位置行进到角位置的行进距离，从而基于所述行进距离确定所述焊炬的行进速度。

31.一种焊接系统，包括：

取向传感器，所述取向传感器与焊炬相关联，其中所述取向传感器被配置成感测相对于重力方向的焊炬取向；以及

一个或多个处理器，所述一个或多个处理器通信地耦接到所述取向传感器，并且被配置成：

确定所述焊炬在管的初始位置处的初始取向；

确定所述焊炬在所述管的角位置处的角取向；以及

确定在所述初始取向和所述角取向之间的取向的角变化；

基于从所述初始位置到所述角位置的所述角变化确定所述焊炬的行进速度。

32.根据权利要求31所述的焊接系统，其中所述一个或多个处理器进一步配置为使用以下等式确定行进距离：

d＝r*φ，

其中d为所述行进距离，r为所述管的半径，且φ为在所述初始位置处的焊炬轴线与在所述角位置处的所述焊炬轴线之间的角度。

33.根据权利要求31所述的焊接系统，所述一个或多个处理器进一步配置为使用以下等式补偿不平行于地面的管，以确定由焊接接头投影到垂直于所述地面的平面所形成的椭圆的小直径：

d_minor＝d_major*cos(θ)，

其中d_minor为所述椭圆的所述小直径，d_major为所述管的半径的两倍，且θ为所述管的倾斜角。

34.根据权利要求33所述的焊接系统，所述一个或多个处理器进一步配置为通过将所述焊炬放置于所述管上并且使用所述取向传感器确定所述焊炬的倾斜取向来确定所述倾斜角。

35.根据权利要求31所述的焊接系统，其中所述一个或多个处理器进一步配置为基于所述行进速度确定行进距离。

36.根据权利要求31所述的焊接系统，其中所述一个或多个处理器进一步配置为通过以下操作向移动所述焊炬的操作员产生所述行进速度的指示：

经由显示器提供视觉反馈；

提供可听反馈；或

提供触觉反馈。