CN109689272B - 用于维修焊炬的运动控制方法和系统 - Google Patents

Abstract

提供了用于维修焊炬的系统和方法。该系统包括用于保持和释放焊炬的部件的夹持模块，该夹持模块能够沿该夹持模块的轴线移动并能够绕该轴线旋转；和控制系统，其用于在夹持模块的运动中提供自由度，以控制或减小施加在焊炬的配合部件之间的力。

Description

用于维修焊炬的运动控制方法和系统

技术领域

本发明涉及焊炬，并且更具体地是，涉及用于控制焊炬维修的方法和系统。

背景技术

焊炬广泛用于连接分开的工件。使用焊炬的焊接技术的一个示例是金属惰性气体(“MIG”)电弧焊接技术，在该技术中，从具有变速驱动器的大线轴连续地馈送相对细的线电极，其速度被控制以优化电弧长度和烧毁率。焊炬连接到气体供应源。在焊接过程中，在电极和正在焊接的金属表面之间延伸的电弧被屏蔽在气流内。

已经开发了各种工具来维修焊炬，例如用于清洁喷嘴和/或更换接触嘴的工具。然而，对焊炬的自动维修的需求日益增长，并且要求精确的控制。因此，需要提供用于维修焊炬的改进方法。

附图说明

从以下参考附图的描述中，本发明的这些和其他特征将变得更加明显，其中：

图1是焊炬的一个示例的剖视图；

图2是焊炬维护设备的一个示例的透视图；

图3是可安装在图2的焊炬维护设备中的喷嘴移除系统的示例的透视图；

图4a是喷嘴移除系统的剖视图，其中喷嘴附接在焊炬上；

图4b是喷嘴移除系统的剖视图，其中喷嘴从焊炬移除并且清洁装置进入喷嘴；

图5是第二夹具的分解图；

图6(a)是处于打开位置的第二夹具的剖视图；

图6(b)是处于闭合位置的第二夹具的剖视图；

图7是喷嘴移除系统的第二夹具，旋转气动马达，斜齿轮和空气分配组件的分解图；

图8示出了嵌入中空轴的轴壁中的多个管道，该管道附接到空气分配组件；

图9a-9c是通过空气分配组件的进气口操作的第二夹具的剖视图；

图10示出了焊嘴和保持头清洁模块的一个示例；

图11是图10的焊嘴和保持头清洁模块的俯视图；

图12是图11的焊嘴和保持头清洁模块的剖视图；

图13(a)表示焊嘴和保持头清洁模块的另一个示例；

图13(b)是图13(a)的喷嘴和保持头清洁模块的俯视透视图；

图13(c)，13(d)，13(e)和13(f)是图13(a)的焊嘴和保持头清洁模块的剖视图；

图14(a)和14(b)示出了焊嘴和保持头清洁模块的刷子支撑框架的位置；

图15是焊嘴更换设备的透视图；

图16(a)是第二夹具处于打开位置时的焊嘴更换设备的焊嘴更换系统的俯视透视图；

图16(b)是第二夹具处于关闭位置时的焊嘴更换系统的俯视透视图；

图17是焊嘴更换系统的一个示例的透视图；

图18是焊嘴馈送器组件的剖视图；

图19(a)是汽缸的一个示例的透视通透图；

图19(b)是倾泄和填充歧管的一个示例的透视通透图；

图20是示出移除和清洗喷嘴的方法的一个示例的流程图；

图21是示出移除和更换焊嘴的方法的一个示例的流程图；

图22是用于焊炬维护设备的示例性简单膜片开关界面；

图23是用于焊嘴更换设备的示例性简单膜片开关界面；

图24是双作用单杆汽缸的示例性框图，其可布置在喷嘴移除系统和/或焊嘴更换系统中；

图25是示出气动汽缸系统的一个示例的示意图，该气动汽缸系统可应用于喷嘴移除系统和/或焊嘴更换系统；

图26是示出图25中所示的气动汽缸系统的操作的一个示例的流程图；

图27是在歧管块上实现的倾泄和填充系统的一个示例的透视图；

图28是具有倾泄和填充系统以及气动汽缸系统的喷嘴移除系统的实施方式的一个示例的透视图；

图29是具有倾泄和填充系统和气动汽缸系统的焊嘴更换系统的实施方式的透视图；

图30是喷嘴移除系统的分解图，该图示出了喷嘴移除系统的旋转模块直接安装到活塞杆上；和

图31是焊嘴更换系统的分解图，该图示出了焊嘴更换系统的旋转模块直接安装到活塞杆上。

具体实施方式

下面仅通过举例的方式参考图1-31描述用于焊炬的系统和方法。本文中描述的系统和方法总的涉及焊炬的维修，以及对系统中的部件/物体的力和/或位置的控制，以用于焊炬的自动维护和/或维修。本文中描述的系统和方法提供控制系统，该控制系统被构造用来控制在部件之间施加的力的大小和/或系统中的部件之间的相对位置。系统可以使用力控制将部件移动到特定位置或使用位置控制而使得力的大小达到特定值。施加在系统中的部件之间的力或部件之间的相对位置可以通过各种方式测量，并且可以例如以开环或闭环控制方式控制。控制系统在焊炬的两个配合部件的相互作用中提供部件的运动的自由度。

在示例性实施方式中，提供浮子系统，以相对于焊接喷嘴和/或接触嘴执行力和/或位置控制。例如，浮子系统可以控制被构造用来从焊炬移除气体喷嘴，清洁气体喷嘴和/或更换气体喷嘴的装置。浮子系统可以控制被构造用来移除和设置用过的接触嘴、分配新的接触嘴并将新的接触嘴放置在焊炬上的装置。例如，浮子系统被构造用来通过控制模块在焊炬的两个配合部件的相互作用中施加的力来控制或减小焊炬的这两个配合部件之间的力。

本文中可以仅通过示例的方式使用多个动作来描述各种操作。本文中描述的操作/动作可以以不同的顺序实现，并且本公开不限于那些特定示例。

本文中的术语“系统”、“装置”、“模块”、“部件”、“工具”或“设备”可以互换使用。本文中描述的系统，装置，模块，部件，工具或设备可以是基于硬件的系统或基于硬件的系统和基于软件的计算机系统的组合，其可以包括可操作地彼此连接的多个(计算机)部件或装置，其中的每个可以包括一个或多个可编程处理器，一个或多个存储器，以及一个或多个基于硬件和/或软件的用户界面。

本文中仅出于解释目的而参照相对术语，例如“竖直(竖直地)”、“上”、“下”、“成角度”、“向上”和“向下”。如本文中所示的系统，装置和/或设备的布置和定向不限于所描述的或附图中所示的那些布置和定向。

图1示出了焊炬的一个示例，其被标示为102。焊炬102包括开口圆柱形喷嘴108和用于延伸焊丝(未示出)的中央带电焊嘴106。焊嘴106附接到保持头110，保持头110(也称为扩散器或接触嘴保持器)连接到气源(未示出)并包括孔112，用于将气体分配到喷嘴108中，以控制焊缝处的焊接环境。在喷嘴108的近端118处，喷嘴108可以安装到焊炬102的焊接臂或套环116。喷嘴108与焊炬102的焊接臂或套环116之间的连接可以是螺纹，卡口，套接或其他类型的连接。焊嘴106可以通过螺纹或其他手段连接到保持头110，并且与喷嘴108处于同心关系。焊嘴106可以突出喷嘴108的远端120。焊炬102可以在邻近套环116的位置处弯曲，从而形“鹅颈”114。

焊炬102可以在机械臂(未示出)上，使得它在各种限定的三维坐标之间移动，例如，在其可编程控制器的控制下。

焊嘴106将焊丝电极引向焊接部位。由保持头110分配的惰性气体流同心地围绕焊嘴106并且保持围绕焊丝电极的气体屏蔽，以避免在焊缝中包含污染物。

在一个示例性实施方式中，提供焊炬维护中心，用于维修焊炬，如焊炬102。焊炬维护中心包括多个设备/系统/模块。例如，焊炬维护中心可包括用于移除和清洁喷嘴108的工具和用于清洁焊嘴106和/或保持头110的工具，其被描绘为例如在图2中示出的焊炬维护设备200。焊炬维护中心可包括用于更换焊嘴106的工具，其被描绘为例如在图15中示出的焊嘴更换设备1500。焊嘴更换设备1500可以位于焊炬维护设备200附近。一些或所有工具/设备可位于焊炬维护中心内的单个外壳内。焊炬102可以是机器人或机械臂的一部分，并且以协调的方式在焊炬维护中心的各种工具之间移动。焊炬102的维护可以在各种工具之间的单次运行中完成。或者，可以分开使用各种工具来实现其各自的功能。

在一个示例性实施方式中，浮子系统用于焊炬维护设备(例如，200)，焊嘴更换设备(例如，1500)或其组合。浮子系统可以由气动装置，电动装置，磁性装置，机械装置或液压装置驱动，这些装置由与机器人控制系统连接的可编程控制单元控制。

图2示出了焊炬维护设备200的一个示例。在所示的示例中，焊炬维护设备200包括用于移除和清洁焊炬102的喷嘴108的喷嘴移除设备以及用于清洁焊嘴106和/或保持头110的焊嘴和保持头清洁模块400。焊炬102的一部分。喷嘴移除设备包括如图3中所示的喷嘴移除系统300。

参见图1-3，喷嘴移除系统300和焊嘴和保持头清洁模块400封闭在外壳202中。焊炬维护设备200可包括用于控制各种气动驱动装置的操作的阀组并且/或者包括在外壳202上的状态灯248，以指示焊炬维护设备200的操作状态。

焊炬维护设备200可包括焊丝切割器260，用于夹住从焊嘴106的焊丝的端部。如果在焊丝(未示出)上形成熔融金属球，则焊丝的切割尤其重要。可以在焊炬102的维修开始之前执行焊丝的切割，并且可以可选地在第二和/或第三时间执行焊丝的切割，以移除在操作期间暴露的焊丝。或者，可以缩回已暴露的焊丝而不是切割，以节省操作时间。

焊嘴和保持头清洁模块400包括焊嘴和保持头清洁组件240，以及气动空气马达242。

喷嘴移除系统300使用第一夹具210和第二夹具212。第一夹具210适合于在鹅颈114处或在机械臂的操作空间中的另一个限定点处固定地接合焊炬102的一部分。第一夹具210可包括多个可移动的协作配合夹持插入件，例如夹头的夹爪，其适合于以可释放地在之前夹紧的关系接纳和紧固焊炬102。在该示例中，夹持插入件围绕旋转轴线201以等距间隔关系。一旦第一夹具210将焊炬102紧固就位，焊炬102的喷嘴108的中心轴线就与旋转轴线201对齐。

提供第二夹具212用于保持喷嘴108，并且第二夹具212可以具有与第一夹具210类似或相同的结构。第二夹具212能够在关闭位置和缩回和打开位置之间移动，在关闭位置，夹持插入件伸出以夹紧和保持喷嘴108，在该缩回和打开位置，夹持插入件脱离关闭关系定位。第二夹具212还适合于绕中心轴线旋转，该中心轴线与旋转轴线201对齐。

在附图中，仅出于说明目的示出了第一和第二夹具210、212中的每一个的构造的一个示例。第一和第二夹具210、212的其他实施方式是容易获得的，例如，其他气动，液压，磁性，机械或电控的夹具或锁定滑块，分别用于固定焊炬102和喷嘴108。

在操作中，第二夹具212保持焊炬102的喷嘴108并绕旋转轴线201旋转，以移除喷嘴108。第二夹具212的旋转可以在第二夹具212移动到关闭位置之前开始。当第二夹具212保持并旋转喷嘴108时，第二夹具212可以竖直致动，以升高或降低喷嘴108，以将其从焊炬102分离。清洁装置，例如但不限于刷子，铰刀，高压空气/流体/喷雾，磨削或铣削装置，或其他清洁工具则从远端120进入喷嘴108并清洁喷嘴108的内部，如将在下面所述的那样。

喷嘴移除系统300包括用于旋转第二夹具212的驱动装置。在所示的示例中，驱动装置包括水平旋转气动马达214和斜齿轮216、218，其中使第二夹具212与斜齿轮218的旋转一起旋转。斜齿轮218通过旋转空气供给板220联接到第二夹具212，使得第二夹具212与空气分配组件222气动连通，该空气分配组件222操作用以打开和关闭第二夹具212。焊炬维护设备200可包括用于测量第二夹具212的旋转运动的装置。对于本领域技术人员将显而易见的是，其他实施方式是容易获得的，例如，其他气动，液压，磁性，机械或电动马达布置。

喷嘴移除系统300包括用于沿着旋转轴线201竖直移动第二夹具212的提升系统。在所示的示例中，提升系统是包括汽缸232的气动浮子系统。该系统可以包括用于控制和协调系统部件的各种操作的控制装置，并且控制装置可以构造用以控制汽缸1534中的空气压力或空气量和/或控制汽缸232的位置，其可以用倾泄和填充歧管(参见例如图27)操作。提升系统可包括用于控制汽缸运动的运动检测装置。例如，运动检测装置可包括电位计。对于本领域技术人员将显而易见的是，其他实施方式是容易获得的，例如，旋转编码器，旋转电位计，齿条和小齿轮，接近传感器。

喷嘴移除系统300包括可沿竖直轨道228滑动的托架(例如，图30中的226)。在所示的示例中，滑架固定到空气分配组件222的引导板224。引导板224固定并承载第二夹具212，旋转空气供给板220，水平旋转气动马达214和斜齿轮216、218。滑架附接到汽缸232的对准接头或浮动连接器230。当汽缸232通过进气口234气动驱动时，滑架沿竖直导轨228滑动。当致动时，承载托架的汽缸232与空气分配组件222，第二夹具212，旋转空气供给板220，水平旋转气动马达214和斜齿轮216、218一起在竖直方向上移动。

优选地是，导轨228安装到刚性结构，例如焊炬维护设备200的框架构件。导轨228提供方向引导，使得第二夹具212，旋转气动马达214，斜齿轮216、218和空气分配组件222在被驱动通过汽缸232时在竖直方向上移动。

在螺纹喷嘴的情况下，喷嘴移除系统300在竖直方向上提供移动自由度，其补偿喷嘴108的螺距之间的潜在偏移，并提供缓冲以适应第二夹具212的旋转速度和提升速率。对于本领域技术人员将显而易见的是，螺纹可能在过程开始时未对齐。

图4a和4b是喷嘴移除系统300的剖视图。喷嘴108通常附接到焊炬102并且通过图4a中的第二夹具212固定。可以通过空气分配组件222通过进气口406、408使第二夹具212打开或关闭其夹具。

如上所述，并且在螺纹喷嘴的情况下，第二夹具212可与齿轮218一起绕旋转轴线201旋转，从而使喷嘴108的螺纹部分与焊炬102脱离接合。当第二夹具212旋转时，第二夹具212可以同时竖直致动，以将喷嘴108从焊炬102上拆下。为了将喷嘴108重新附接到焊炬102，第二夹具212可以绕相同的轴线201在相反的方向上旋转，使喷嘴108的螺纹部分与焊炬102接合。

参考图4b，当第二夹具212保持和降低喷嘴108以将其从焊炬102拆下时，清洁装置412可从远端120进入喷嘴108，以清洁喷嘴108。清洁装置412可以是例如刷子，铰刀，高压空气/流体/喷雾，磨削或安装在轴410上的铣削装置。喷嘴108可以通过第二夹具212继续旋转。承载清洁装置412的轴410可以是静止的，或者可选地是，相对于轴线201旋转，例如，沿与第二夹具212的方向相反的方向旋转。轴410可在竖直方向上延伸和/或缩回，以进入和/或离开喷嘴108。喷嘴108和清洁装置412之间的相对运动使积聚在喷嘴108的内表面上的焊渣脱位。

图5是第二夹具212的分解图。在该示例中，第二夹具212是夹持夹头。第二夹具212可包括夹持壳体502，顶盖504和底盖506，夹头508和匹配的锥形510。位于夹持壳体502中的夹头508包括圆柱形内表面，该内表面限定通孔512和锥形外表面。夹头508可以由例如弹簧钢制成。夹头508可以是单件式的，或者可以包括多个协作配合夹持爪。匹配的锥形510接合夹头508并且可以具有锥形内表面，该锥形内表面可以使得将夹头508径向向内挤压，使得夹头508的内表面收缩到略微更小的开口直径。匹配的锥形510在气动启动时可在竖直方向上移动，以使夹头508在打开位置和关闭位置之间转换。顶盖504包围夹头508，并且底盖506通过紧固件(例如，螺栓，销或带肩螺钉)将锥形510分别包围到夹持壳体502。

图6(a)是处于打开位置的第二夹具212的剖视图。图6(b)是处于关闭位置的第二夹具212的剖视图。如在图6(a)中所示，锥形510向下移动，从而清空顶盖504和锥形510之间的顶部空间514。夹头508则扩展到顶部空间514中，从而扩大开口512的直径，以过渡到打开位置。相反，在图6(b)中，锥形510向上移动到顶部空间514中，从而径向向内挤压夹头508，以移动到关闭位置。

图7是第二夹具212，旋转气动马达214，斜齿轮216、218和空气分配组件222的分解图。空气分配组件222由上轴承盖702和下轴承盖704围绕。空气分配组件222包括一对空气分配构件708、710，之间具有引导板224，空气分配构件708、710和引导板224中的每一个具有相应的进气口404、408和406。通过向相应的进气口404、406和408施加气动压力，可以控制第二夹具212的操作，同时齿轮218，空气供给板220和第二夹具212如上所述的那样旋转和竖直移动。

中空轴718、720附接到空气供给板220。中空轴718、720穿过空气分配构件708、710和引导板224，并通过轴承722、724与其保持同心关系。中空轴718、720可相对于空气分配构件708、710和引导板224旋转。密封构件726、728、730、732被提供给分配构件708、710和引导板224中的每一个。当气动压力施加到例如进气口408时，在分配构件710，轴720和密封730、732之间形成呈环形的气囊。

还参考图8，多个管道嵌入中空轴718、720的轴壁中。管道802将当气动压力施加到进气口408时产生的环形气囊与空气供给板220连接，并使夹头508关闭。管道806将当气动压力施加到进气口406时产生的环形气囊与空气供给板220连接，并使夹头508打开。

图9a-9c是通过进气口404、406、408从空气分配组件222操作的第二夹具212的剖视图。

在图9a中，气动压力施加到进气口408。围绕轴的环形气囊902中的压力通过管道802和空气供给板220传递，使锥形510向上移动，进而将夹头508径向向内挤压到关闭位置，如图9a中的箭头A.所示。

在图9b中，气动压力施加到进气口406。围绕轴的环形气囊904中的压力通过管道806和空气供给板220传递，使锥形510向下移动，进而将夹头508径向向外释放到打开位置，如图9b中的箭头B所示。

在图9c中，气动压力施加到进气口404。围绕轴的环形气囊906中的压力导致空气进入管道810，从而产生文丘里效应并在中空轴中产生低压区域。低压将使从喷嘴108脱位的焊渣通过中空轴的孔利用真空清扫掉。

图10示出了焊炬维护中心的焊嘴和保持头清洁模块的一个示例，其被标记为400。在该示例中，焊嘴和保持头清洁模块400包括焊嘴和保持头清洁组件240以及气动空气马达242。

图11是焊嘴和保持头清洁模块400的示例的俯视图，其包括焊嘴和保持头清洁装置1006，例如刷子，磨削机，铣削工具或铰刀。保持头清洁装置1006可包括多个刷子1008。在所示的示例中，刷子1008布置在一对刷子支撑框架1010、1012的内表面上。刷子1008径向向内延伸一定距离，以接合保持头110和焊嘴106。

图12是焊嘴和保持头清洁模块400的剖视图。在操作中，保持头110和焊嘴106可以固定在三维参考点处。使焊嘴和保持头清洁组件240旋转，例如通过进气口1002、1004。刷子1008与焊嘴和保持头清洁组件240的外壳一起围绕由保持头110和焊嘴106限定的轴线旋转。刷子1008和焊嘴或保持头之间的相对运动使在焊嘴或保持头周围积聚的焊渣，特别是在保持头110的孔112周围积聚的焊渣脱位。

图13-14示出了焊嘴和保持头清洁模块的另一个例子，其被标示为400'。焊嘴和保持头清洁模块400'包括焊嘴和保持头清洁组件1302，真空组件1304和中空轴1306。滑轮1308设置在中空轴1306上，并且可以由旋转气动马达1310，通过附接到旋转气动马达1310的第二滑轮1312和皮带(未示出)驱动。旋转气动马达1310和真空组件1304安装在背板1314上。

图13(b)是焊嘴和保持头清洁模块400'的俯视透视图。顶盖1316包围焊嘴和保持头清洁装置，例如刷子，铰刀，磨削机或铣削装置。焊嘴和保持头清洁装置可包括多个刷子1318。在所示的示例中，刷子1318布置在一对刷子支撑框架1320、1322的内表面上。承载刷子1318的刷子支撑框架1320、1322可以是可延伸的，以使保持头110和焊嘴106以不同的直径接合。气动压力提供给两个进气口1324、1326，一个进气口用于在中空轴1306内产生低压区域，另一个进气口用于引起刷子支撑框架1320、1322的移动。

图13(c)和图13(d)是沿图13(a)中的线X-X截取的焊嘴和保持头清洁模块400'的剖视图。保持头110和焊嘴106可以固定在单个三维参考点处。如图13(c)和图13(d)中所示，刷子可以沿着由保持头110和焊嘴106限定的轴线设置在三组1204、1206、1208中，使得组1204的刀片之间的距离略大于组1206、1208的。焊嘴和保持头清洁模块400'包括外壳1202。在壳体1202内部并且通过O形环1210、1212以密封关系布置有活塞1214。活塞1214通过弹性装置(例如弹簧1216)朝向外壳1202的底部偏压。可以使中空轴1306旋转，例如在图13(a)中所示，这通过旋转气动马达1310，滑轮1308和1312以及定时皮带(未示出)实现。中空轴1306使得外壳1202和刷子1204、1206、1208围绕由保持头110和焊嘴106限定的轴线旋转。

中空轴1306由真空组件1304的两个轴承1220、1222支撑。三个密封1224、1226、1228设置在中空轴1306和真空组件1304之间。当气动压力施加到入口1324、1326时，可以围绕中空轴1306形成两个环形气囊1230、1232。在所示实施例中，入口1324与气囊1230气动连通。通过中空轴1306中的空气管道(未示出)，气囊1230也与外部壳体1202气动连通。参考图13(d)，当气动压力施加到入口1324时，围绕轴1306的环形气囊1230中的压力传递到活塞1214。推动活塞1214向上移动，如将在下面所述的那样，使刷子支撑框架1106、1108径向向内移动，使得刷子1204、1206、1208接合保持头110和焊嘴106。

出气口1234与第二入口1326气动连通。当气动压力施加到进气口1326时，围绕轴1306的环形气囊1232中的压力导致空气进入出气口1234，从而产生文丘里效应，由此在中空轴1306内产生低压区域。低压将使从保持头110和/或焊嘴106脱位的焊渣通过中空轴1306的孔利用真空清扫掉。

图13(e)和图13(f)是沿图13(c)中的线Y-Y截取的焊嘴和保持头清洁模块400'剖视图。图13(e)和图13(f)分别对应于图13(c)和图13(d)。

在图13(e)和图13(f)中，两对销1330、1332、1334、1336位于活塞1214的相对侧。当通过气动压力向上推动活塞1214时，销1330、1332、1334、1336也在图13(f)中被提升。

图14(a)示出了当销1330、1332、1334、1336处于下侧位置时，即当活塞1214被弹簧1216向下推动时，刷子支撑框架1320、1322的相对位置；而图14(b)示出了当销1330、1332、1334、1336处于升高位置时，即当活塞1214被通过入口1324供应的气动压力向上推动时，刷子支撑框架1320、1322的相对位置。

支撑框架1320具有四个成角度的槽，其中两个在图14(a)中示出为槽1402、1404，并且支撑框架1322也具有四个成角度的槽，其中两个在图14(a)中示出为槽1406、1408。如图14(a)中所示，当活塞处于下侧位置时，销1330位于由成角度的槽1402和1404共同形成的V形槽的底部；同样，销1332位于由成角度的槽1404和1408共同形成的V形槽的底部。

销1330、1332可沿着成角度的槽1402、1406、1404、1408的界限以引导关系滑动。当通过气动压力向上推动销1330、1332时，使V形的顶端移动得更近，导致支撑框架1320、1322一起移动，如图14(b)中所示。

图15示出了焊嘴更换设备1500的一个示例。在该描述的示例中，焊嘴更换设备1500形成为与焊炬维护设备200分开的设备。对于本领域技术人员将显而易见的是，图2-3的焊嘴更换设备1500和焊炬维护设备200可以在单个外壳内形成。

焊嘴106在使用一段时间后磨损，并且由于它们的构造而可能不能继续使用。更换焊嘴106的时间段可以基于焊炬102使用的时间，或者基于已经通过焊嘴106馈送的焊丝的量。在焊炬维护设备200处的喷嘴108的移除和保持头110和/或焊嘴106的清洁之后，承载焊炬102的机械臂可以定位到焊嘴更换设备1500，在该焊嘴更换设备中，焊嘴106可以被移除和更换。

在所示的示例中，焊嘴更换设备1500包括焊嘴更换系统1508，用于移除用过的焊嘴并附接新的或替换的焊嘴。焊嘴更换设备还可包括焊嘴盒1506，用于存储新的或替换的焊嘴。

在所示的示例中，焊嘴更换系统1508位于外壳1503内，并且焊嘴盒1506固定到外壳1503。焊嘴更换设备1500可包括用于控制各种气动驱动装置的操作的阀组，并且/或者可包括在外壳1503上的状态灯1502，以指示其操作状态。

焊嘴更换系统1508包括第一夹具1510和第二夹具1512(如图17中所示)。第一夹具1510适合于接纳和固定焊炬102。在该示例中，第一夹具1510通过焊炬的保持头110接纳并固定焊炬102。第一夹具1510可包括多个可移动的、协作配合的夹持插入件，例如夹头的夹爪，以在其之间以可释放地夹紧的关系接纳和固定保持头110。在该示例中，夹持插入件围绕旋转轴线1518以等距间隔关系，并且使焊炬102的焊嘴106和/或焊嘴保持头110相对于旋转轴线1518居中。

第二夹具1512被提供用于保持焊嘴106，并且可以具有与第一夹具1510类似或相同的结构。在一个示例性实施方式中，第二夹具1512是夹头，其包括多个夹爪，这些夹爪围绕中心轴线以等距间隔布置，该中心轴线与旋转轴线1518对齐，用于夹紧焊嘴106。第二夹具1512可在关闭位置与缩回和打开位置之间移动，在关闭位置，夹持插入件延伸出来，以夹紧并保持焊嘴106，在缩回和打开位置中，夹持插入件脱离关闭关系定位。第二夹具1512还适合于绕旋转轴线1518旋转并沿旋转轴线1518移动，如将在下面所述的那样。

在附图中，仅出于说明目的示出了第一和第二夹具1510、1512中的每一个夹具的构造的一个示例。第一夹具1510或第二夹具1512的其他实施方式是容易获得的，例如，其他气动，液压，机械，磁性或电控夹具，用于保持保持头110和焊嘴106。

在操作中，第二夹具1512保持焊嘴106并绕旋转轴线1518旋转，以移除焊嘴106。第二夹具1512的旋转可以在第二夹具1512移动到关闭位置之前开始。当第二夹具1512保持并移除焊嘴106时，第二夹具1512可以被竖直致动，以将焊嘴106从焊炬102拆下。

图16(a)和16(b)提供了呈夹头1520形式的第二夹具1512的一个示例性实施方式。图16(a)示出了处于打开位置的夹头1520，其中匹配锥形1542已向下移动并且多个夹爪1540已径向向外移动，以扩大开口1544的直径。相比之下，图16(b)示出了处于关闭的夹紧位置的夹头1520，其中匹配锥形1542已向上移动并且多个夹爪1540已相对于匹配锥形径向向内移动，以减小开口1544的直径。当使用过的焊嘴通过机器人或其他装置递送到焊嘴更换设备，以固定该焊嘴，以便移除时，夹头1520的夹爪1540通常从打开位置过渡到关闭位置。当使用过的焊嘴106从焊炬102移除时，夹头1520的夹爪1540通常从关闭位置过渡到打开位置，此时焊嘴106从夹头1520释放，或者通过夹头1520下方的中空空间掉落或通过其他方式移除。当从焊嘴盒1506递送新的焊嘴，以附接到焊炬102时，夹头1520的夹爪1540通常从打开位置过渡到关闭位置。当新的焊嘴106被紧固到焊炬102时，夹头1520的夹爪1540通常从关闭位置过渡到打开位置。

图17示出了焊嘴更换系统1508的一个示例。焊嘴更换系统1508包括用于旋转第二夹具1512的驱动装置。在所示的示例中，驱动装置包括水平旋转气动马达1526和水平斜齿轮1530以及连接小斜齿轮1528。水平斜齿轮1530连接到第二夹具1512，使得当由连接到水平旋转气动马达1526的较小斜齿轮1528驱动时，水平斜齿轮1530和第二夹具1512绕旋转轴线1518旋转。焊嘴更换设备1500可包括用于测量第二夹具1512的旋转运动的装置。对于本领域技术人员将显而易见的是，其他实施方式是容易获得的，例如，其他气动，液压，机械，磁性或电动马达布置。类似于喷嘴移除系统300，第二夹具1512可以与空气分配组件气动连通，该空气分配组件操作用于打开和关闭第二夹具1512。

焊嘴更换系统1508包括用于沿着旋转轴线1518移动第二夹具1512的提升系统。在所示的示例中，提升系统是气动浮子系统，包括汽缸1534。该系统可以包括用于控制和协调系统部件的各种操作的控制装置，且控制装置可以构造用来控制汽缸1534中的空气压力或空气量和/或控制汽缸1534的位置。汽缸1534可以用倾泄和填充歧管操作(参见例如图27)。提升系统可包括用于控制汽缸运动的运动检测装置。例如，运动检测装置可包括电位计。对于本领域技术人员将显而易见的是，其他实施方式是容易获得的，例如，旋转编码器，旋转电位计，齿条和小齿轮，接近传感器。

焊嘴更换系统1508包括沿竖直轨道1524移动的托架(参见例如图31的1522)。在所示的示例中，托架固定并移动第二夹具1512，水平旋转气动马达1526和斜齿轮1528、1530。托架附接到汽缸1534的对齐接头或浮动连接器1532，并且当汽缸1534通过进气口1538气动驱动时，托架竖直移动。当致动时，承载托架的汽缸1534与第二夹具1512，水平旋转气动马达1526和斜齿轮1528、1530一起在竖直方向上移动。

优选地是，轨道1524安装到刚性结构，例如焊嘴更换设备1500的框架构件。轨道1524提供方向引导，使得第二夹具1512，旋转气动马达1526和斜齿轮1528、1530在被驱动通过汽缸1534时在竖直方向上移动。

在螺纹焊嘴的情况下，焊嘴更换系统1508在竖直方向上提供移动自由度，这补偿了焊嘴106的螺距与保持头110之间的潜在轻微偏移。这种自由度还提供缓冲，以适应第二夹具1512的旋转速度和提升速率。对于本领域技术人员将显而易见的是，螺纹可能在过程的开始时不对齐。

图18示出了示例性的焊嘴进给器组件1800。焊嘴进给器组件1800包括用于存储新的或替换的焊嘴的焊嘴盒1506；焊嘴进给器1802，其将新的焊嘴106'从焊嘴盒1506递送到焊嘴保持器(未示出)；以及焊嘴夹持器1804，其将新的焊嘴106'保持并输送到夹持装置，例如第二夹具1512。焊嘴夹持器1804可以通过气动无杆汽缸1509在焊嘴盒1506和第二夹具1512之间移动。焊嘴盒1506在站立位置保持许多新的焊嘴。新的焊嘴106'一次一个地馈送到焊嘴夹持器1804，并且焊嘴夹持器1804将新的焊嘴106'传送到焊嘴更换系统1508。

图19(a)是在喷嘴移除系统300的提升系统和焊嘴更换系统1508的提升系统中使用的汽缸232、1534的一个示例的透过图。图19(b)是倾泄和填充歧管236、1536的一个示例的透过图。汽缸232、1534可以与倾泄和填充歧管236、1536结合使用。倾泄和填充歧管236、1536包括与汽缸232、1534的上腔室气动连通的两个阀门1902D，1902F，以及与汽缸232、1534的下腔室气动连通的两个阀门1904D，1904F，两个上/下阀其中之一1902D、1904D是倾泄阀，两个上/下阀中的另一个1902F，1904F是填充阀。主空气管线1906供给上下填充阀1902F，1904F。上倾泄阀1902D连接到上排气口(未示出)，而下倾泄阀1904D连接到下排气口(未示出)。气动控制管线1908连接到上倾泄阀1902D和上填充阀1902F；而气动控制管线1910连接到下倾泄阀1904D和下填充阀1904F。对于汽缸232、1534的每个进气口234、1538，空气可以双向行进。当汽缸232、1534中的活塞将被致动时，两个填充阀1902F、1904F都被调制，以将空气添加到它们的气动连接的腔室中，并且两个倾泄阀1902D、1904D都被调制，以从它们的气动连接的腔室释放空气。

在所描绘的示例中，两个单独的阀(即，倾泄阀和填充阀)被分配给汽缸232、1534的上腔室和下腔室中的每一个腔室。在另一个示例中，可以提供用作倾泄阀和填充阀的单个阀，以控制汽缸的每个腔室。在另一示例中，用于电子地或机械地调节汽缸232、1534的入口和出口流量的压力调节装置可用于调节汽缸232、1534的操作。

在该示例中，汽缸是双作用单杆汽缸。然而，汽缸232、1534的构造不限于附图中所示的构造。汽缸232、1534可以是单腔室汽缸。汽缸232、1534可以是无杆汽缸。汽缸232、1534可以用数字阀和/或模拟阀操作。阀可以是比例阀和/或伺服阀。可以使用螺线管来控制阀。阀可以是电子或磁性操作的。阀可以由闭环电路和/或由开环电路控制。

图20是总体上示出用于移除和清洁焊炬102的喷嘴108的方法的一个示例的流程图。在操作之前，机械臂或其他装置可首先将焊炬102移动到焊丝切割器260，以夹住从焊嘴106出来的焊丝的端部。在步骤1902，焊炬102可以下降到第一夹具210的孔206中，这使得焊炬102固定并对齐就位。结果，焊炬102被固定，并且焊炬102的喷嘴108与旋转轴线201对齐。在步骤1904，第二夹具212过渡到关闭位置，以保持喷嘴108并且可以围绕轴线201旋转，以从焊炬102移除喷嘴108。旋转可以由旋转气动马达214通过斜齿轮218引起，并且优选地是在第二夹具212移动到关闭位置之前开始。在步骤1906同时或随后，提升系统被致动，并且喷嘴108沿旋转轴线201竖直下降，以与焊炬102分离。然后，在步骤1908，清洁喷嘴108的内部，例如通过刷子，铰刀，高压空气/流体/喷雾，磨削，铣削或从远端120进入喷嘴108的其他清洁装置412。喷嘴108可以沿着轴线201在竖直方向上继续旋转和/或致动。清洁装置412可以是静止的或旋转的。清洁装置412和喷嘴108之间的相对运动使积聚在喷嘴108的内表面上的焊渣脱位。此时，可以通过进气口404将气动压力施加到真空模式，其中从喷嘴108脱位的焊渣被移除并顺着轴的孔利用真空清扫掉。

在喷嘴108与焊炬102分离之后，机械臂或其他装置可将焊炬102提升出孔206并进入孔204，以清洁焊嘴106和/或保持头110。在这样做之前，可以第二次切割焊丝，以移除在该过程中暴露的焊丝；或者，可以缩回暴露的焊丝，以节省操作时间。当焊嘴和保持头清洁装置旋转时，机械臂可以上下移动焊炬102。或者，焊嘴和保持头清洁模块可以在旋转的同时上下移动。一旦清洁了焊嘴106和/或保持头110，就更容易夹紧焊嘴106，以便移除和/或更换焊嘴106。

如步骤1910中所示，在竖直方向上提供了移动自由度，用于拆卸或重新附接喷嘴108。

图21是总体上示出根据本发明的一个实施例的用于移除和更换焊嘴106的方法的一个示例的流程图。在从焊炬102移除喷嘴108之后，机械臂或其他装置可以将焊炬102移动到焊嘴更换设备1500。在步骤2002，第一夹具1510夹持焊炬102，使得焊炬的焊嘴106与旋转轴线1518对准。此时，第二夹具1512可处于打开位置。在步骤2004，第二夹具1512关闭，以接合焊嘴106并使焊嘴106绕旋转轴线1518旋转。可以使第二夹具1512旋转，优选地是在第二夹具移动到关闭位置之前。在步骤2006，同时或随后的是，可以竖直致动第二夹具1512，以从焊炬102移除焊嘴106。然后，第一夹具1510移动到打开位置，以释放焊炬102，其中机械臂或其他装置可以在未附接焊嘴106的情况下提升焊炬。此时，可以暴露一定量的焊丝，其大约是焊嘴106的长度。焊丝的这种部分可以由焊丝切割器260切割第三次，或者可以缩回，以节省操作时间。移除的焊嘴106通过任何方式从焊嘴更换设备1500释放或移除。

在步骤2008，通过焊嘴盒1506将新的或替换的焊嘴106'分配到焊嘴保持器(未示出)中。焊嘴夹持器1804安装到可移动的焊嘴往返装置1509，其可使用无杆气动汽缸实现。附接到焊嘴往返装置1509的焊嘴夹持器1804可位于焊嘴盒1506和焊嘴保持器之间。新分配的替换的焊嘴106'可由焊嘴夹持器1804保持，以到达与旋转轴线1518对齐的位置。焊嘴往返装置1509用于使焊嘴夹持器1804和替换的焊嘴106'从焊嘴保持器进入与旋转轴线1518对齐。用于使新的焊嘴往返的装置可以以闭环方式操作。对于本领域技术人员将显而易见的是，其他实施方式是容易获得的，例如，其他气动，液压，磁性，机械或电动焊嘴往返装置布置。然后，可以致动焊嘴更换系统1508，以向上移动，以抓住新的焊嘴106'。一旦第二夹具1512牢固地保持新的焊嘴106'，则焊嘴夹持器1804就打开，以释放该新的焊嘴。焊嘴更换系统1508可被致动，以随新的焊嘴106'向下移动，以将其从焊嘴夹持器1804分离，并且焊嘴夹持器1804被送回焊嘴进给器1802。为了重新附接焊嘴106'，焊炬102再次下降到焊嘴更换设备1500中，以通过第一夹具1510固定并与旋转轴线1518对齐。第二夹具1512在旋转的同时向上移动，以将新的焊嘴106'替换到焊炬102上。替换操作可能无法一次完成；而是相反，第二夹具1512可以间隔停止，以便最优附接并且补偿螺纹松弛。如上所述，提升系统用于调节竖直运动，并且从而在竖直方向上提供移动自由度。一旦完成更换操作，则第二夹具1512和第一夹具1510打开，并且机械臂或其他承载有焊炬102的装置与已附接的新的焊嘴一起被提升离开焊嘴更换设备1500。此时，可以向焊嘴保持器(未示出)提供新的焊嘴，以准备下一次替换操作。

为了将清洁的喷嘴108放回，机械臂或其他装置将焊炬102移回喷嘴移除系统300。同样，焊炬102由第一夹具210夹紧，例如在鹅颈114处。清洁的喷嘴108通过第二夹具212夹紧就位。在螺纹喷嘴108的情况下，第二夹具212将被致动，以旋转并竖直移动，以将清洁的喷嘴108替换到焊炬102的轴环116上，类似于上述新的焊嘴106'的螺纹操作。通过浮子系统在竖直方向上提供移动自由度。可选地是，万一在该过程中更多的焊渣脱落，则可以打开真空模式。一旦将喷嘴108更换到焊炬102，就打开第一和第二夹具210、212，并且机械臂或其他装置提升焊炬102与新的焊嘴106'和清洁的喷嘴108，这可以是重新进行焊接操作。

如上所述，通过在喷嘴移除系统300，焊嘴和保持头清洁模块400以及焊嘴更换系统1508之间移动焊炬，可以在一次运行中完成焊炬102的维护。或者，各种模块可以单独用于它们各自的功能。

焊炬维护设备200还可以包括用于诊断和/或编程目的的用户界面。用于焊炬维护设备200的用户界面可以包括简单的膜片开关，触摸屏HMI，更复杂的网络服务器或其他界面。

图22示出了用于焊炬维护设备200的简单膜片开关界面2200的一个示例。简单的膜片开关界面2200设计用作诊断和编程接口的简单用户点。简单膜片开关界面2200可以包括多个控制器并为用户提供反馈，以对焊炬维护设备200进行编程，以与机器人或其他装置一起工作。如图22中所示，简单膜片开关界面2200可以包括“主页”按钮2202，其将焊炬维护设备200发送到已知状态，在该已知状态，设备立即准备好运行循环，例如喷嘴清洁循环。与“主页”按钮2202相关联的LED指示器向用户示出何时焊炬维护设备200处于初始位置。简单膜片开关界面2200还可以包括“复位”按钮2204，其清除焊炬维护设备200上的任何活动警报并且在警报之前将程序发送到用户控制状态。还可以提供“灯”按钮2206，以打开焊炬维护设备200内的LED灯，以允许用户更清楚地看到设备内部。与“灯”按钮2206相关联的LED指示器向用户提供反馈，以指示灯已经打开。

简单膜片开关界面2200还可以包括“功能”区域2208，其包括多个控制器，如图22中所示。“顶部夹具”按钮2210可以允许用户激活第一夹具210并通过其LED指示器2211看到传感器状态/反馈。“旋转夹具”按钮2212可以允许用户激活设备200内的第二夹具212，并通过其LED指示器2213看到传感器状态/反馈。这两个按钮可有助于确定喷嘴移除系统300的中心轴线201何时与焊炬102的喷嘴108的中心轴线对齐。“焊丝切割”按钮2214和“旋转刷子”按钮2216允许用户分别控制焊丝切割器260和焊嘴和保持头清洁装置400，以确保正确的操作，和/或验证其机器人的编程点。“提升模块向上”按钮2218和“提升模块向下”按钮2220允许用户在相应的方向上发送喷嘴移除系统300。它们相应的LED指示器显示系统300何时接近这些相应位置。

简单膜片开关界面2200还可包括“通信”区域2222，其包括多个LED指示器，用于指示与机器人或其他装置通信的设备200的输入和输出的状态。任何时候循环进行时，“循环中”LED指示器2224都是起作用的。其他LED指示器可以示出从机器人或其他装置进到焊炬维护设备200的输入2226的状态，以及从焊炬维护设备200到机器人或其他装置的输出2228的状态。这些LED指示器2226、2228可以示出任何离散和/或联网输入和输出的状态。简单膜片开关界面2200可以包括LCD显示器，用于指示焊炬维护设备200的当前互联网协议(IP)地址，以及任何活动警报。在图22中，LCD显示器显示为处于“通信”区域2222下方的白色框2230，其可以是覆盖绿色背光LCD显示器的透明嵌板。如果没有活动警报，则LCD显示器2230可以一直显示IP地址。如果存在活动警报，则显示器2230可以切换不同的警报以及IP地址。所显示的IP地址可用于促进与自动化控制器(诸如PLC/PAC)的集成和/或通过网络服务器用户界面进行故障排除。

简单膜片开关界面2200可以由安装在外壳202内的印刷电路板(PCB)控制。LCD显示器2230也可以安装在该PCB上并由该PCB控制，并且通过外壳202上的切口可见。PCB还可以与焊炬维护设备200的主控制器通信。

除了简单膜片开关界面2200之外，还可以为每个焊炬维护设备200提供网络服务器，以使用户能够访问比在简单膜片开关2200上可获得的数据更多的数据。网络服务器还可以授予焊炬维护设备200远程访问能力。网络服务器可以存放在集成电路(IC)上，该集成电路可以另外负责工业网络。

存在可以在网络服务器上获得的多个信息和/或页面。可以提供“信息”按钮，其显示由主控制器和简单膜片开关界面2200的控制器运行的当前软件版本。还可以提供“帮助”按钮，用于显示针对常见问题的简明、可导航的故障排除指南。

一些其他信息可以由网络服务器提供，并且可以通过选项卡控件进行导航。此类信息可能包括：

-“概述”页面，用于显示当前正在进行的任何循环的当前状态。还可以包括具有所有模拟传感器数据和警报计数的表格；

-“诊断”页面，用于使用户控制器激活焊炬维护设备200中的所有输出，并激活表示设备中所有输入的LED。另外，可以提供选项以压倒设备中的任何传感器，以验证正确的操作。可以提供另一组控制器，以给予用户能够逐步通过喷嘴清洁循环的能力，以验证过程的每个步骤是否成功完成。可以提供表格以向用户显示当用户逐步通过该循环时已完成的步骤；

-“选项”页面，用于使用户访问焊炬维护设备200的其中一些操作和配置参数；和

-“界面”页面，用于给予用户以下能力：查看离散和/或联网输入和输出的状态，压倒焊炬维护设备200的默认I/O设置，模拟发送输出给机器人或其他自动化控制器，模拟焊炬维护设备200将如何响应来自机器人或其他自动化控制器的输入，安全地测试设备与机器人或其他自动化控制器之间的通信控制，和/或允许用户复位警报，重新启动主控制器，并将设备的控制器恢复为其默认设定。

焊嘴更换设备1500可包括用于诊断和/或编程目的的用户界面。用于焊嘴更换设备1500的用户界面可以包括简单膜片开关和更复杂的网络服务器。焊嘴更换设备1500的用户界面可以类似于上述焊炬维护设备200的用户界面，或者可以基于用户偏好而被不同地设计。

图23示出了用于焊嘴更换设备1500的简单膜片开关界面2300的一个示例。开关界面2300包括多个类似于开关界面2200上的按钮，其被提供用于类似的操作。“推进焊嘴”按钮2304可以设置在“功能”区域2302中，并且用于将新的焊嘴106'从焊嘴盒1506馈送到焊嘴保持器(未示出)，在焊嘴保持器处将可以在下一个循环期间安装该新的焊嘴。按钮2304上方的“焊嘴准备好”LED指示器2306指示焊嘴目前是否位于焊嘴保持器(未示出)中。可以提供“焊嘴往返”按钮2308，其将焊嘴夹持器1804(附接到无杆汽缸1509)带到焊嘴保持器位置。按钮2308上方的“主页”LED指示器2310指示焊嘴夹持器1804何时处于焊嘴保持器位置。

除了简单膜片开关界面2300之外，还可以向每个焊嘴更换设备1500提供网络服务器，以使用户能够访问比在简单膜片开关2300上可获得的数据更多的数据。出于所有意图和目的，针对焊炬维护设备200的网络服务器功能概述的描述可以用于焊嘴更换设备1500的网络服务器。虽然在焊嘴更换设备1500内存在不同的装置以及一些不同的配置参数，但是对于本领域技术人员来说将显而易见的是，焊炬维护设备200的网络服务器功能可以适合用于焊嘴更换设备1500。

虽然参考按钮和显示器的特定布局描述了用于焊炬维护设备的用户界面和用于焊嘴更换设备的用户界面，但是对于本领域技术人员来说将显而易见的是，可以使用不同的布局，并且为了类似或其他诊断和编程目的，许多其他按钮，面板和/或信息可以包括在用户界面中，这取决于用户期望的特征。

详细描述了用于焊接喷嘴和/或接触嘴的力和/或位置控制的浮子系统。可存在几种不同的方法，用于将气体喷嘴108固定到焊炬102，即：螺旋连接(螺纹)，推进式摩擦保持，卡口锁定或可在喷嘴移除系统300中采用的其他方法。在每种方法中，控制施加在这些部件之间的力的大小和/或该部件之间的相对位置，以防止损坏部件，同时保持牢固连接和正确的机器操作。类似地是，控制所述部件之间的力的大小和/或该部件之间的相对位置以用于焊嘴更换系统1508，以防止在配合物体之间接触时损坏螺纹。螺纹开始处的损坏的螺纹会大大增加错扣的风险。另外，为了螺纹紧固气体喷嘴108或接触嘴106，当拧紧或松开这些部件时，相对于旋转运动的速率的线性运动的速率被控制以匹配螺纹的导程长度。如果不是这种情况，则由于螺纹连接物体之间的过大的力，螺纹可能在不希望自锁时自锁。通过控制在螺纹连接物体之间施加的力的大小和/或控制物体之间的位置，消除了该问题。本文中描述的浮子系统被构造用以补偿配合物体的线性运动和旋转运动之间的任何不匹配，或者以开环方式或闭环方式减小/控制物体之间的施加的力。

在一个示例中，浮子系统在喷嘴移除系统300的提升系统中实施，以控制施加在气体喷嘴108和焊炬102之间的力的大小或其之间的固定了喷嘴的相对位置。在另一个示例中，浮子系统在焊嘴更换系统1508的提升系统中实现，以控制在接触嘴和保持头110之间施加的力的大小或其之间的固定了接触嘴的相对位置。

在一个示例中，浮子系统通过使用双作用单杆汽缸3000作为汽缸232、1534来实现，其包括上腔室(或顶部腔室)3002，下腔室(或底部腔室)3004和杆3006，如图24中所示。喷嘴移除系统300和焊嘴移除系统1508经由相应的托架226、1522联接到双作用单杆汽缸232、1534。

本领域技术人员将理解，浮子系统可以通过各种方式实现，包括例如但不限于气动装置和/或电子装置。浮子系统可以基于来自一个或多个装置的输入来进行力控制，该装置用于测量系统中的部件/物体中施加的力，其可以包括例如但不限于压力测量，应变仪，称重传感器(例如，应变式称重传感器，压电式称重传感器，液压称重传感器，气动称重传感器)，弹簧压缩测量，扭矩测量，电机上的电流测量，其代表这种电机的输出扭矩。为此，浮子系统可以使用电子压力调节器。

双作用单杆汽缸经受的净力F_净可表示为，F_净＝F_向上-F_向下，其中F_向上表示作用在汽缸上的向上力，而F_向下表示作用在汽缸上的向下力。

由于汽缸具有固定的尺寸，所以通过改变顶部腔室和底部腔室中的压力，净力也将变化。并且，通过使用压力传感器测量两个腔室中的压力，可以实现闭环控制方案，用于控制施加在汽缸上的净力，从而调节净力。当力不平衡时，净力产生汽缸活塞位置的运动，以沿汽缸活塞的线性轴线移动。

有许多方法来实现对汽缸的控制。在一个示例中，包括2个压力传感器和4个数字阀的气动汽缸系统用于操作汽缸，如下面所述的那样。数字电磁阀布置成2对，其中每对用作用于汽缸中的每个顶部和底部腔室的倾泄填充系统。

图25示意性地示出了气动汽缸系统的实施方式的一个示例，其被标示为3020。填充阀3022和倾泄阀3026分配给上腔室3002。填充阀3024和倾泄阀3028分配给下腔室3004。对于上腔室3002，气动Y形连接将外部压力传感器3030连接到气动管线，该气动管线供给该上腔室，从而可以测量容纳在该上腔室内部的压力。对于下腔室3004，气动Y形连接将外部压力传感器3032连接到气动管线，该气动管线供给该下腔室，从而可以测量容纳在该下腔室内部的压力。

当填充阀3022、3024被激活时，允许一定体积的空气流入相应的腔室，从而增加在该腔室内施加的压力。当倾泄阀3026、3028被激活时，允许一定体积的空气流出相应的腔室，从而降低在该腔室内施加的压力。最后，当所有阀门都处于非作用状态并且气动地构造用于常闭操作时，每个腔室中的当前空气量被锁定，从而可以保持恒定的压力。可以例如由微控制器实现的控制器将激活这些阀，以将压力调节在可接受的压力范围内，以实现期望的净力。如果任一腔室中的压力下降到某个最小阈值以下，则将启动填充阀，以增加该腔室中的压力。以类似的方式，如果压力大于某个最大阈值，则将启动倾泄阀，以降低相应腔室中的压力，直到压力可接受为止。

图26是示出气动汽缸系统3020的操作的一个示例的流程图。测量汽缸的每个腔室3002,3024中的腔室压力3040，并且将每个测量的压力与具有上限阈值和下限阈值的阈值压力极限3042进行比较。如果确定当前压力高于上限阈值3044，则系统打开倾泄阀并关闭填充阀3046。如果确定当前压力低于下限阈值3048，则系统关闭倾泄阀并打开填充阀3050。如果当前压力高于下限阈值并低于上限阈值，则系统关闭倾泄阀并关闭填充阀3052。

图27示出了在歧管块上实施的倾泄和填充系统的一个示例，其可以用于气动汽缸系统3020。倾泄和填充歧管3060包括与汽缸3002的上腔室气动连通的两个阀门3062D、3062F和与汽缸3004的下腔室气动连通的两个阀门3064D、3064F，两个上/下阀门中的一个3062D、3064D是倾泄阀，两个上/下阀门中的另一个3062F、3064F是填充阀。主空气管路(如图27中示出)供给上填充阀和下填充阀3062F、3064F。上倾泄阀3062D连接到上排气口(未示出)，而下倾泄阀3064D连接到下排气口(未示出)。气动控制管线3070连接到上倾泄阀3062D和上填充阀3062F；而气动控制管线3072与下倾泄阀3064D和下填充阀3064F连接。气动控制管线3074连接到上腔室的压力传感器。气动控制线3076连接到下腔室的压力传感器。

对于汽缸3000、232、1534的每个进气口234、1538，空气可以双向行进。当要致动汽缸232、1534中的活塞时，调节两个填充阀3062F、3064F，以将空气添加到其气动连接的腔室中，并且调节两个倾泄阀3062D、3064D，以从其气动连接的腔室释放空气。

图28示出了具有倾泄和填充系统以及气动汽缸系统3020的喷嘴移除系统300的实施方式的一个示例。汽缸232包括用于上腔室3002A的进气口234和用于下腔室3004A的进气口234，其对应于腔室3000的上腔室3002和下腔室3004。用于该实施方式的浮子系统包括上腔室压力传感器3030A和下腔室压力传感器3032A，其对应于气动汽缸系统3020的上腔室压力传感器3030和下腔室压力传感器3032。使用具有阀3072D、3072F、3074D和3074F的倾泄和填充系统操作汽缸232，该系统对应于具有阀3062D、3062F、3064D和3064F的倾泄和填充系统3060。

图29示出了具有倾泄和填充系统以及气动汽缸系统3020的焊嘴更换系统1508的实施方式的一个示例。汽缸1534包括用于上腔室3002B的进气口1538和用于下腔室3004B的进气口1538，其对应于腔室3000的上腔室3002和下腔室3004。这个实施方式的浮子系统包括上腔室压力传感器3030B和下腔室压力传感器3032B，其对应于气动汽缸系统3020的上腔室压力传感器3030和下腔室压力传感器3032。使用具有阀门3082D、3082F、3084D和3084F的倾泄和填充系统来操作汽缸1534，该系统对应于具有阀门3062D、3062F、3064D和3064F的倾泄和填充系统3060。

假设旋转模块所经受的力等于由汽缸施加的力，则这两个组件直接物理连接。图30示出了如何通过使用喷嘴移除系统300中的安装板和螺钉将模块直接安装到活塞杆上。喷嘴移除系统300的中央模块3100表示使用具有孔3104的中央模块安装板3102的汽缸232的汽缸载荷。活塞杆和中央模块安装板3102通过螺钉3106物理连接。

图31示出了如何通过使用焊嘴更换系统1508中的安装板和螺钉将模块直接安装到活塞杆上。焊嘴更换系统1508的中央模块3120使用具有通孔3124的中央模块安装板3122联接到汽缸1534的活塞杆。活塞杆和中央模块安装板3122通过螺钉3126物理连接。

通过以特定方式控制汽缸，可以在由于阀脉冲导致的阀的脉冲宽度调制(PWM)的控制信号的占空比和腔室中包含的压力之间找到关系。在一个示例中，可以通过PWM控制方案来控制汽缸。

在上面的描述中，喷嘴108用于描述焊炬维护中心；然而，气动浮子系统可以与各种类型的喷嘴一起使用。例如，可以使用滑动式，推入配合式或摩擦保持式喷嘴。对于这种类型的喷嘴，不需要旋转运动来移除喷嘴，尽管它可以减少克服所施加的摩擦力所需的力的大小。可以简单地测量移除和/或更换喷嘴所需的力。一旦获得该测量值，就可以将其转换到该力控制系统，即在移除/更换喷嘴的操作期间所期望的力的大小。

对于卡口锁定喷嘴固定，在移除喷嘴时必须实施转动然后拉动顺序。重要的是：在该转动运动期间，控制任何线性或旋转力，使得锁定销/导轨不会发生损坏，而当销穿过导轨时，存在足够大小的每个力来克服摩擦负载。

两个机器共有的是以下的顺序，该顺序不仅被实施用于紧固/松开喷嘴移除系统300中的喷嘴和焊炬之间的螺纹连接，而且还用于紧固/松开焊嘴更换系统1508中的接触嘴与接触嘴所固定的配合螺纹(通常是保持头)之间的螺纹连接。在这些机器的移除/更换顺序期间，重要的是最小化在螺纹连接物体之间施加的力，使得它们不会在不期望的状态下自锁。通过在这些顺序中以最小的力使旋转模块“浮动”，由于模块的旋转运动产生的螺旋动作，模块可以自由地线性移动。当两个物体接触时最小化施加的力以最小化错扣的风险也是至关重要的。

在示例性实施方式中，浮子系统被构造用以确保汽缸可以移动的位置精度。模块的线性位置读数可以用模拟线性电位计来获得，该模拟线性电位计也表示汽缸活塞沿其行程的位置。由于改变模块移动的力改变了其移动的加速度，因此可以实现一些简单的速度控制，这允许增加或减小模块的线性运动速率，尤其是在模块的位置是关键的点附近。例如，在喷嘴移除系统300中，在抓住喷嘴时实施位置控制。特别是，如果喷嘴是瓶颈形式，则喷嘴在该喷嘴的锥形端部上方被充分地抓住，使得它能够被牢固地并且同心地夹紧。在焊嘴更换系统1508中，在用过的接触嘴被处理之后实施位置控制，并且新的嘴将被旋转模块抓住。气动夹持器安装在另一个汽缸上，该汽缸用作将新的嘴从分配嘴的位置到由旋转模块拾取嘴的位置往返的往返装置。嘴在精确的位置上被抓住，该位置适合于嘴的长度，嘴的物理形状，并且适合于驱动旋转模块的汽缸的行进长度。如果在拾取新的嘴时模块移动得太高，则它可能与嘴往返夹持器碰撞，或者它可能无法移动得足够高以接触保持头的配合螺纹。如果模块在拾取嘴时移动得不够远，则它可能会错误地抓住嘴或根本不会抓住嘴，从而产生其他问题。本文中描述的系统被构造用以避免前述不期望的情况。还可以实施机械硬止档，以避免前述不期望的情况。

可以通过使处理器，数字信号处理器(DSP)，专用集成电路(ASIC)或处理器的部件来操作图1-31的系统以执行计算机程序或提供功能，实现了本公开的任何处理。在这种情况下，可以使用任何类型的非暂时性计算机可读介质将计算机程序产品提供给计算机或移动装置。计算机程序产品可以存储在计算机或网络装置中的非暂时性计算机可读介质中。非暂时性计算机可读介质包括任何类型的有形存储介质。非暂时性计算机可读介质的示例包括磁存储介质(诸如磁带、硬盘驱动器、闪存等)，光磁存储介质(例如，磁光盘)，光盘只读存储器(CD-ROM)，可记录光盘(CD-R)，可擦写光盘(CD-R/W)，数字通用光盘(DVD)，蓝光(注册商标)盘(BD)和半导体存储器(诸如掩模ROM、可编程ROM(PROM)、可擦除PROM、闪存ROM和RAM)。还可以使用任何类型的暂时性计算机可读介质将计算机程序产品提供给计算机或网络装置。本文中使用的术语“配置用来(执行任务)”包括可编程，编程，可连接，有线或以其他方式构造，以具有在如本文中所述的那样布置或安装时执行任务的能力。

虽然已经在本公开中提供了一个或多个实施例，但是可以理解的是，在不脱离本公开的范围的情况下，所公开的系统和方法可以以许多其他具体形式实施。目前的示例被认为是说明性的而非限制性的，并且意图不限于本文中给出的细节。例如，各种元件或部件可以组合或集成在另一系统中，或者可以省略或不实施某些特征。在不脱离如权利要求书中所限定的本发明的范围的情况下，可以进行许多变化和修改。

Claims (34)

1.一种用于维修焊炬的系统，所述系统包括：

夹持模块，用于保持和释放所述焊炬的部件，所述夹持模块能够沿所述夹持模块的轴线移动并能够绕所述夹持模块的所述轴线旋转；和

提升系统，所述提升系统包括：

轨道；

用于沿着所述夹持模块的所述轴线产生所述夹持模块的运动的双作用汽缸，所述汽缸具有第一腔室和第二腔室；

能沿所述轨道移动并且承载所述夹持模块的托架，所述汽缸能操作地联接到所述托架，和

控制系统，用于通过使用预定的阈值控制由作用在所述汽缸上的向上的力和向下的力所定义的净力，所述净力与所述夹持模块的操作相关，由此在移除或更换所述部件时在所述夹持模块的运动中提供自由度，以控制施加在所述焊炬的配合部件之间的力。

2.根据权利要求1所述的系统，其中所述控制系统被构造用来以闭环方式或开环方式执行力控制和/或位置控制。

3.根据权利要求1所述的系统，其中所述控制系统包括以下中的至少一者：

用于沿着所述夹持模块的所述轴线产生所述夹持模块的运动的模块，所述运动独立于所述夹持模块的旋转运动；

浮子系统；

用于监控所述夹持模块的所述运动的监视器；和

用于调节所述夹持模块的所述运动的调节器。

4.根据权利要求1所述的系统，其中所述控制系统被构造用来控制汽缸，以沿着所述夹持模块的所述轴线产生所述夹持模块的运动。

5.根据权利要求4所述的系统，其中所述控制系统包括：

用于测量所述汽缸内的空气压力或空气量以操作所述汽缸的监视器。

6.根据权利要求5所述的系统，其中所述控制系统包括：

倾泄和填充系统，被配置为基于所述监视器的输出来控制所述第一腔室和所述第二腔室中各每个腔室的空气压力或空气量。

7.根据权利要求6所述的系统，其中所述倾泄和填充系统包括：

分配给所述第一腔室的第一填充阀和第一倾泄阀；和

分配给所述第二腔室的第二填充阀和第二倾泄阀，并且

其中所述控制系统被配置为激活所述倾泄和填充系统的这些阀以调节所述汽缸中的压力从而达到所需的净力。

8.根据权利要求4所述的系统，其中所述控制系统被构造用来使用所述汽缸执行力控制或位置控制。

9.根据权利要求8所述的系统，其中用于维修所述焊炬的所述系统被构造用来使用所述力控制将所述夹持模块的位置移动到第一位置或使用所述位置控制而使得力的大小达到第一值。

10.根据权利要求4所述的系统，其中所述控制系统包括用于测量所述汽缸中的空气压力或空气量或测量所述汽缸中的活塞的位置的监测器。

11.根据权利要求4所述的系统，其中所述控制系统被构造用来调节所述汽缸中的空气压力或空气量或调节所述汽缸中的活塞的位置。

12.根据权利要求4所述的系统，其中所述控制系统包括：

第一模块，用于监测和/或调节所述汽缸的所述第一腔室中的空气压力或空气量；和

第二模块，用于监测和/或调节所述汽缸的所述第二腔室中的空气压力或空气量。

13.根据权利要求12所述的系统，其中所述控制系统包括：

第一倾泄和填充系统，用于控制所述第一腔室中的空气的压力或量，和

第二倾泄和填充系统，用于控制所述第二腔室中的空气的压力或量。

14.根据权利要求12所述的系统，其中所述控制系统包括用于分别操作所述第一模块和所述第二模块的装置。

15.根据权利要求1所述的系统，其中所述控制系统被构造用来补偿两个配合部件的线性运动与两个配合部件的旋转运动之间的不匹配。

16.根据权利要求1所述的系统，其中所述夹持模块被构造用来从所述焊炬移除喷嘴或更换所述喷嘴。

17.根据权利要求1所述的系统，其中所述夹持模块被构造用来从所述焊炬移除焊嘴或者用另一个焊嘴替换所述焊嘴。

18.根据权利要求1所述的系统，还包括：

用于存放新焊嘴或更换焊嘴的焊嘴库。

19.根据权利要求1所述的系统，还包括：

用于输送焊嘴的焊嘴往返装置。

20.根据权利要求1所述的系统，还包括：

焊嘴及保持头清洁模块，用于清洁所述焊炬的焊嘴和/或保持头。

21.根据权利要求3所述的系统，其中所述浮子系统包括气动控制装置、电子控制装置、和/或机械控制装置。

22.根据权利要求4所述的系统，其中所述控制系统被构造用来控制分配给所述汽缸的阀系统。

23.根据权利要求1所述的系统，其中所述控制系统还被配置为控制所述净力，由此在移除或更换所述部件时减小施加在所述焊炬的配合部件之间的力。

24.一种维修焊炬的方法，使用如权利要求1所限定的具有夹持模块和提升系统的所述系统，所述方法包括：

通过使用沿着夹持模块的轴线的运动和围绕所述夹持模块的所述轴线的旋转运动来操作所述夹持模块，使得所述夹持模块保持和释放所述焊炬的部件；和

通过使用所述提升系统来执行所述夹持模块的运动控制，以在所述夹持模块的运动中提供自由度，从而在移除或更换所述部件时控制施加在所述焊炬的配合部件之间的力。

25.根据权利要求24所述的方法，其中包括：

执行所述夹持模块的运动控制，以在移除或更换所述部件时减小施加在所述焊炬的配合部件之间的力。

26.根据权利要求24所述的方法，其中执行所述夹持模块的运动控制包括以下中的至少一者：

以闭环方式或开环方式执行力控制和/或位置控制；

独立于所述夹持模块的旋转运动，产生所述夹持模块沿所述夹持模块的轴线的运动；

监测所述夹持模块的运动；和

调节所述夹持模块的运动。

27.根据权利要求24所述的方法，其中执行所述夹持模块的运动控制包括：

测量所述汽缸中的空气压力和空气量。

28.根据权利要求27所述的方法，其中执行所述夹持模块的运动控制包括：

基于空气压力或空气量的测量值的输出，控制所述汽缸的所述第一腔室和所述第二腔室中的每个腔室的空气压力或空气量。

29.根据权利要求28所述的方法，其中所述系统包括：

分配给所述第一腔室的第一填充阀和第一倾泄阀；和

分配给所述第二腔室的第二填充阀和第二倾泄阀，并且

其中执行所述夹持模块的运动控制包括：

激活这些阀以调节所述汽缸中的压力从而达到作用在所述汽缸上所需的净力。

30.根据权利要求24所述的方法，其中执行所述夹持模块的运动控制包括：

控制所述汽缸，以沿着所述夹持模块的所述轴线产生所述夹持模块的运动。

31.根据权利要求30所述的方法，其中执行所述夹持模块的运动控制包括：

监测所述汽缸中的空气压力或空气量，或监测所述汽缸中的活塞的位置。

32.根据权利要求30所述的方法，其中执行所述夹持模块的运动控制包括：

调节所述汽缸中的空气压力或空气量，或调节所述汽缸中的活塞的位置。

33.根据权利要求30所述的方法，其中执行所述夹持模块的运动控制包括：

将测量的当前压力与具有上限阈值和下限阈值的阈值压力极限进行比较；和

基于所述比较，操作所述汽缸。

34.根据权利要求33所述的方法，其中所述汽缸包括第一腔室和第二腔室，每个腔室具有倾泄阀和填充阀，其中执行所述夹持模块的运动控制包括：在每个腔室中，

响应于确定当前压力高于上限阈值，打开所述倾泄阀并关闭所述填充阀；

响应于确定当前压力低于下限阈值，关闭所述倾泄阀并打开所述填充阀；和

响应于确定当前压力高于下限阈值并且低于上限阈值，关闭所述倾泄阀和所述填充阀。

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