CN110385512B - 焊接监视和控制系统及焊接监视和控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了焊接监视和控制系统及焊接监视和控制方法。一些例子包括接收基于在焊接操作期间通过多根光纤接收到的相应光信号的光信号信息。例如，多根光纤可以定位成在焊接操作期间从焊接区域接收电磁辐射。计算设备可以将对应于光纤中的第一光纤的光信号信息与对应于光纤中的第二光纤的光信号信息进行比较。至少部分地基于该比较，计算设备可以确定焊缝几何结构和焊接电弧中的至少一个是否不合规定。计算设备可以基于确定焊缝几何结构和焊接电弧中的至少一个是不合规定的来执行至少一个动作。

Description

焊接监视和控制系统及焊接监视和控制方法

技术领域

本发明涉及焊接监视和控制系统及焊接监视和控制方法。

背景技术

钨极惰性气体(TIG)焊接也称为气体钨极电弧焊(GTAW)，是一种使用非自耗的钨焊接电极来形成焊缝的电弧焊接工艺。通过惰性保护气体(例如，氩气、氦气、二氧化碳)保护焊接区域和焊接电极免受氧化或其他大气污染，并且可以使用填充金属，但是某些类型的焊接(称为气焊)不使用填充材料。恒流焊接电源可以通过高度电离的气体和金属蒸汽提供在焊接电极和工件之间的电弧上传导的电能。

TIG/GTAW广泛用于许多工业领域，并且有利于与机器人焊接系统一起使用。但是，焊接缺陷可能会影响这种焊接技术的实用性。焊接缺陷和其他不合规定的方面(irregularity)可以分为几个不同的类别，例如几何缺陷、内部缺陷、性质缺陷等。例如，内部缺陷可包括缺乏熔合、缺乏穿透、内部孔隙、内部裂缝等。几何缺陷可包括不正确的焊道几何结构，例如焊道尺寸、焊道形状和/或焊道位置。性能缺陷可包括不相容的材料、非金属夹杂物等。诸如上面所述的缺陷可能直接导致有缺陷的最终产品和相应的收入损失。例如，这样的有缺陷的产品可能具有低于预期的焊接强度、短于预期的使用寿命和/或在美学上客户无法接受的不合规定或偏移的焊接位置。

发明内容

一些实施方式包括监视焊接操作的装置和技术，并且一些实施方式还可以包括基于监视来控制焊接操作，例如，在执行焊接时。作为一个例子，计算设备可以接收基于在焊接操作期间通过多根光纤接收的各个光信号的光信号信息。例如，多根光纤可以定位成在焊接操作期间从焊接区域接收电磁辐射。计算设备可以将对应于光纤中的第一光纤的光信号信息与对应于光纤中的第二光纤的光信号信息进行比较。至少部分地基于该比较，计算设备可以确定焊缝几何结构和焊接电弧中的至少一个是否不合规定。计算设备可以基于确定焊缝几何结构和焊接电弧中的至少一个是不合规定的来执行至少一个动作。

附图说明

参照附图阐述具体实施方式。在附图中，附图标记的最左边的一个或多个数字表示首次出现该附图标记的图。在不同图中使用相同的附图标记表示类似或相同的项目或特征。

图1示出了根据一些实施方式的示例焊接系统。

图2是示出根据一些实施方式的示例过程的流程图。

图3是示出根据一些实施方式的示例过程的流程图。

图4A至图4D示出了根据一些实施方式的示例光纤放置位置。

图5A至图5D示出了根据一些实施方式的示例光纤放置位置。

图6A至图6D示出了根据一些实施方式的示例光纤放置位置。

图7示出了根据一些实施方式的强度与波长的示例曲线图。

图8示出了根据一些实施方式的辐射能与波长的示例曲线图。

图9A至图9D示出了根据一些实施方式的示例焊缝几何结构。

图10A至图10B示出了根据一些实施方式的焊缝几何结构监视的例子。

图11A至图11B示出了根据一些实施方式的监视电弧偏吹的例子。

图12是示出根据一些实施方式的示例过程的流程图。

图13是示出根据一些实施方式的示例过程的流程图。

图14A至图14B示出了根据一些实施方式的根据不同光信号确定信号强度的例子。

图15A至图15B示出了根据一些实施方式的根据不同光信号确定平均信号强度的例子。

具体实施方式

本文的技术包括用于自动焊接的新型的装置和技术，其可包括在焊接期间检测焊接不合规定的方面。一些实施方式还可以包括：基于检测焊接不合规定的方面，在焊接期间或焊接之后调整一个或多个焊接参数、向操作者发送通知和/或执行修复动作。在一些例子中，可以在焊接工具上安装多根光纤，以在焊接期间从焊接区域接收电磁辐射。光纤可以提供光信号以便能够实时监视焊接，从而在焊接期间检测焊接不合规定的方面。本文的系统能够检测不合规定的方面，例如焊接电弧不合规定的方面和/或焊缝几何结构不合规定的方面，并在焊接过程期间或之后调整焊接参数。因此，本文的例子提供了在形成焊缝时检查每个焊缝。

在一些实施方式中，本文的系统可包括安装在焊接工具上或以其他方式与焊接工具相关联的多根光纤。例如，光纤可以安装在焊接工具夹头中或其上、安装在焊接工具壳体或喷嘴中或其上、和/或安装在焊接电极上。喷嘴可以是锥形的，并且光纤中的一根或多根安装在喷嘴内部或喷嘴的外部中的至少一个位置处的喷嘴的锥形部分上。光纤可以从焊接电弧和焊池和/或焊道接收可见光和不可见光(电磁辐射)。可以分析所接收到的光以实时监视和比较通过不同位置处的光纤接收到的光信号。可以处理通过不同位置处的光纤接收到的光信号，使得可以根据光信号确定焊缝几何结构，例如尺寸、形状和位置。接收到的光学数据可以被记录下来和/或立即发送给操作者以进行诸如参数调整或焊缝修复的动作。另外，自适应控制器可用来自动调整焊接参数和/或自动修复不合规定的焊缝。因此，本文的例子可以改善焊缝和焊接产品的可靠性，减少缺陷产品的数量，并节省先前在焊接完成之后检查和修复所需的时间。

本文的技术通过监视焊接电弧和焊道形成能够对所有焊缝进行实时焊接监视。一些例子可以包括执行焊接工具和/或电弧的自动调整，和/或可以包括在必要时执行焊缝的自动修复。在焊接期间，安装的光纤接收从焊接电弧和熔池发射的光信号(例如，电磁辐射发射)，例如在圆形焊道形状的情况下使用三根光纤，或者例如在椭圆形焊缝形状的情况下使用四根光纤。光纤可以在围绕焊接工具定位的多个可能的安装位置中的任何一个安装位置处附接至焊接工具。本文的系统能够通过比较从多个不同位置接收到的光信号而在焊接过程中实时预测焊缝的几何属性，例如尺寸、形状和位置。

在一些情况下，焊道几何结构可以指示焊接性能，并且可以在涉及在组装期间广泛使用自动电弧焊接的产品的情况下用于确保适当形成的焊缝。在一些例子中，本文的三根、四根或更多根光纤可以围绕电弧焊工具的保护气体喷嘴对称地(或者在其他例子中不规则地)分布，以从不同的位置/视角接收光谱。例如，可以测量和比较通过这些传感器接收的红外信号的强度，以确定熔池几何结构，这可能指示焊缝不合规定的方面。此外，可以测量和比较通过传感器接收的紫外和/或可见信号的发射强度，以确定任何异常的电弧情况，例如电弧偏吹，这可能导致歪斜的焊缝、不适当形状的焊缝或焊缝其他不合规定的方面。

所接收的光信号信息和比较结果可以被记录下来并存储于焊接数据日志中。另外，结果可以立即提供给操作人员或自动的焊机控制器以立即采取行动，例如当检测到焊接不合规定的方面时。自适应控制算法可以用来当检测到不合规定的方面时改变一个或多个焊接参数，以减少或消除另外的不合规定的方面和/或对检测到的不合规定的焊缝执行修复动作。因此，本文的实施方式提供了对焊接性能的改进控制、对不合规定的方面的更快应对意识、自动减少进一步的不合规定的方面的能力以及自动修复检测到的不合规定的方面的能力。

出于讨论目的，在自动TIG(GTAW)焊接环境中描述了一些示例实施方式。然而，本文的实施方式不限于所提供的特定例子，而可以扩展到鉴于本文的公开内容对于本领域技术人员来说将是显而易见的其他制造环境、其他应用、其他焊接工具配置和其他类型的焊接。例如，本文的一些例子可以涉及可以由工业机器人或其他自动的焊接机器组装的产品的TIG焊接。然而，本文的实施方式可以扩展到其他电弧焊接技术，例如手动TIG焊接、半自动TIG焊接以及其他的自动和非自动的焊接类型，例如手动、半自动或全自动的气体金属电弧焊接、激光焊接、搅拌摩擦焊接、等离子焊接等。因此，本文的实施方式不限于TIG焊接。

图1示出了根据一些实施方式的示例焊接系统100。在该例子中，焊接工具102包括位于管状主体106的一个端部的喷嘴104。喷嘴104包括喷嘴开口108，焊接电极110可以延伸穿过该喷嘴开口108。在焊接期间，诸如氩气、氦气、二氧化碳、它们的混合物的惰性气体或其他气体可从喷嘴开口108向外排出，以围绕进行焊接的焊接区域114产生气体保护罩112。气体保护罩112有助于防止焊缝的氧化或其他污染。

在焊接期间，可以使用高频发生器(图1中没有示出)在焊接电极110和工件118之间产生电弧120。通常，发生器可以提供恒定电流来产生电弧120，同时在焊接电极和工件118的表面之间保持间隔。在该例子中，工件118包括彼此靠近放置以进行对接焊接操作的第一工件部分122和第二工件部分124。然而，在其他例子中，可以根据本文的例子执行任何其他类型的焊接，例如搭接接头焊接、角接接头焊接、T形接头焊接、边缘接头焊接、环形接头焊接等。因此，本文的例子不限于任何特定类型的焊接、工件材料、工件构造等。

电弧120使工件118的金属熔化以形成熔池126。熔池126的尺寸可至少部分地取决于焊接电极110的尺寸、电流量和焊接电极110与工件118表面的间隔量。在一些例子中，可以在没有填充材料的情况下使用非自耗的钨电极作为焊接电极110(如所示)，或者在其他例子可以在有填充材料的情况下使用非自耗的钨电极作为焊接电极110。此外，在其他例子中，可以使用自耗电极。

在所示的例子中，焊接电极110通过夹头130支撑在壳体106内的适当位置。多根光纤132在围绕焊接电极110的位置处安装在夹头130上或夹头130内。在该例子中，有四根光纤132，其中三根光纤132是可见的，第四根光纤位于焊接电极110的相对侧，因此通过焊接电极110遮蔽得看不见。光纤132各自包括面向焊接区域114的接收端134。

焊接区域114包括熔池126(和/或形成时的焊道)以及活化时的电弧120。例如，来自焊接区域114的电磁辐射，包括来自焊池126(和形成时的焊道)和电弧120的辐射发射，可以进入每根光纤132的接收端134，并且可以作为光信号136通过光纤132传输至光信号接收装置140。在一些例子中，光纤132从焊接区域114接收的电磁辐射可以包括紫外(UV)电磁辐射、可见光和红外(IR)电磁辐射。

在一些例子中，光信号接收装置140可以包括多个光谱仪(图1中没有示出)，光谱仪从光纤132接收光信号136并将光信号136转换成对应于光信号信息142的数字数据。在其他例子中，光信号接收装置140可包括多个分束器、多个物理滤光器和多个光传感器，例如红外传感器和可见光和/或紫外线传感器(图1中没有示出)。传感器可以将接收到的光转换成对应于光信号信息142的数字数据。光信号接收装置包括以下中的至少一个：用于从多根光纤中的各个光纤接收相应的光信号的多个光谱仪，该多个光谱仪被配置为从相应的光信号产生光信号信息并将光信号信息提供给计算设备；或者多个分束器，其连接至多根光纤，以从多根光纤中的各个光纤接收相应的光信号，并将光信号提供给与相应的电磁辐射传感器相关联的一个或多个电磁辐射过滤器，该相应的电磁辐射传感器被配置为从相应的光信号产生光信号信息并将光信号信息提供给计算设备。下面参照图2和图3讨论关于光信号接收装置140的另外的细节。此外，虽然本文讨论了光信号接收装置140的两个例子，但是受益于本文的公开内容的本领域技术人员将清楚各种其他可能的装置配置。

光信号信息142由监视计算设备150接收。在一些例子中，监视计算设备150可以经由直接的有线连接或光学连接直接连接至光信号接收装置140。在其他例子中，光信号接收装置140可以包括一个或多个通信接口(图1中没有示出)，其使监视计算设备150能够通过诸如局域网(LAN)、广域网(WAN)等一个或多个网络通过有线、无线、它们的组合或经由直接的无线电传输或其他类型的直接传输方式接收光信号信息142。

监视计算设备150可以是任何合适类型的计算设备，例如便携式、半便携式、半固定式或固定式的计算设备。监视计算设备150的一些例子可以包括：平板计算设备；智能手机和移动通信设备；笔记本电脑、上网本和其他便携式计算机或半便携式计算机；台式计算设备、服务器计算设备和其他半固定式或固定式计算设备以及能够根据本文描述的技术发送和接收通信并执行功能的各种其他计算设备。

在所示的例子中，监视计算设备150包括至少一个处理器152、一个或多个计算机可读介质154、一个或多个通信接口156以及一个或多个输入/输出(I/O)设备158。每个处理器152本身可以包括一个或多个处理器或处理核。例如，处理器152可以作为一个或多个微处理器、微计算机、微控制器、数字信号处理器、中央处理单元、状态机、逻辑电路和/或基于操作指令操纵信号的任何设备实现。在一些情况下，处理器152可以是一个或多个硬件处理器和/或任何合适类型的逻辑电路，它们被具体编程或以其他方式配置成执行本文所述的算法和过程。处理器152可以被配置为获取并执行存储在计算机可读介质154中的计算机可读处理器可执行指令。

根据监视计算设备150的配置，计算机可读介质154可以是有形的非暂时性计算机存储介质的例子，并且可以包括以任何类型的技术实现的、用于存储诸如计算机可读处理器可执行指令、数据结构、程序模块或其他数据的信息的易失性和非易失性存储器和/或可移动和不可移动的介质。计算机可读介质154可以包括但不限于RAM、ROM、EEPROM、闪速存储器、固态存储器、磁盘存储器、光存储器和/或其他计算机可读介质技术。此外，在一些情况下，监视计算设备150可以访问外部存储器，例如RAID存储系统、存储阵列、网络连接存储器、存储区域网络、云存储器或者可以用于存储信息并且可以被处理器152直接或通过另一个计算设备或网络访问的任何其他介质。因此，计算机可读介质154可以是能够存储可以由处理器152执行的指令、模块或组件的计算机存储介质。此外，在提及时，非暂时性计算机可读介质排除诸如能量、载波信号、电磁波和信号本身等介质。

计算机可读介质154可用于存储和保持可由处理器152执行的任何数量的功能组件。在一些实施方式中，这些功能组件包括指令或程序，该指令或程序可由处理器152执行并且在被执行时，实现用于执行上面认为是监视计算设备150造成的动作和服务的操作逻辑。存储在计算机可读介质154中的监视计算设备150的功能组件可以包括监视程序160。在该例子中，监视程序160可以接收光信号信息142并且可以对从安装在焊接工具102上的三根或更多根光纤132接收到的光信号信息执行分析。例如，如下面另外讨论的，监视程序160可以确定红外信号强度和通过光纤接收到的至少三个光信号中的任何两个信号之间的差异，以确定任何熔池几何结构不合规定的方面。

另外，监视程序160可以根据通过光纤接收到的三个或更多个光信号确定所接收到的紫外光和/或可见光的发射强度，以确定焊接电弧是正常的还是不合规定的。另外，监视程序160可以生成一个或多个焊接日志数据结构(DS)162，其可以包括接收到的光信号信息142和根据接收到的光信号确定的焊接信息，例如焊接是正常的还是不合规定的。监视程序160可以将焊接日志数据结构162存储在计算机可读介质154中和/或可以通过一个或多个网络(图1中没有示出)将信息从焊接日志数据结构162发送到另一个计算设备。

另外，计算机可读介质154还可以存储由功能组件使用的数据、数据结构等。例如，由计算机可读介质154存储的数据可以包括焊接日志数据结构162。另外，监视计算设备150可以存储或可以访问接受范围数据结构(DS)164，该接受范围数据结构可以包括凭经验确定的由每根光纤132监视的每个焊接部分的光信号信息的接受范围。例如，可以预先确定焊接的每个阶段期间的信号强度的接受范围并将其存储在接受范围数据结构164中。在一些例子中，监视程序160可以访问接受范围数据结构164，以确定测得的当前焊接的信号强度是否落入接受范围数据结构164中的接受范围内。

根据监视计算设备150的类型，计算机可读介质154还可以可选地包括其他功能组件和数据，它们可以包括其他程序、驱动器等以及由其他功能组件使用或生成的数据。此外，监视计算设备150可以包括许多其他逻辑组件、编程组件和物理组件，其中所描述的组件仅仅是与本文的讨论相关的例子。

一个或多个通信接口156可以包括一个或多个接口和硬件组件，以能够与各种其他设备例如通过一个或多个网络或直接地通信。例如，一个或多个通信接口156可以实现通过因特网、有线网络、蜂窝网络、无线网络(例如，Wi-Fi)和有线网络(例如，以太网或光纤)进行的通信以及例如

低能耗等的近距离通信。

监视计算设备150还可以包括一个或多个I/O设备158。I/O设备158可以包括扬声器、显示器、麦克风、摄像机和各种用户控件(例如，按钮、操纵杆、键盘、小键盘等)、触觉输出设备等。例如，在检测到不合规定的焊缝的情况下，可以使用显示器和扬声器中的至少一个向焊机控制器170的操作者168提供通知。

焊机控制器170可包括一个或多个处理器172、计算机可读介质174、一个或多个通信接口176以及一个或多个I/O设备178。在本文的一些例子中，一个或多个处理器172可包括在任何上述处理器152，计算机可读介质174可以包括任何上述计算机可读介质154，通信接口176可以包括任何上述通信接口156，并且I/O设备178可以包括任何上述I/O设备158。焊机控制器处理器172可以执行控制软件180，控制软件180可以用于控制焊接工具102对工件118执行的焊接过程。例如，由焊机控制器170执行的控制软件180可以向电弧控制器184和/或向一个或多个位置致动器186发送一个或多个控制信号182。例如，电弧控制器184可以控制提供给焊接电极110的电流量，以控制电弧120的强度。

另外，一个或多个位置致动器186可以控制焊接工具102相对于工件118的位置，反之亦然。例如，位置致动器可以使焊接工具102和/或工件118朝向彼此或远离彼此移动，可以控制焊接工具相对于工件118的角度，可以控制焊接工具102和/或工件118的移动等。作为一个例子，位置致动器186可以是用于对工件118上的一个或多个位置施加一个或多个焊缝的机械机构的一部分。然而，本文的实施方式不限于任何特定类型的机构：焊接工具相对于工件118的位置。此外，在其他例子中，可以不包括一个或多个位置致动器186，并且焊接工具102可以通过手动等方式定位。

在一些例子中，焊机控制器170和监视计算设备150可以是相同的计算设备和/或可以包括相同的软件和其他功能组件中的至少一些。例如，监视计算设备150可以执行控制软件180并且可以将控制信号182直接发送到电弧控制器184和/或位置致动器186。在其他例子中，焊机控制器170可以执行监视程序160以接收光信号信息142，确定光信号分析的结果并检测焊缝几何结构和/或电弧120的任何异常。因此，在本文的一些例子，可以消除焊机控制器170和监视计算设备150中的一个。对于受益于本文的公开内容的本领域技术人员而言，许多其他可能的系统配置将是显而易见的。

在所示的例子中，四根光纤围绕焊接电极110均匀地分布，用于在加工过程中监视和控制对工件118执行的焊接过程。如上所述，在其他例子中，可以根据期望的焊缝几何结构使用三根光纤，而在其他情况下，如下面另外讨论的，可以在焊接工具102上的不同位置使用多于四根光纤，例如五根、六根、八根、十根等。本文的一些实施方式通过参考和比较从特定位置处的多根光纤收集的光信号来确定焊道(例如，点焊)几何结构，该多根光纤可以围绕焊接电极110均匀地分布，例如通过嵌入夹头30中。例如，在所示的例子中，夹头130可以刺穿有多个通孔以接收和支撑光纤132。

在所示的例子中，如下面另外讨论的，光纤132围绕焊接电极110对称地设置成圆形图案(例如，基于围绕电极110的中心的径向对称)。此外，除了提供用于防止焊缝氧化的保护功能之外，穿过喷嘴104的保护气体112还可以用作光纤132的冷却介质。在一些情况下，可以提供额外的冷却介质，或者可以将保护气体本身冷却至比常规电弧焊接应用中使用的温度更低的温度。

如上所述，光纤接收端134可以接收从电弧120和焊接区域114发射的光，并且光纤可以将接收到的光作为光信号136传输。光信号接收装置140从光纤132接收光信号136，并将光信号信息142提供给监视计算设备150。如下面关于图2和图3另外详细讨论的那样，监视计算设备150分析光信号信息142。基于分析结果，如果检测到焊缝不合规定的方面，则监视程序160可以发送控制信号190和通知192中的至少一个。例如。控制信号190可以使焊机控制器170上的控制软件180向电弧控制器184和位置致动器186中的至少一个发送控制信号182。附加地或替代地，监视程序160可以向操作者168发送和/或以其他方式提供通知192，操作者168可以执行手动动作以解决由监视程序160检测到的焊接不合规定的方面。

本文的系统100在焊接过程期间获取并分析光信号，并使用所获取的光信号来识别任何焊缝不合规定的方面。在一些例子中，可以为每根光纤单独设置接受的信号强度范围，例如基于期望形成的焊缝的类型和几何结构。接受的范围可以存储在接受范围数据结构164中，该接受范围数据结构164可以在分析接收到的光信号期间被访问，以针对每根光纤比较接收到的光信号与设定的接受范围。另外，可以为信号强度差异设置接受范围，以比较安装在焊接工具上的一组光学传感器中的每两个光学传感器之间的光信号差异。

当比较结果在上述接受范围之外时，可以确定不合规定的焊缝。通过采用这种不合规定方面的判断算法，可以向操作者提供正常或不合规定(或通过/失败)的确定结果，并且可以将接收到的光学数据与分析结果一起记录在数据日志数据结构162或其他数据库等中。在一些例子中，例如在焊缝不合规定的方面是可固定的情况下，操作者可以对焊缝不合规定的方面进行手动修复。替代地，在一些例子中，焊机控制器170可以自动操作位置致动器186和/或电弧控制器184以修复不合规定的焊缝。

在其他情况下，例如当焊接不合规定的方面不能被修复时，焊机控制器170仍然可以发送一个或多个控制信号182以调整焊接工具102的设置(例如，位置和/或电弧强度)，以避免后续焊缝的焊缝不合规定的方面。在一些例子中，除了正常/不合规定(或通过/失败)的判断标准之外，还可以采用更严格的标准，以在焊缝以不合规定的方式完全形成之前能够早期纠正不合规定的方面。例如，焊机控制器170可以在检测到电弧偏吹等时立即发送控制信号182，以试图在焊接过程中实时适应检测到的不合规定的方面，例如通过使焊接工具102的位置变化、改变工件位置、调整电弧强度等。纠正措施基于用户的成功经验。

此外，根据正在制造的产品及制造工艺，焊接工具配置和焊接配置可以变化。此外，变化后的焊接配置、所需的焊接接头形状和几何结构可能会发生变化。通过修改各根光纤在焊接工具102上的设置并且通过为辐射的UV和可见光强度以及测量的辐射IR能量分配适当的接受范围，本文的监视系统能够应用于多种类型的焊缝，例如搭接接头、角接接头、T形接头、边缘接头、环形接头等。因此，本文的实施方式不限于任何特定的焊接配置或工件配置。

因此，本文的系统100能够利用从多根相应的光纤获得的多个光信号以从多个不同视角接收来自焊接位置(例如，熔池位置)的光。接收光信号并将它们相互比较并与参考信号参数进行比较，以确定焊缝是适当形成还是不合规定。因此，本文的系统能够在焊接发生时实时监视焊缝几何结构和焊接电弧，并且还可以基于监视来发送控制信号，例如以便在检测到不合规定的方面的情况下在焊接期间采取纠正动作。

图2和图3是示出根据一些实施方式的示例过程的流程图。这些过程作为逻辑流程图中的块集合示出，它们表示一系列操作，其中的一些或全部可以用硬件、软件或它们的组合来实现。在软件的情况下，块可以表示存储在一个或多个计算机可读介质上的计算机可执行指令，当这些指令通过一个或多个处理器执行时，这些指令对所述处理器进行编程以执行所述的操作。通常，计算机可执行指令包括执行特定功能或实现特定数据类型的例程、程序、对象、组件、数据结构等。描述块的顺序不应被解释为限制。可以以任何顺序和/或并行地组合任何数量的所述块以实现该过程或替代过程，并且不需要执行所有块。出于讨论的目的，参照本文的例子中描述的环境、系统和装置来描述过程，但是这些过程可以在各种其他环境、系统和装置中实现。

图2是示出根据一些实施方式的示例过程200的流程图。在一些例子中，过程200可以是算法，该算法部分地由光信号接收装置140执行、部分地由计算设备150执行和部分地由焊机控制器170执行，以使用在自动焊接期间从多根光纤接收的光信号监视和控制焊接电弧和焊缝几何结构，例如点焊。

如上所述，本文的实施方式可以比较通过多根光纤接收的多个光信号，以在焊接期间检测指示焊缝几何结构(例如，焊缝的尺寸或形状)的不合规定的方面和任何焊接电弧不合规定的方面(例如，电弧偏吹)的差异。因此，不是依赖于焊池或焊道的图像等，本文的实施方式比较从围绕焊接区域的多个不同位置获取的获取到的光信号强度，以确定焊缝几何结构和电弧配置，从而检测任何不合规定的方面。此外，在本文的例子中，光纤可以灵活地定位在焊接工具上的各个位置，以便允许用于不同焊接工具支撑结构、不同类型的组装操作等的最佳安装位置，并且至少部分地根据预期的焊缝几何结构，可以围绕电极均匀地分布或者可以不规则地分布。

在202处，焊机控制器170可以执行焊接过程。例如，焊机控制器170可以在工件上启动焊接过程或者可以在工件上继续焊接过程。

在204处，光信号接收装置140可以从光纤获取信号。例如，在焊接期间，光纤可以接收由电弧和焊接区域发射的紫外光、可见光和红外光波长的电磁辐射，并且可以沿光纤将这些波长传输到光信号接收装置140。因此，在该例子中，如图1的例子中那样，假设存在四根光纤，因此，光信号接收装置140可以获取第一光信号136(1)、第二光信号136(2)、第三光信号136(3)和第四光信号136(4)。

在206处，光信号接收装置140可以使用光信号接收装置140中包括的一个或多个光谱仪203来数字化来自光纤的光信号。在该例子中，假设存在对应于每个接收到的光信号136的光谱仪203，例如第一光谱仪203(1)、第二光谱仪203(2)、第三光谱仪203(3)和第四光谱仪203(4)，以分别接收光信号136(1)至136(4)。光谱仪203接收相应的光信号136并基于接收到的光信号136产生光信息，该光信息指示接收到的光信号136的接收波长。通常，光谱仪203输出的光信息可以是指示在接收到的光信号136中测得的波长的数字信息；然而，在一些替代例子中，光信息可以替代地是模拟信息。

在208处，监视计算设备150可以识别光谱仪输出中的红外信号、紫外信号和可见光信号。例如，监视计算设备150上的处理器可以执行第一虚拟过滤器207(1)，其从每个光谱仪接收光谱输出，识别光谱输出的红外波长部分，并将红外波长信息提供给分析过程。类似地，第二虚拟过滤器207(2)代表由处理器执行的、从每个光谱仪接收光谱输出、识别来自光谱仪203的光谱输出的紫外和/或可见波长部分以及将UV和/或可见光波长信息提供给分析过程的处理。

在210处，作为分析过程的一部分，监视计算设备150可以确定红外信号强度以及任何两个接收到的光信号之间的差异。例如，可以确定并比较通过光纤接收的红外信号的强度，以确定熔池几何结构，这可以指示焊缝不合规定的方面。作为一个例子，监视程序可以将针对每个接收到的光信号测得的光信息与针对在相同时间帧中接收到的每个其他光信号的光信息进行比较，以确定与来自相同时间帧的任何其他光信号相比，任何光信号的红外信号强度是否存在任何显著差异。

在212处，作为分析过程的一部分，监视计算设备150可以确定紫外和/或可见信号发射强度以及任何两个光信号之间的差异。例如，可以确定并比较通过光纤接收到的紫外和/或可见信号的发射强度，以确定任何异常电弧情况，例如电弧偏吹，这可能导致歪斜的焊缝、不适当形状的焊缝或其他焊缝不合规定的方面。作为一个例子，监视程序可以将针对每个接收到的光信号的测得的光信息与在相同时间帧中接收到的每个其他光信号的光信息进行比较，以确定与来自相同时间帧的任何其他光信号相比，光信号的UV光和/或可见光发射强度是否存在任何显著差异。

在一些例子中，如下面另外讨论的(例如，关于图14A至图15B)，可以比较特定波长的强度或者来自某个波长范围积分的平均强度。至于阈值设置，这可以基于将接收到的光信号数据与凭经验确定的良好和有缺陷的光信号数据进行比较来确定。在一些情况下，接受范围数据结构164可以包括具有监视的数据信息和焊缝质量信息的数据库。此外，在一些例子中，监视程序160可以包括或可以访问可以执行的系统训练或机器学习过程，使得监视程序可以在正在执行焊接时接收到数据时做出有关焊缝质量的决定。因此，在一些例子中，两个不同光纤的两个光信号之间的阈值差异可以是检测到的强度之间的可接受的差异，即，如果差异大于阈值，则焊接不合规定或者可以以其他方式被确定为有缺陷的。

在214处，作为分析过程的一部分，监视计算设备150可以基于在212处执行的比较来确定电弧是否正常。例如，如果一个或多个信号与其他信号明显相差阈值量，则这可以指示电弧不正常。例如，使用电弧焊接进行批量生产面临着保持电弧稳定性和最终工艺稳健性的挑战。电弧的状态可能受多种因素的影响，包括输入电压、功率、电极尖角、工件变化、环境因素等。如果这些因素中的任何一个超出正常规格，则可能发生电弧异常，例如电弧长度、半径、强度和偏转的变化。由于电弧的正常状态决定了焊接位置处的热量和工件上的热量分布，因此不合规定的电弧可能导致不合规定的焊缝。

在216处，作为分析过程的一部分，计算设备可以基于在210处执行的比较来确定熔池几何结构是否正常。例如，如果一个或多个信号与其他信号显著不同，例如，相差阈值量，则这可以指示熔池几何结构不正常。

在218处，如果监视计算设备150在214处确定电弧不正常，或者在216处确定熔池几何结构不正常，则监视计算设备150可以向焊接设备的操作者提供通知。例如，通知可以通过任何合适的方式提供，例如通过在监视计算设备150或焊机控制器170处发出警报声、在与监视计算设备150或焊机控制器170相关联的显示器上呈现通知、向与操作者相关联的移动设备发送文本消息或语音邮件、引起其他视觉和/或听觉通知等。

在220处，作为218处的操作的补充或替代，如果监视计算设备150在214处确定电弧不合规定(不正常)，或者在216处确定熔池几何结构不合规定(不正常)，监视计算设备150可以向焊机控制器170发送信号以使焊机控制器改变焊机的至少一个焊接参数。在一些例子中，由监视计算设备150发送的信号可以仅包括指示不合规定(不正常)电弧或不合规定(不正常)熔池几何结构的分析结果。在其他例子中，由监视计算设备150发送的信号可以包括指示焊机控制器170改变焊接工具的至少一个指定参数的指令。例如，监视计算设备150发送的信号可以指示焊机控制器170将提供给焊接工具的电流量改变到指定量、将焊接工具相对于工件的位置改变到指定位置等。

在222处，焊机控制器170可以响应于从监视计算设备150接收到的接收信号来改变焊机的至少一个焊接参数。例如，基于从监视计算设备150接收到的信号，焊机控制器170可以改变一个或多个参数以控制焊接电弧，例如通过改变提供给焊接电极的电流或电压的量等。附加地或替代地，焊机控制器可以改变一个或多个参数以控制焊接工具的位置，例如通过控制一个或多个控制焊接工具和焊接电极相对于工件的位置的致动器的位置。在一些例子中，焊机控制器170可以执行修复，例如通过重新执行焊接以解决焊接的一个或多个不合规定的方面。

如在224处所示，如果在214处确定电弧是正常的，并且在216处确定熔池几何结构是正常的，则焊机控制器170可以继续如在202处所示执行焊接过程。在一些例子中，可以通过监视计算设备150向焊机控制器170发送信号以指示操作正常；然而，在其他例子中，可以不使用信号。

图3是示出根据一些实施方式的示例过程300的流程图。在一些例子中，该过程可以是算法，该算法部分地由光信号接收装置140执行、部分地由计算设备150执行和部分地由焊机控制器170执行以使用在自动焊接期间从多根光纤接收到的光信号来监视和控制焊接的电弧和焊缝几何结构，例如点焊。过程300与过程200不同之处至少在于使用物理分束器和物理滤光器，而在过程200中，使用光谱仪并且通过监视计算设备150的处理器根据由光谱仪提供的光信号信息识别并确定感兴趣的波长来虚拟地“过滤”所得到的信号。

在302处，焊机控制器170可以执行焊接过程。例如，焊机控制器170可以在工件上启动焊接过程或者可以在工件上继续焊接过程。

在304处，光信号接收装置140可以从光纤获取信号。例如，在焊接期间，光纤可以接收由电弧和焊接区域发射的紫外光、可见光和红外光波长的电磁辐射，并且可以沿光纤将这些波长传输到光信号接收装置140。因此，在该例子中，如上面讨论的图1的例子中那样，假设存在四根光纤，因此，光信号接收装置140可以获取第一光学信号136(1)、第二光信号136(2)、第三光信号136(3)和第四光信号136(4)。

在306处，光信号接收装置140可以从光纤接收光信号136，并且可以使用光信号接收装置140中包括的一个或多个分束器303将每个光信号136分成两个不同的光信号。在该例子中，假设存在与每个接收到的光信号136相对应的分束器303，例如第一分束器303(1)、第二分束器303(2)、第三分束器303(3)和第四分束器303(4)，以分别接收光信号136(1)至136(4)。分束器303接收相应的光信号136并分离每个接收到的光信号136，以将接收到的光信号136的第一部分提供给第一过滤器305(1)，并将接收到的光信号136的第二部分提供给第二过滤器305(2)。

在308处，光信号接收装置140可以过滤并感测光信号以确定光信息，从而提供给监视计算设备150。因此，第一过滤器305(1)可以滤掉除红外波长之外的波长。第一过滤器305(1)可以向第一光传感器307(1)提供红外光，第一光传感器307(1)测量每根光纤的接收到的光信号136(1)至136(4)的红外信号强度。类似地，第二过滤器305(2)可以滤掉除紫外波长和/或可见光波长之外的波长。第二过滤器305(2)可以向第二光传感器307(2)提供紫外光和/或可见光，第二光传感器307(2)测量分别在每根光纤的光信号136(1)至136(4)中接收到的紫外光和/或可见光的发射强度。第一传感器307(1)和第二传感器307(2)可以向监视计算设备150提供由传感器307测得的光信息。

在310处，作为分析过程的一部分，监视计算设备150可以确定红外信号强度以及任何两个接收到的光信号之间的差异。例如，可以确定并比较通过光纤接收的红外信号的强度，以确定熔池几何结构，这可以指示焊接不合规定的方面。作为一个例子，监视程序可以将针对每个接收到的光信号测得的光信息与针对在相同时间帧中接收到的每个其他光信号的光信息进行比较，以确定与来自相同时间帧的任何其他光信号相比，任何光信号的红外信号强度是否存在任何显著差异。

在312处，作为分析过程的一部分，监视计算设备150可以确定紫外和/或可见信号发射强度以及任何两个光信号之间的差异。例如，可以确定并比较通过光纤接收到的紫外和/或可见信号的发射强度，以确定任何异常电弧情况，例如电弧偏吹，这可能导致歪斜的焊缝、不适当形状的焊缝或其他焊缝不合规定的方面。作为一个示例，监视程序可以将针对每个接收到的光信号的测得的光信息与在相同时间帧中接收到的每个其他光信号的光信息进行比较，以确定与来自相同时间帧的任何其他光信号相比，光信号的UV光和/或可见光发射强度是否存在任何显著差异。

在314处，作为分析过程的一部分，监视计算设备150可以基于在312处执行的比较来确定电弧是否正常。例如，如果一个或多个信号与其他信号显著相差阈值量，则这可以指示电弧不正常。例如，使用电弧焊接进行批量生产面临着保持电弧稳定性和最终工艺稳健性的挑战。电弧的状态可能受多种因素的影响，包括输入电压、功率、电极尖角、工件变化、环境因素等。如果这些因素中的任何一个超出正常规格，则可能发生电弧异常，例如电弧长度、半径、强度和偏转的变化。由于电弧的正常状态决定了焊接位置处的热量和工件上的热量分布，因此不合规定的电弧可能导致不合规定的焊缝。

在316处，作为分析过程的一部分，计算设备可以基于在310处执行的比较来确定熔池几何结构是否正常。例如，如果一个或多个信号与其他信号显著不同，例如，相差阈值量，则这可以指示熔池几何结构不正常。

在318处，如果监视计算设备150在314处确定电弧不合规定(不正常)，或者在316处确定熔池几何结构不合规定(不正常)，则监视计算设备150可以向焊接设备的操作者提供通知。例如，通知可以通过任何合适的方式提供，例如通过在监视计算设备150或焊机控制器170处发出警报声、在与监视计算设备150或与焊机控制器170相关联的显示器上呈现通知、向与操作者相关联的移动设备发送文本消息或语音邮件、引起其他视觉和/或听觉通知等。

在320处，作为318处的操作的补充或替代，如果监视计算设备150在314处确定电弧不合规定(不正常)，或者在316处确定熔池几何结构不合规定(不正常)，监视计算设备150可以向焊机控制器170发送信号以使焊机控制器改变焊机的至少一个焊接参数。在一些例子中，由监视计算设备150发送的信号可以仅包括指示异常电弧或异常熔池几何结构的分析结果。在其他例子中，由监视计算设备150发送的信号可以包括指示焊机控制器170改变焊接工具的至少一个指定参数的指令。例如，监视计算设备150发送的信号可以指示焊机控制器170将提供给焊接工具的电流量改变到指定量、将焊接工具相对于工件的位置改变到指定位置等。

在322处，焊机控制器170可以响应于从监视计算设备150接收到的接收信号来改变焊机的至少一个焊接参数。例如，基于从监视计算设备150接收到的信号，焊机控制器170可以改变一个或多个参数以控制焊接电弧，例如通过改变提供给焊接电极的电流或电压的量等。附加地或替代地，焊机控制器可以改变一个或多个参数以控制焊接工具的位置，例如通过控制一个或多个控制焊接工具和焊接电极相对于工件的位置的致动器的位置。在一些例子中，焊机控制器170可以执行修复，例如通过重新执行焊接以解决焊接的一个或多个不合规定的方面。

如在324处所示，如果在314处确定电弧是正常的，并且在316处确定熔池几何结构是正常的，则焊机控制器170可以继续如在302处所示执行焊接过程。在一些例子中，可以通过监视计算设备150向焊机控制器170发送信号以指示操作正常；然而，在其他例子中，可以不使用信号。

本文的一些实施方式，例如上面关于图1至图3描述的那些实施方式，在自动焊接期间使用多根光纤作为传感器，着眼于焊接电弧和焊接的焊缝几何结构(例如点焊)以及其他类型的焊缝。本文的例子可以包括在焊接期间比较通过这些多根光纤接收到的电磁辐射信号，以检测超过阈值差异的任何差异，从而确定焊缝几何结构是否不合规定和/或检测任何电弧不合规定的方面，例如电弧偏吹。因此，一些例子比较红外范围、紫外范围和/或可见光范围内的接收的光信号强度，以确定焊池/焊道几何结构和/或电弧配置。

图4A至图4D示出了根据一些实施方式的示例光纤放置位置。在图4A的例子中，类似于上面关于图1讨论的例子，光纤132可以嵌入夹头130中，例如通过设置在形成在夹头130中的通孔402中。因此，在该例子中，光纤132(1)至132(4)围绕焊接电极110对称地设置(例如，围绕焊接电极的中心径向对称)，并且设置在夹头130中并由夹头130支撑。

图4B示出了图4A的例子沿图4A的线4B-4B观察的剖面。图4B的例子示出了光纤132围绕焊接电极110对称地设置。因此，如果由焊接电极产生的电弧歪斜到焊接电极110的一侧，例如由于电弧偏吹，则一根光纤将比在焊接电极110的相对侧的光纤接收强度更大的光。类似地，如果焊接期间产生的焊池和/或焊道以不期望的方式不对称，则通过光纤132(1)至132(4)中的一根光纤接收的光强度将与通过光纤132(1)至132(4)中的其他的一根或多根光纤接收的光强度不同。

图4C示出了三根光纤围绕焊接电极110对称地设置并且在夹头130中设置在夹头130中的通孔402中的例子。图4D示出了图4C的例子沿图4C的线4D-4D观察的剖面。图4D的例子示出了光纤132围绕焊接电极110对称地设置。因此，如果由焊接电极产生的电弧歪斜到焊接电极110的一侧，例如由于电弧偏吹，则一根光纤将比在焊接电极110的相对侧的光纤接收强度更大的光。类似地，如果焊接期间产生的焊池和/或焊缝以不期望的方式不对称，则通过光纤132(1)至132(3)中的一根光纤接收的光强度将与通过光纤132(1)至132(3)中的其他的一根或多根光纤接收的光强度不同。

图5A至图5D示出了根据一些实施方式的示例光纤放置位置。在图5A至图5D的例子中，光纤设置在气体喷嘴104的外部。作为例子，该构造可以用于喷嘴104或夹头130的穿孔是不希望的或不实用的情况。一个这样的例子可以是焊接工具102具有小尺寸的情况。此外，在一些例子中，可以使用另外的冷却介质(图5A至图5D中没有示出)来防止对光纤的热损坏。

在图5A的例子中，光纤132可以围绕工具喷嘴104的外部设置。此外，虽然为了便于说明而在这些和其他图示中示出光纤被截断，但是应该理解，光纤132可以沿壳体106延伸到上述光信号接收装置140，例如，如图1所示。可以使用诸如粘合剂、机械紧固件、一体形成的连接器等任何合适的技术将光纤附着到喷嘴104和管状主体106上。

图5B示出了图5A的例子沿图5A的线5B-5B观察的剖面。图5B的例子示出了光纤132围绕喷嘴104的外表面对称地设置。此外，虽然在图5B的视图中可以看见全部四根光纤132(1)-132(4)，但是在图5A的视图中仅可以看见光纤132(1)和132(3)。

图5C示出了三根光纤132围绕喷嘴104的外部对称地设置的例子。图5D示出了图5C的例子沿图5C的线5D-5D观察的剖面。图5D的例子示出了光纤132围绕喷嘴104和焊接工具主体106的外部对称地设置。此外，虽然在图5D的视图中可以看见三根光纤132(1)-132(3)，但是在图5C的视图中仅可以看见有光纤132(1)和132(3)(部分以隐藏线示出)。

图6A至图6D示出了根据一些实施方式的示例光纤放置位置。在图6A至图6D的例子中，光纤设置在气体喷嘴104的内部。作为例子，这种构造可用于夹头130的穿孔是不希望或不实用的并且光纤放置在焊接工具喷嘴104外部是不希望的情况。例如，在该实施方式中，类似于上述一些实施方式，保护气体还可以用作光纤的冷却剂。

在图6A的例子中，光纤132可以围绕工具喷嘴104的内部设置。此外，虽然为了便于说明而在这些和其他图示中示出光纤被截断，但是应该理解，类似于图1中所示的例子，光纤132可以沿壳体106的内部延伸到上述光信号接收装置140。可以使用诸如粘合剂、机械紧固件、一体形成的连接器等任何合适的技术将光纤132附着到喷嘴104和管状主体106上。

图6B示出了图6A的例子沿图6A的线6B-6B观察的剖面。图6B的例子示出了光纤132围绕喷嘴104的内部对称地设置。此外，虽然在图6B的视图中可以看见四根光纤132(1)-132(4)，但是在图6A的视图中仅可以看见光纤132(1)和132(3)。

图6C示出了四根光纤132围绕焊接电极110的外部对称地设置的例子。图6D示出了图6C的例子沿图6C的线6D-6D观察的剖面。图6D的例子示出了光纤132围绕焊接电极的外部对称地设置。此外，虽然在图6D的视图中可以看见四根光纤132(1)-132(4)，但是在图6C的视图中仅可以看见132(1)、132(2)和132(3)。在一些例子中，光纤可以保持在焊接电极110上的适当位置，例如通过一个或多个环形弹簧、一个或多个软管夹、粘合剂或其他合适的紧固件(在图6A和6D中没有示出)。

出于讨论的目的，本文描述了一些示例光纤放置，例如附接至夹头132、附接至喷嘴104的内部或外部、附接至焊接电极110等。然而，本文的光纤的放置不限于所示出和描述的例子，并且可以扩展到其他放置位置，例如集成到喷嘴或焊接工具主体中、所描述的放置位置的任何组合或本领域技术人员受益于本文公开内容而清楚的其他放置位置。

此外，对于本文所述的一些特定应用，例如在选择圆形点焊的情况下，光纤被示出为围绕焊接电极110等均匀地和/或以其他方式对称地分布。然而，光纤的数量以及光纤的分布和设置不限于对称设置，并且可以扩展到不均匀或不对称的分布。例如，在某些情况下，光纤的最小数量可能多于四个，例如，如果期望的点焊形状对于某些应用期望是不规则的，例如当焊接具有歪斜或不规则的形状的工件时。

图7示出了根据一些实施方式的强度与波长的示例曲线图700。在该例子中，曲线图700表示用于低碳钢的TIG焊接的典型的电弧辐射光谱。如曲线图700所示，从电弧检测到的光信号包括从紫外(例如，小于380nm)到可见光光谱(例如，至750nm)的宽光谱范围的光的波长。图7的光谱表示由产生的电弧发射的光，并且包括连续光谱和特征线光谱。大部分较高强度的辐射位于紫外区702和380与600nm之间的较低的可见光区704中。

图8示出了根据一些实施方式的辐射能与波长的示例曲线图800。可见光的范围在802处以阴影区域示出，紫外线范围804在可见范围802的左侧，红外范围806在可见范围802的右侧。该曲线图代表来自焊池的体辐射的典型的黑体辐射能与波长的关系曲线。在该例子中，辐射能在近红外范围内达到峰值，例如在750nm与1000nm之间。因此，确定该范围内的焊池性质与熔池的情况密切相关。

在图1至图3的例子中，通过光纤接收到的光信号可以被(物理地或虚拟地)过滤到特定波长范围。例如，紫外光和可见光范围可能对电弧情况敏感，而红外范围可能对熔池情况更敏感。如上面关于图3所讨论的那样，分束器和物理光学过滤器与光纤串联连接，以滤掉不利于被检测的焊缝情况的检测的电磁辐射范围。如关于图2所讨论的，另一种方法是将光纤与光谱仪串联连接，随后使用数据处理作为虚拟过滤所得数据的方式，以分离具有被检测的焊接情况(即，电弧情况或熔池情况)的感兴趣的光强度的特定波长。

在其他例子中，监视系统还可以在不过滤光信号的情况下操作以分离特定波长范围。例如，可以通过对每个光信号使用光谱仪来收集整个光谱。作为一个例子，可以建立具有可接受的和有缺陷的光谱图案的数据库。因此，可以将接收到的光谱与数据库中的可接受的和有缺陷的光谱图案进行比较，以确定焊缝或相关联的电弧是否不合规定。

在一些例子中，机器学习模型可用于执行光谱比较。例如，可以使用可接受的和有缺陷的光谱图案的数据库来训练机器学习模型。随后，可以将从多根光纤接收的新接收到的图案提供给机器学习模型，以匹配或以其他方式分类，或者例如在置信水平等内将新接收到的图案与可接受的或有缺陷的光谱图案进行匹配。合适的机器学习模型的例子可以包括分类模型，诸如随机森林、支持向量机，或深度学习网络，例如卷积神经网络。合适的机器学习模型的另外的例子可以包括预测模型、决策树、回归模型(例如，线性回归模型)、随机模型(例如，马尔可夫模型和隐马尔可夫模型)、人工神经网络(例如，递归神经网络)等等。因此，本文的实施方式不限于特定类型的机器学习模型。

图9A至图9D示出了根据一些实施方式的示例焊缝几何结构。图9A示出了工件900的俯视图，工件900上形成有连接第一工件部分902和第二工件部分906的椭圆形点焊缝902。图9B示出了沿图9A的线9B-9B观察的工件900和椭圆点焊缝902的剖视图。在该例子中，椭圆形点焊缝902以第一工件部分904和第二工件部分906之间的接头908为中心，并且在工件900中渗入到预期距离，以根据本文的一些实施方式提供对称的、大致良好形成的椭圆形点焊缝的例子。

为了检测椭圆形点焊缝902的焊缝质量，根据本文的一些例子，如上面关于图1至图3所述的，可以采用四个对称设置的光纤132(1)至132(4)。例如，在焊缝产生期间，光纤132(1)-132(4)大致可以如图所示地相对于焊缝902定位。因此，通过比较从第一光纤132(1)接收到的光信号与从第三光纤132(3)接收到的光信号，如果接收到的光信号在接受的阈值量内大致相同，则焊缝大致是对称的。类似地，如果从第二光纤132(2)接收到的光信号与从第四光纤132(4)接收到的光信号大致相同，则这也表示焊缝大致是对称的。另外，通过第一光纤和第三光纤接收到的光信号可能比通过第二光纤和第四光纤接收到的光信号具有更高的强度，这表示椭圆形状。此外，通过检测由每根光纤接收到的接收光强度量，当与参考辐射能信息(例如图8的曲线图800所给出的信息)相比时，可以确定熔池是否达到在通过四根光纤检测的全部四个位置处适当形成焊缝的足够温度。

图9C示出了工件900的俯视图，在该工件上上形成有连接第一工件部分904和第二工件部分906的圆形点焊缝910。图9D示出了沿图9C的线9D-9D观察的工件900和圆形点焊缝910的剖视图。在该例子中，圆形点焊缝910以第一工件部分904和第二工件部分906之间的接头908为中心，并且在工件900中渗入到预期深度，以根据本文的一些实施方式提供对称的、大致良好形成的圆形点焊缝。

为了检测圆形点焊缝910的焊缝质量，根据本文的一些例子，例如，类似于上面关于图1至图3所述，可以采用三个对称地设置的光纤132(1)-132(3)。例如，在圆形焊缝910的产生期间，光纤132(1)-132(3)大致可以如图所示相对于焊缝910定位。因此，通过比较由第一光纤132(1)接收到的光信号与由第二光纤132(2)和第三光纤132(3)接收到的光信号，并且还将由第二光纤132(2)接收到的光信号与从第三光纤132(3)接收到的光信号进行比较，可以检测圆形点焊缝910的对称性。此外，如果通过光纤检测到的辐射强度大致相同，则这表明圆形焊缝910确实是圆形的。此外，通过检测由每根光纤接收到的接收光强度量，当与参考辐射能信息(例如图8的曲线图800所给出的信息)比较时，可以确定熔池是否达到在由三根光纤检测的全部三个位置处适当形成焊缝的足够温度。

图10A至图10B示出了根据一些实施方式的焊缝几何结构监视的例子。图10A示出了焊接工具102和形成有不合规定的椭圆形焊缝1002的工件900的剖面侧视图。图10B示出了图10A的工件900的俯视图，其中线10A-10A表示图10A的剖面相对于俯视图的位置。图10A和图10B示出了由于焊道位置相对于工件900的偏移引起的焊缝几何结构不合规定的方面。虚线1004表示相对于工件900的目标焊缝位置。

在该例子中，在焊接期间形成了不合规定的焊池。结果，通过光纤132检测的近红外光信号在接头908的两侧具有不对称分布。例如，在接头908的左侧，存在强IR发射的区域1006，而在接头908的右侧，存在低IR发射的区域。监视程序可以使用上面关于图1至图3所述的技术来检测差异，并警告操作者或向焊工控制器发送控制信号以自动纠正焊缝，例如通过调整电极位置以补偿偏移。另外，本文的监视系统能够基于检测到的IR发射以类似的方式检测其他焊缝几何结构不合规定的方面，例如不合规定的尺寸或形状。

图11A至图11B示出了根据一些实施方式的监视电弧偏吹的例子。图11A示出了焊接工具102和形成有不合规定的焊缝1102的工件900的剖面侧视图。图11B示出了图11A的工件900的俯视图，其中线11A-11A表示图11A的剖面相对于俯视图的位置。图11A和图11B示出了由于电弧偏吹引起的焊缝不合规定的方面。圆形虚线1004表示相对于工件900的目标焊缝位置和几何结构。

在该例子中，如导致不合规定形成的焊缝1102的不合规定的电弧所示，发生电弧偏吹。电弧偏吹(也称为“电弧漂移”)是由于不平衡磁场或热效应导致的不期望的焊接情况。当发生电弧偏吹时，电弧可以从最短路径偏转，该最短路径是图11A中的垂直方向。结果是有缺陷的焊缝，例如图11B中所示的歪斜焊缝。

如上面关于图7所述的，电弧产生主要在紫外和可见光范围内的光谱范围内的辐射。分析焊接期间通过每根光纤接收到的紫外和可见光，以检测是否存在任何明显的电弧偏吹行为，如果有，则检测偏转方向。另外，为了检测电弧偏吹，本文的实施方式还可以通过上述技术检测其他电弧情况，例如由于电流或电压不适当、由于电极磨损等导致的异常电弧输出。

图12是示出根据一些实施方式的示例过程1200的流程图。该过程被示为逻辑流程图中的块集合，其表示一系列操作。描述块的顺序不应被解释为限制。在一些情况下，所描述的块可以组合，以不同的顺序执行和/或并行地执行以实现该过程或替代过程，并且不需要执行所有块。出于讨论的目的，参照本文的例子中描述的环境和装置来描述该过程，但是该过程可以在各种其他环境和装置中实现。在一些例子中，该过程可以至少部分地由上面关于图1所述的监视计算设备150(和/或焊机控制器170)执行。

在1202处，计算设备可以针对多根光纤中的各根光纤确定红外信号强度的接受范围，所述多根光纤定位成在焊接操作期间从焊接区域接收电磁辐射。例如，接受范围可以事先凭经验确定，并且可以存储在计算设备可访问的存储位置中的接受范围数据结构中，例如上面关于图1所述的接受范围数据结构。

在1204处，计算设备可以针对多根光纤中的各根光纤确定辐射紫外和可见光信号强度的接受范围。例如，接受范围可以事先凭经验确定，并且可以存储在计算设备可访问的存储位置中。

在1206处，计算设备可以接收基于在焊接操作期间通过多根光纤接收的相应光信号的光信号信息。如上面关于图1至图3所述，光信号接收装置可以从光纤接收光信号并且可以输出光信号信息，该光信号信息可以是关于接收到的光信号的、表示在焊接操作期间通过相应的光纤从焊接区域接受到的紫外、可见和红外电磁辐射的数字信息。

在1208处，计算设备可以将对应于光纤中的第一光纤的光信号信息与对应于光纤中的第二光纤的光信号信息进行比较。在一些情况下，计算设备可以将针对每根光纤的接收到的光信号信息与每根其他光纤进行比较，以确定差异是否超过接受的阈值差。如果差异超过阈值，则可以确定焊接(例如，焊缝几何结构或焊接电弧)不合规定。

在1210处，计算设备可以将针对每根光纤接收到的光信息与辐射紫外和可见光信号强度的接受范围进行比较。在一些情况下，计算设备可以访问接受范围数据结构以进行比较。如果任何光纤的光信息在接受范围之外，则可以确定焊缝是不合规定的。

在1212处，计算设备可以将针对每根光纤接收到的光信息与红外信号强度的接受范围进行比较。在一些情况下，计算设备可以访问接受范围数据结构以进行比较。如果任何光纤的光信息在接受范围之外，则可以确定焊缝是不合规定的。

在1214处，至少部分地基于在1208、1210和/或1212处的比较，计算设备可以确定焊缝几何结构和焊接电弧中的至少一个是否不合规定。

在1216处，计算设备可以基于确定焊缝几何结构和焊接电弧中的一个是不合规定的来执行至少一个动作。

图13是示出根据一些实施方式的示例过程1300的流程图。在该例子中，光信号136根据光信号136被接收到的时间关联起来。随后，将根据光信号136确定的传感器读数存储在数据结构1302中以进行分析。因此，在一些例子中，过程1300可以至少部分地由上面关于图1至图3所述的监视计算设备150上的处理器152通过执行来自监视程序160的指令来执行。此外，在一些例子中，过程1300可以至少部分地由上面所述的焊机控制器170或其他计算设备(例如，机器人控制器等)执行。

在1304处，焊机控制器170可以向焊机1306发送控制信号1303，并且在一些情况下同时向光谱仪203(或者在图3的实施方式的情况下向传感器307—未在图13中示出)和/或监视计算设备150发送附加信号1305以在焊接期间引起对光信号136的感测。可以使焊机控制器170通过操作者手动启动焊接。替代地，焊接可以由监视计算设备150启动、可以由通过焊机控制器170执行的软件启动或者可以由另一个计算设备(例如，机器人控制器)启动。作为一个例子，焊接可以由监视计算设备150上的监视程序启动，这使焊机控制器170向焊机1306发送控制信号1303。作为另一个例子，通过焊机控制器170执行的软件可以发送控制信号1303以启动焊接过程，并且如上面关于图1至图3所述，可以进一步发送控制信号1305以使光谱仪203(或传感器307)读取提供光纤从焊接区域接收的光信号。

作为另一个例子，监视计算设备150可以从焊机控制器接收控制信号1305，并且可以与光谱仪203通信以从光谱仪203接收作为光信号信息142的读数。替代地，在监视计算设备150使焊机控制器170启动焊接的情况下，监视计算设备150也可以与光谱仪203通信，以从光谱仪203(或根据实施方式从传感器307)接收光信息。在一些例子中，光谱仪203(或传感器307)可以根据相同的数据收集频率对接收的信号进行采样，该数据收集频率可以由光谱仪203本身或监视计算设备150的处理器控制。

在1310处，监视计算设备处理器确定来自光谱仪/传感器的读数的时刻，并将读数与时刻有关地存储在数据结构中。作为一个例子，时间戳可以与来自每个光谱仪203的每个读数相关联并且存储在用于对应的光纤标识符(ID)的数据结构1302中。在该例子中，数据结构1302可以存储每个读数的时间1312，例如T1、T2、......、TN和光纤ID 1314，例如光纤1、光纤2、......、光纤M，该光纤ID可以对应于该例子中的向光谱仪203(1)至203(4)提供光信号136的光纤，或者对应于其他例子中的传感器307。如在1316处所示，对于每根光纤ID1314并且每个时间间隔1312，数据结构1302可以存储根据由各个光谱仪或传感器读取的对应的光信号确定的强度读数。随后，监视计算机可以使用所存储的读数来实时地执行焊缝分析。在一些例子中，数据结构1302可以是上面关于图1所述的焊接日志数据结构162的一部分和/或可以包括在该焊接日志数据结构162中。

图14A至图14B示出了根据一些实施方式的根据不同光信号确定信号强度的例子。例如，可以根据上面关于图13所述的数据结构1302确定在每根光纤ID的某些波长处的检测强度。每根光纤ID可以对应于在焊接工具上的位置、焊缝等，以从形成的焊缝的一部分检测光信号，并且将相应的光信号与焊缝的对应部分关联起来。

在图14A的例子中，假设对于图13的时间T2，光谱仪203(1)从光纤1接收信号以提供强度曲线图1400。在这种情况下，如在1402处所示，假设波长为400nm的信号强度为450au。此外，在图14B的例子中，假设对于相同时间T2，光谱仪203(2)从光纤2接收信号以提供强度曲线图1404。在这种情况下，如在1406处所示，假设波长为400nm的信号强度为250au。

在一些情况下，可以将这些强度彼此进行比较以确定它们是否在彼此的阈值内以指示焊缝是可接受的还是不合规定的。附加地或替代地，可以将每根光纤ID的测量强度与在凭经验确定的范围的接受范围数据结构164情况下规定的该光纤ID的接受范围进行比较，以确定测量强度是否在对应的时间和焊接位置的确定范围内。此外，虽然在该例子中将400nm用作用于比较的示例波长，但是本文的实施方式不限于特定波长。

图15A至图15B示出了根据一些实施方式的根据不同光信号确定平均信号强度的例子。类似于上面所述的图14A至图14B的例子，在该例子中，假设图15A的曲线图1500表示从光纤1读取的第一光信号，并且图15B的曲线图1502表示从光纤2读取的第二光信号。在曲线图1500中，如在1506处所示，假设1000nm范围处的辐射能具有约4au的平均强度，而在曲线图1502中，如在1508处所示，在1000nm范围处的辐射能具有约3au的平均强度。

在一些情况下，可以将这些平均强度彼此进行比较以确定它们是否在彼此的阈值内以指示焊缝是可接受的还是不合规定的。附加地或替代地，可以将每根光纤ID的测量的平均强度与在凭经验确定的范围的接受范围数据结构164情况下规定的该光纤ID的接受范围进行比较，以确定测量强度是否在确定的对应的时间和焊接位置的范围内。此外，虽然在该例子中将1000nm的范围用作用于比较的示例波长范围，但是本文的实施方式不限于特定波长范围。

本文描述的示例过程仅是为了讨论的目的而提供的过程的例子。鉴于本文的公开内容，许多其他变化对于本领域技术人员而言是清楚的。另外，虽然本文的公开内容阐述了用于执行过程的合适的框架、架构和环境的若干例子，但是本文的实施方式不限于所示出和讨论的特定例子。此外，本公开提供了描述的和附图中所示的各种示例实施方式。然而，本公开不限于本文描述和示出的实施方式，而是可以扩展到本领域技术人员所已知的或将会已知的其他实施方式。

可以在计算机可执行指令的通常情况下考虑本文描述的各种指令、方法和技术，例如存储在计算机可读介质上并由本文的一个或多个处理器执行的计算机程序和应用。通常，术语“程序”和“应用”可以互换使用，并且可以包括用于执行特定任务或实现特定数据类型的指令、例程、模块、对象、组件、数据结构、可执行的代码等。这些程序、应用等可以作为本地代码执行，或者例如可以在虚拟机或其他即时编译执行环境中下载并执行。通常，程序和应用的功能可以根据需要在各种实施方式中组合或分布。这些程序、应用和技术的实施方式可以存储在计算机存储介质上或通过某种形式的通信介质传输。

尽管用结构特征和/或方法动作专用的语言描述了本主题，但应理解所附权利要求书中定义的主题不必限于所描述的具体特征或动作。而是，作为实现权利要求的示例形式公开了具体特征和动作。

Claims (17)

1.一种焊接监视和控制系统，其包括：

用于执行焊接的焊接工具，所述焊接工具包括定位成用于从焊接区域接收电磁辐射的多根光纤和焊接电极，其中，围绕所述焊接电极对称地定位有至少三根光纤，以从所述焊接区域接收所述电磁辐射；

光信号接收装置，其用于在焊接期间从所述光纤接收光信号并产生光信号信息；

计算设备，其包括一个或多个处理器，所述处理器通过可执行指令编程以执行操作，所述操作包括：

接收基于在焊接期间通过所述多根光纤接收的各个光信号的所述光信号信息；

将对应于所述光纤中的第一光纤的光信号信息与对应于所述光纤中的第二光纤的光信号信息进行比较；

基于所述比较，确定所述焊接是否不合规定；以及

基于所述焊接是否不合规定来执行至少一个动作；

所述焊接监视和控制系统还包括焊机控制器，其中执行至少一个动作还包括基于确定所述焊接是不合规定的而向所述焊机控制器发送信号以进行以下中的至少一个：

使所述焊机控制器改变通过所述焊接工具产生的电弧的焊接参数；以及

使所述焊机控制器改变所述焊接工具相对于工件的位置。

2.根据权利要求1所述的焊接监视和控制系统，其中，所述光纤定位成用于从所述焊接区域中的熔池、焊道和焊接电弧中的至少一个接收电磁辐射。

3.根据权利要求1所述的焊接监视和控制系统，其中，所述执行至少一个动作的操作还包括：

向与所述焊接工具相关联的操作者发送通知。

4.根据权利要求1所述的焊接监视和控制系统，其中，将对应于所述光纤中的第一光纤的光信号信息与对应于所述光纤中的第二光纤的光信号信息进行比较包括：

将通过所述第一光纤指示的第一红外电磁辐射信号强度与通过所述第二光纤指示的第二红外电磁辐射信号强度进行比较；以及

基于所述第一红外电磁辐射信号强度与所述第二红外电磁辐射信号强度相差阈值量，确定通过所述焊接工具形成的电弧是不合规定的。

5.根据权利要求1所述的焊接监视和控制系统，其中，将对应于所述光纤中的第一光纤的光信号信息与对应于所述光纤中的第二光纤的光信号信息进行比较包括：

将通过所述第一光纤指示的第一紫外和/或可见光电磁辐射信号强度与通过所述第二光纤指示的第二紫外和/或可见光电磁辐射信号强度进行比较；以及

基于所述第一紫外和/或可见光电磁辐射信号强度与所述第二紫外和/或可见光电磁辐射信号强度相差阈值量，确定在所述焊接期间形成的焊缝几何结构是不合规定的。

6.一种焊接监视和控制系统，其包括：

焊接工具，其包括喷嘴和延伸穿过所述喷嘴的喷嘴开口的焊接电极；

多根光纤，其围绕所述焊接电极设置并定位成在焊接期间从焊接区域接收电磁辐射，其中，围绕所述焊接电极对称地定位有至少三根光纤，以从所述焊接区域接收所述电磁辐射；以及

计算设备，其包括一个或多个处理器，所述处理器通过可执行指令编程以执行操作，所述操作包括：

在焊接期间，将对应于所述光纤中的第一光纤的光信号信息与对应于所述光纤中的第二光纤的光信号信息进行比较，以确定所述焊接是否不合规定；以及

基于所述焊接是否不合规定来执行至少一个动作；

所述焊接监视和控制系统还包括焊机控制器，其中执行至少一个动作还包括基于确定所述焊接是不合规定的而向所述焊机控制器发送信号以进行以下中的至少一个：

使所述焊机控制器改变通过所述焊接工具产生的电弧的焊接参数；以及

使所述焊机控制器改变所述焊接工具相对于工件的位置。

7.根据权利要求6所述的焊接监视和控制系统，其中：

所述焊接工具包括在所述喷嘴内支撑所述焊接电极的夹头；并且

所述光纤中的一根或多根设置在所述焊接工具的所述喷嘴内的所述夹头中或所述夹头上。

8.根据权利要求6所述的焊接监视和控制系统，其中，所述喷嘴是锥形的，并且所述光纤中的一根或多根安装在所述喷嘴内部或所述喷嘴的外部中的至少一个位置处的所述喷嘴的锥形部分上。

9.根据权利要求6所述的焊接监视和控制系统，其还包括光信号接收装置，其中所述多根光纤连接至所述光信号接收装置，所述光信号接收装置被配置为基于通过所述多根光纤接收的光信号向所述计算设备提供光信号信息。

10.根据权利要求9所述的焊接监视和控制系统，其中，所述光信号接收装置包括以下中的至少一个：

用于从所述多根光纤中的各个光纤接收相应的光信号的多个光谱仪，所述多个光谱仪被配置为从所述相应的光信号产生所述光信号信息并将所述光信号信息提供给所述计算设备；或者

多个分束器，其连接至所述多根光纤，以从所述多根光纤中的各个光纤接收相应的光信号，并将光信号提供给与相应的电磁辐射传感器相关联的一个或多个电磁辐射过滤器，所述相应的电磁辐射传感器被配置为从所述相应的光信号产生所述光信号信息并将所述光信号信息提供给所述计算设备。

11.一种焊接监视和控制方法，其包括：

通过一个或多个处理器接收基于在焊接操作期间通过多根光纤接收的各个光信号的光信号信息，所述多根光纤定位成在所述焊接操作期间从焊接区域接收电磁辐射，其中，围绕焊接工具的焊接电极对称地定位有至少三根光纤，以从所述焊接区域接收所述电磁辐射；

将对应于所述光纤中的第一光纤的光信号信息与对应于所述光纤中的第二光纤的光信号信息进行比较；

至少部分地基于所述比较，确定焊缝几何结构和焊接电弧中的至少一个是否不合规定；以及

基于确定所述焊缝几何结构和所述焊接电弧中的至少一个是不合规定的来执行至少一个动作；

其中，执行至少一个动作还包括基于确定所述焊缝几何结构和所述焊接电弧中的至少一个是不合规定的而向焊机控制器发送信号以进行以下中的至少一个：

使所述焊机控制器改变通过所述焊接工具产生的电弧的焊接参数；以及

使所述焊机控制器改变所述焊接工具相对于工件的位置。

12.根据权利要求11所述的焊接监视和控制方法，其中，将对应于所述光纤中的第一光纤的光信号信息与对应于所述光纤中的第二光纤的光信号信息 进行比较包括：

将通过所述第一光纤指示的第一紫外和/或可见光电磁辐射信号强度与通过所述第二光纤指示的第二紫外和/或可见光电磁辐射信号强度进行比较；以及

基于所述第一紫外和/或可见光电磁辐射信号强度与所述第二紫外和/或可见光电磁辐射信号强度相差阈值量，确定在所述焊接期间形成的焊缝几何结构是不合规定的。

13.根据权利要求11所述的焊接监视和控制方法，其中，将对应于所述光纤中的第一光纤的光信号信息与对应于所述光纤中的第二光纤的光信号信息进行比较包括：

将通过所述第一光纤指示的第一红外电磁辐射信号强度与通过所述第二光纤指示的第二红外电磁辐射信号强度进行比较；以及

基于所述第一红外电磁辐射信号强度与所述第二红外电磁辐射信号强度相差阈值量，确定通过所述焊接工具形成的电弧是不合规定的。

14.根据权利要求11所述的焊接监视和控制方法，其还包括确定信号强度差异的接受范围，以用于将对应于所述第一光纤的光信号信息与所述第二光纤的光信号信息进行比较。

15.根据权利要求11所述的焊接监视和控制方法，其还包括：

确定所述多根光纤中的各根光纤的辐射紫外和可见光信号强度的接受范围；以及

将每根光纤接收的光信息与所述接受范围进行比较，以至少部分地确定所述焊缝几何结构是否不合规定。

16.根据权利要求11所述的焊接监视和控制方法，其还包括：

确定所述多根光纤中的各根光纤的红外信号强度的接受范围；以及

将每根光纤接收的光信息与所述接受范围进行比较，以至少部分地确定所述焊接电弧是否不合规定。

17.根据权利要求11所述的焊接监视和控制方法，其还包括：

使用包括四根光纤的焊接工具执行所述焊接操作，所述四根光纤围绕所述焊接工具的焊接电极对称地分布，其中所述第一光纤位于所述焊接电极的与所述第二光纤相对的一侧，确定所述焊缝几何结构和所述焊接电弧中的至少一个是否不合规定的操作还包括：

将对应于所述光纤中的第三光纤的光信号信息与对应于所述光纤中的第四光纤的光信号信息进行比较，其中所述第三光纤位于所述焊接电极的与所述第四光纤相对的一侧。

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