KR20150035539A

KR20150035539A - 전력 컨버터, 자기장 시스템 및 이 둘을 동기화시키는 제어기를 갖는 아크 용접 시스템

Info

Publication number: KR20150035539A
Application number: KR20147032611A
Authority: KR
Inventors: 스티븐 알 콜
Original assignee: 링컨 글로벌, 인크.
Priority date: 2012-06-27
Filing date: 2013-06-27
Publication date: 2015-04-06
Also published as: WO2014001892A1; US20140001168A1; CN104428095B; DE202013012042U1; JP3199188U; BR112014030129A2; CN104428095A

Abstract

아크 용접 시스템(10)은 용접 신호(36)에 기초하여 용접 파형(24)을 출력하는 전력 컨버터(22)를 포함한다. 전력 컨버터(22)는 용접 파형(24)에 기초하여 용접 토치(26)와 가공물(18) 사이에 전기 아크(14)를 생성하기 위해 용접 토치(26)에 연결되어 동작한다. 아크(14)는 용융된 물질의 적어도 하나의 용적을 가공물(18) 상으로 이행시킨다. 아크 용접 시스템(10)은 또한 자기 조정 신호에 기초하여 자기장을 발생시키는 자기장 발생기를 포함하는 자기장 시스템, 및 전력 컨버터(22) 및 자기장 제어기에 연결되어 동작하는 제어기(34)를 포함한다. 제어기(34)는 용접 신호(36)에 따라 전력 컨버터(22)의 동작들을 제어하고 이와 동시에 자기 조정 신호에 따라 자기장 시스템을 제어한다. 용접 신호(36)는 각각의 파형 사이클에 대한 피크 부분 및 백그라운드 부분을 포함하고, 자기 조정 신호는 피크 부분을 포함한다.

Description

전력 컨버터, 자기장 시스템 및 이 둘을 동기화시키는 제어기를 갖는 아크 용접 시스템{ARC WELDING SYSTEM WITH POWER CONVERTER, MAGNETIC FIELD SYSTEM AND CONTROLLER FOR SYNCHRONISING BOTH}

본 출원은 미국 특허 출원 제13/534,119호(참조 문헌으로서 그 전체가 본 명세서에 포함됨)의 일부 계속 출원(continuation-in-part)이고, 그를 기초로 우선권을 주장한다. 본 출원은 또한 미국 특허 출원 제13/438,703호(참조 문헌으로서 그 전체가 본 명세서에 포함됨)의 일부 계속 출원이고, 그를 기초로 우선권을 주장한다.

본 발명은 아크 용접 시스템에서의 제어기 및 아크 용접 시스템에서 사용하기 위한 제어 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 아크 용접 시스템 및 아크 용접 전원 공급 장치에 관한 것이다.

용접 동안 가공물에 인가되는 용접 파형을 제어하기 위해 상태 기반 제어 원리들이 이용될 수 있다. 용접 전원 공급 장치에 저장된 상태 테이블은 용접 파형의 상이한 부분들에 각각 대응하는 다수의 제어 상태들을 통해 용접 파형을 정의한다. 예를 들어, 하나의 상태는 용접 파형의 피크 전류에 대응할 수 있는 반면, 다른 상태는 용접 파형의 백그라운드 전류(background current)에 대응할 수 있을 것이다. 전체적으로, 상태 테이블 내의 개별적인 상태들은 전체적인 용접 파형을 정의한다.

별도의 부가적인 제어기들(즉, 용접 전원 공급 장치와 분리되어 있음)이 아크 용접 시스템의 다른 측면들을 제어하기 위해 제공된다. 예를 들어, 아크 용접 시스템은 용접 토치(welding torch)를 위치시키고 그의 움직임을 제어하기 위한 모터 제어기와 같은 전용 제어기, 및 소모 와이어 전극(consumable wire electrode)의 와이어 피드 속도(wire feed speed)를 제어하기 위한 다른 전용 제어기를 가질 수 있을 것이다. 아크 용접 시스템은 용접 동안의 용접 토치의 위빙(weaving), 가공물의 길이를 따른 토치의 이동 또는 진행, 파이프 주위에서의 용접 토치의 원주상(궤도상) 이동을 제어하기 위해, 아크의 움직임을 제어하기 위해, 기타를 위해 추가의 제어기들을 가질 수 있을 것이다. 이러한 제어기들은 상태 기반 용접 제어기와 별개의 것이고, 이러한 제어기들과 상태 기반 용접 제어기 간의 통합이 거의 없다. 따라서, 개별적인 제어기들 간의 시너지가 없다. 별도의 부가적인 제어기들은, 전체적인 용접 제어 시스템 내에서의 불안정성을 피하기 위해, 상태 기반 용접 제어기보다 훨씬 더 느린 제어 주파수로 동작하는 경향이 있다. 예를 들어, 별도의 부가적인 제어기들은 1 내지 10 Hz의 범위에 있는 제어 주파수로 동작할 수 있는 반면, 용접 제어기의 제어 주파수는 수백배 또는 수천배 더 빠를 수 있다. 게다가, 개별적인 제어기들은 종종 용접 시스템에서 중복 센서들(예컨대, 전압, 전류 등)의 사용을 필요로 한다.

본 발명의 하나의 측면에 따르면, 아크 용접 시스템이 제공된다. 아크 용접 시스템은 용접 토치를 포함한다. 전극은 용접 토치에 연결되어 동작하고, 용접 토치로부터 전기 에너지를 받는다. 전극은 아크 용접 시스템으로부터 전기 아크를 발생시킨다. 용접 전원 공급 장치는 용접 파형에 따라 전기 아크를 발생시키기 위한 전기 에너지를 공급한다. 용접 전원 공급 장치는 스위칭 유형 전력 컨버터를 포함한다. 스위칭 유형 전력 컨버터는 용접 토치에 전기 에너지를 공급하기 위해 용접 토치에 연결되어 동작한다. 병렬 상태 기반 제어기는 스위칭 유형 전력 컨버터에 연결되어 동작하고, 스위칭 유형 전력 컨버터의 동작들을 제어하기 위한 파형 제어 신호를 스위칭 유형 전력 컨버터에 제공한다. 병렬 상태 기반 제어기는 전극 및 용접 토치 중 적어도 하나의 이동들을 제어하기 위한 움직임 제어 신호를 발생시킨다. 병렬 상태 기반 제어기는 프로세서를 포함한다. 병렬 상태 기반 제어기에 연결되어 동작하는 출력을 가지는 센서는 용접 전압 및 용접 전류 중 적어도 하나를 감지한다. 메모리 부분은 프로세서에 연결되어 동작하고, 제1 복수의 순차 제어 상태들을 포함하는 용접 상태 테이블 및 제2 복수의 순차 제어 상태들을 포함하는 움직임 제어 시스템 상태 테이블을 저장한다. 용접 파형은 용접 상태 테이블에 정의되어 있다. 병렬 상태 기반 제어기는 용접 상태 테이블에 따라 파형 제어 신호를 통해 스위칭 유형 전력 컨버터의 동작들을 제어하고, 이와 동시에 움직임 제어 시스템 상태 테이블에 따라 움직임 제어 신호를 조절한다. 병렬 상태 기반 제어기는 센서로부터 수신된 신호에 따라 용접 상태 테이블의 제어 상태들 간에 천이하고, 또한 센서로부터 수신된 신호에 따라 움직임 제어 시스템 상태 테이블의 제어 상태들 간에 천이한다. 어떤 실시예들에서, 병렬 상태 기반 제어기는 용접 상태 테이블에 따라 파형 제어 신호를 통해 스위칭 유형 전력 컨버터의 동작들을 제어하고, 이와 동시에 자기 아크 시스템 상태 테이블에 따라 자기 아크 신호를 조절한다. 병렬 상태 기반 제어기는 센서로부터 수신된 신호에 따라 용접 상태 테이블의 제어 상태들 간에 천이하고, 또한 센서로부터 수신된 신호에 따라 자기 아크 시스템 상태 테이블의 제어 상태들 간에 천이한다. 물론, 어떤 실시예들에서, 병렬 상태 기반 제어기는 스위칭 유형 전력 컨버터, 움직임 제어 시스템, 및 자기 아크 시스템의 동작들을 동시에 제어할 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 아크 용접 시스템을 제어하는 방법이 제공된다. 이 방법은 아크 용접 시스템을 제공하는 단계를 포함한다. 아크 용접 시스템은 용접 토치 및 용접 전원 공급 장치를 포함한다. 용접 전원 공급 장치는 용접 토치에 연결되어 동작하는 스위칭 유형 전력 컨버터를 포함한다. 병렬 상태 기반 제어기는 용접 상태 테이블 및 움직임 제어 시스템 상태 테이블을 포함한다. 아크 용접 시스템은 용접 전압 센서 및 용접 전류 센서를 포함한다. 아크 용접 시스템과 가공물 사이에 전기 아크가 발생된다. 병렬 상태 기반 제어기는 용접 상태 테이블에 따라 용접 파형을 발생시키기 위해 스위칭 유형 전력 컨버터를 제어한다. 용접 상태 테이블은 용접 파형을 정의하는 제1 복수의 순차 제어 상태들을 포함한다. 스위칭 유형 전력 컨버터를 제어하는 단계는 용접 전압 센서로부터의 용접 전압 신호 및 용접 전류 센서로부터의 용접 전류 신호 중 적어도 하나에 기초하여 용접 상태 테이블의 제어 상태들 간에 순차적으로 천이하는 단계를 포함한다. 병렬 상태 기반 제어기는, 스위칭 유형 전력 컨버터를 제어하는 것과 동시에, 움직임 제어 시스템 상태 테이블에 따라 용접 토치의 이동을 제어한다. 움직임 제어 시스템 상태 테이블은 제2 복수의 순차 제어 상태들을 포함한다. 용접 토치의 이동을 제어하는 단계는 용접 전압 센서로부터의 용접 전압 신호 및 용접 전류 센서로부터의 용접 전류 신호 중 적어도 하나에 기초하여 움직임 제어 시스템 상태 테이블의 제어 상태들 간에 순차적으로 천이하는 단계를 포함한다. 어떤 실시예들에서, 병렬 상태 기반 제어기는, 스위칭 유형 전력 컨버터를 제어하는 것과 동시에, 자기 아크 시스템 상태 테이블에 따라 아크의 이동을 제어한다. 자기 아크 시스템 상태 테이블은 복수의 순차 제어 상태들을 포함한다. 아크의 이동을 제어하는 단계는 용접 전압 센서로부터의 용접 전압 신호 및 용접 전류 센서로부터의 용접 전류 신호 중 적어도 하나에 기초하여 자기 아크 시스템 상태 테이블의 제어 상태들 간에 순차적으로 천이하는 단계를 포함한다. 물론, 어떤 실시예들에서, 병렬 상태 기반 제어기는 스위칭 유형 전력 컨버터, 움직임 제어 시스템, 및 자기 아크 시스템의 동작들을 동시에 제어할 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 아크 용접 시스템을 제어하는 방법이 제공된다. 이 방법은 아크 용접 시스템을 제공하는 단계를 포함한다. 아크 용접 시스템은 용접 전극 및 용접 전원 공급 장치를 포함한다. 용접 전원 공급 장치는 용접 전극에 연결되어 동작하는 인버터를 포함한다. 병렬 상태 기반 제어기는 용접 상태 테이블 및 움직임 제어 시스템 상태 테이블을 포함한다. 아크 용접 시스템은 용접 전압 센서 및 용접 전류 센서를 포함한다. 용접 전극과 가공물 사이에 전기 아크가 발생된다. 병렬 상태 기반 제어기는 용접 상태 테이블에 따라 용접 파형을 발생시키기 위해 인버터를 제어한다. 용접 상태 테이블은 용접 파형을 정의하는 제1 복수의 순차 제어 상태들을 포함한다. 인버터를 제어하는 단계는 용접 전압 센서로부터의 용접 전압 신호 및 용접 전류 센서로부터의 용접 전류 신호 중 적어도 하나에 기초하여 용접 상태 테이블의 제어 상태들 간에 순차적으로 천이하는 단계를 포함한다. 병렬 상태 기반 제어기는, 인버터를 제어하는 것과 동시에, 움직임 제어 시스템 상태 테이블에 따라 용접 전극의 이동을 제어한다. 움직임 제어 시스템 상태 테이블은 제2 복수의 순차 제어 상태들을 포함한다. 용접 전극의 이동을 제어하는 단계는 용접 전압 센서로부터의 용접 전압 신호 및 용접 전류 센서로부터의 용접 전류 신호 중 적어도 하나에 기초하여 움직임 제어 시스템 상태 테이블의 제어 상태들 간에 순차적으로 천이하는 단계를 포함한다. 어떤 실시예들에서, 병렬 상태 기반 제어기는, 인버터를 제어하는 것과 동시에, 자기 아크 시스템 상태 테이블에 따라 아크의 이동을 제어한다. 자기 아크 시스템 상태 테이블은 복수의 순차 제어 상태들을 포함한다. 아크의 이동을 제어하는 단계는 용접 전압 센서로부터의 용접 전압 신호 및 용접 전류 센서로부터의 용접 전류 신호 중 적어도 하나에 기초하여 자기 아크 시스템 상태 테이블의 제어 상태들 간에 순차적으로 천이하는 단계를 포함한다. 물론, 어떤 실시예들에서, 병렬 상태 기반 제어기는 인버터, 움직임 제어 시스템, 및 자기 아크 시스템의 동작들을 동시에 제어할 수 있다.

어떤 실시예들에서, 아크 용접 시스템은 용접 신호에 기초하여 용접 파형을 출력하는 전력 컨버터를 포함한다. 전력 컨버터는 용접 파형에 기초하여 용접 토치와 가공물 사이에 전기 아크를 생성하기 위해 용접 토치에 연결되어 동작한다. 아크는 용융된 물질의 적어도 하나의 용적(drop)을 가공물 상으로 이행시킨다. 아크 용접 시스템은 또한 자기 조정 신호(magnetic steering signal)에 기초하여 자기장을 발생시키는 자기장 발생기를 포함하는 자기장 시스템, 및 전력 컨버터 및 자기장 제어기에 연결되어 동작하는 제어기를 포함한다. 제어기는 용접 신호에 따라 전력 컨버터의 동작들을 제어하고 이와 동시에 자기 조정 신호에 따라 자기장 시스템을 제어한다. 용접 신호는 각각의 파형 사이클에 대한 피크 부분 및 백그라운드 부분을 포함하고, 자기 조정 신호는 피크 부분을 포함한다. 본 발명의 추가적인 실시예들, 특징들 및 상세들은 이하의 설명, 도면들 및 특허청구범위로부터 추론가능하다.

도 1은 예시적인 아크 용접 시스템의 개략도.
도 2는 상태도.
도 3은 예시적인 아크 용접 시스템의 개략도.
도 4는 예시적인 아크 용접 시스템의 개략도.
도 5는 상태도.
도 6은 예시적인 아크 용접 시스템의 개략도.
도 7은 예시적인 아크 용접 시스템의 개략도.
도 8은 예시적인 아크 용접 시스템의 개략도.
도 9는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 용접 시스템을 개략적으로 나타낸 도면.
도 10은 도 9의 예시적인 아크 용접 시스템의 개략도.
도 11은 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른, 예시적인 용접 파형 및 자기 조정 파형을 나타낸 도면.
도 12는 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 예시적인 상태도.
도 13은 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른, 예시적인 용접 파형 및 자기 조정 파형을 나타낸 도면.
도 14는 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 예시적인 상태도.

본 발명은 아크 용접 시스템에서의 제어기 및 아크 용접 시스템에서 사용하기 위한 제어 방법에 관한 것이다. 본 발명이 이제부터 도면들을 참조하여 기술될 것이고, 유사한 참조 번호들은 도면들 전체에 걸쳐 유사한 요소들을 지칭하는 데 사용된다. 다양한 도면들이 도면마다 또는 주어진 도면에서 꼭 축척대로 그려져 있는 것은 아니라는 것과, 상세하게는 도면들의 이해를 용이하게 하기 위해 구성요소들의 크기가 임의적으로 그려져 있다는 것을 잘 알 것이다. 이하의 설명에서, 설명의 목적상, 본 발명의 완전한 이해를 제공하기 위해 다수의 구체적인 상세들이 기재되어 있다. 그렇지만, 본 발명이 이들 구체적인 상세 없이 실시될 수 있다는 것이 명백할 수 있다. 그에 부가하여, 본 발명의 다른 실시예들이 가능하고, 본 발명이 기술된 것 이외의 방식들로 실시되고 수행될 수 있다. 본 발명을 기술하는 데 사용되는 용어 및 문구는 본 발명의 이해를 증진시키기 위해 이용되고, 제한하는 것으로 보아서는 안된다.

본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "용접"이라는 용어는 아크 용접 공정을 말한다. 예시적인 아크 용접 공정들은 GMAW(gas metal arc welding), GTAW(gas tungsten arc welding), FCAW(flux cored arc welding), SAW(submerged arc welding), MCAW(metal cored arc welding), PAW(plasma arc welding) 등을 포함한다.

본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "전극" 및 "용접 전극"이라는 용어는 용접 전원 공급 장치로부터 가공물로 전기 에너지를 전달하는 용접 토치와 연관된 전극을 말한다. 예시적인 "전극" 및 "용접 전극"은 용접 동안 소모되는 소모(또는 와이어) 전극, (예컨대, 용접 토치의 일부를 형성하는) 비소모 전극, 및 전기 에너지를 소모 전극으로 전달하는 토치 내의 접촉 팁(contact tip)을 포함한다. 전극/용접 전극의 이동은, 소모 와이어 전극을 토치를 통해 가공물 쪽으로 피드하는 것과 같이, 용접 토치 및/또는 가공물에 대해 전극을 이동시키는 것을 말할 수 있다. 전극/용접 전극의 이동은 또한, 토치의 접촉 팁 또는 비소모 전극과 함께, 토치 자체를 가공물에 대해 이동시키는 것을 말할 수 있다.

예시적인 아크 용접 시스템(10)이 도 1에 개략적으로 도시되어 있다. 아크 용접 시스템(10)은 용접 전원 공급 장치(12)를 포함한다. 용접 전원 공급 장치(12)는 용접 작업을 수행하기 위해 전극(16)과 가공물(18) 사이에 전기 아크(14)를 발생시킨다. 용접 전원 공급 장치(12)는 상업용 전원 또는 발전기와 같은 전원(20)으로부터 아크(14)를 발생시키기 위한 전기 에너지를 받는다. 전원(20)은 단상 또는 3상 전원일 수 있다.

용접 전원 공급 장치(12)는 원하는 용접 파형(24)에 따라 아크를 발생시키기 위한 스위칭 유형 전력 컨버터(22)를 포함한다. 예시적인 스위칭 유형 전력 컨버터(22)는 인버터, 초퍼(chopper) 등을 포함한다.

아크 용접 시스템(10)은 전력 컨버터(22)에 연결되어 동작하는 용접 토치(26)를 포함한다. 전력 컨버터(22)는 용접 작업을 수행하기 위해 용접 토치(26)에 전기 에너지를 공급한다. 도 1에서, 토치(26)는 전력 컨버터(22)에 의해 공급된 전기 에너지를 전극(16)에 전달하기 위한 접촉 팁(28)을 가진다. 전극(16)이 용접 작업 동안 소모되는 용접 토치(26)로부터 뻗어 있는 소모 전극이거나 용접 토치의 일부인 비소모 전극일 수 있다는 것을 잘 알 것이다.

전기 리드(30, 32)는 전력 컨버터(22)로부터 토치(26) 및 전극(16)을 통해, 아크(14)를 거쳐, 그리고 가공물(18)을 통한 아크 용접 전류를 위한 완성된 회로를 제공한다.

용접 전원 공급 장치(10)는 병렬 상태 기반 제어기인 제어기(34)를 포함한다. 병렬 상태 기반 제어기의 동작이 이제부터 상세히 논의된다. 병렬 상태 기반 제어기(34)는 전력 컨버터(22)에 연결되어 동작하고, 파형 제어 신호(36)를 전력 컨버터(22)에 제공한다. 병렬 상태 기반 제어기(34)는 파형 제어 신호(36)를 통해 전력 컨버터(22)의 출력을 제어하고, 제어기(34)는 원하는 용접 파형(24)에 따라 파형 제어 신호(36)를 발생시킨다. 용접 파형(24)은 용접 사이클의 다양한 상태들 또는 위상들에 의해 형성된 임의의 수의 형상들을 가질 수 있다. 예를 들어, 용접 파형(24)은 아크를 유지하기 위한 백그라운드 전류 상태(38), 짧은 소거 상태(short clearing state)(40), 피크 전류 상태(42), 테일아웃 전류 상태(tail-out current state)(44), 오버슈트(도시 생략)를 갖거나 갖지 않는 램프업 상태(ramp-up state) 등을 가질 수 있다. 용접 파형(24)은 피크 시간, 램프업 레이트, 테일아웃 속도 등과 같은 연관된 시간 파라미터들을 가질 수 있다. 병렬 상태 기반 제어기(34)는 원하는 용접 파형(24)에 따라 용접 작업을 달성하기 위해 파형 제어 신호(36)를 조절한다. 파형 제어 신호(36)는 전력 컨버터(22) 내의 다양한 스위치들(예컨대, 반도체 스위치들)의 동작을 제어하기 위한 복수의 개별적인 제어 신호들을 포함할 수 있다. 게다가, 파형 제어 신호(36)는 전력 컨버터(22)의 일부인 별도의 제어기(예컨대, 인버터 제어기)에 공급될 수 있다.

병렬 상태 기반 제어기(34)는 피드백 신호들을 통해 용접 공정의 다양한 측면들을 모니터링한다. 예를 들어, 분로(shunt)(46) 또는 변류기(current transformer)(CT)는 용접 전류 피드백 신호를 병렬 상태 기반 제어기(34)에 제공할 수 있고, 전압 센서(48)는 용접 전압 피드백 신호를 제어기(34)에 제공할 수 있다.

병렬 상태 기반 제어기(34)는 전자 제어기일 수 있고, 프로세서를 포함할 수 있다. 병렬 상태 기반 제어기(34)는 마이크로프로세서, 마이크로컨트롤러, DSP(digital signal processor), ASIC(application specific integrated circuit), FPGA(field-programmable gate array), 이산 논리 회로, 기타 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 병렬 상태 기반 제어기(34)는 메모리 부분(50)(예컨대, RAM 또는 ROM)을 포함한다. 메모리 부분(50)은 병렬 상태 기반 제어기(34)로 하여금 본 명세서에서 그에 속하는 것으로 생각되는 기능을 제공하게 하는 아크 용접 프로그램들 및 움직임 제어 프로그램들을 정의하는 프로그램 명령어들을 저장할 수 있다. 특정의 실시예들에서, 병렬 상태 기반 제어기(34)는 제어기에서 사용하기 위한 프로그램들 및/또는 파라미터들을 저장하는 원격 메모리(도시 생략)에 액세스할 수 있다. 병렬 상태 기반 제어기(34)는 근거리 통신망, 원거리 통신망, 인터넷 등과 같은 네트워크를 통해 이러한 원격 메모리에 액세스할 수 있다. 예시적인 원격 메모리는 원격 서버, 클라우드 기반 메모리 등을 포함한다.

앞서 살펴본 바와 같이, 제어기(34)는 병렬 상태 기반 제어기이다. 병렬 상태 기반 제어기(34)는 상태 테이블 개념들에 따라 용접 작업을 제어한다. 원하는 용접 파형(24)을 포함하는 용접 작업은 일련의 순차 제어 상태들로 세분화된다. 파형 제어 신호(36)를 통해, 병렬 상태 기반 제어기(34)는 현재의 제어 상태에 따라 전력 컨버터(22)의 출력을 제어한다. 예시적인 제어 상태들은 오프, 피크 전류, 백그라운드 전류 등을 포함한다. 병렬 상태 기반 제어기(34)는 용접 작업의 파라미터들에 기초하여 제어 상태로부터 제어 상태로 천이한다. 예를 들어, 병렬 상태 기반 제어기(34)는 용접 전류 피드백 신호로부터의 용접 전류 레벨, 용접 전압 피드백 신호로부터의 용접 전압 레벨, 경과 시간(예컨대, 현재 상태에서의 경과 시간), 다른 피드백 신호들(예컨대, 위치 신호, 리미트 스위치 상태) 등과 같은 파라미터들에 기초하여 제어 상태들 간에 천이할 수 있다.

메모리 부분(50)은 병렬 상태 기반 제어기(34)에서 사용하기 위한 복수의 상태 테이블들(52)을 저장한다. 저장된 상태 테이블들(52)은 용접 상태 테이블들 및 움직임 제어 시스템 상태 테이블들을 포함한다. 병렬 상태 기반 제어기(34)는 용접 작업을 제어하기 위해 적어도 하나의 움직임 제어 시스템 상태 테이블과 동시에 용접 상태 테이블을 구현한다.

상태 테이블들(52)은 다양한 상태들의 기능들을 나타내는 코딩된 파라미터들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 피크 전류 상태를 가지는 상태 테이블은 원하는 피크 전류를 나타내는 파라미터를 가질 것이다. 상태 테이블들(52)은 또한 상태가 종료될 때, 및 현재 상태가 종료될 때 진입할 다음 상태를 나타내는 파라미터들을 포함한다. 각각의 상태는, 용접 동안 모니터링되는 다양한 파라미터들에 기초하여, 다수의 다음 상태들과 연관되어 있을 수 있다. 예를 들어, 현재 상태는 단락 회로 조건이 검출되는 경우 제1 다음 상태로, 그리고 대안적으로 경과 시간에 기초하여 (제1 다음 상태와 상이한) 제2 다음 상태로 천이할 수 있다.

일반적으로, 각각의 용접 상태 테이블은 다함께 용접 작업의 측면들 및 용접 파형을 정의하는 다수의 개별적인 상태들을 포함한다. 용접 상태 테이블 내의 각각의 개별 상태는 그 상태(예컨대, 피크 전류 레벨)에 의해 제공되는 기능에 대응하는 적어도 하나의 파라미터 또는 명령어, 그 상태의 끝을 나타내는 파라미터들 또는 체크들, 및 다음 상태 또는 상태들을 나타내는 파라미터들을 포함한다. 그 상태에 의해 제공되는 기능에 대응하는 파라미터 또는 명령어에 부가하여, 각각의 상태는 수행할 부가의 정리 작업들을 가질 수 있다. 예시적인 정리 작업들은 타이머를 리셋시키는 것, 카운터를 소거하는 것 등을 포함한다. 각각의 상태 테이블은 상태 테이블에서 사용되는 다양한 파라미터들을 저장하는 연관된 데이터 테이블(53)을 가질 수 있다. 데이터 테이블은 스프레드쉬트로서 구성될 수 있고, 상태 테이블의 동작은 그의 연관된 데이터 테이블 내의 엔트리들을 변경하는 것에 의해 수정될 수 있다. 다수의 상태들을 연결시키는 것에 의해 다수의 파형들이 생성될 수 있다는 것과, 용접 프로그램들이 상태들을 추가, 제거, 및/또는 재정렬하는 것에 의해 수정될 수 있다는 것을 잘 알 것이다.

병렬 상태 기반 제어기(34)는 2개 이상의 상태 테이블들을 사용하여 2개 이상의 개별적인 제어 동작들을 동시에(즉, 병렬로) 수행한다. 도 1에서, 병렬 상태 기반 제어기(34)는 용접 상태 테이블(54) 및 움직임 제어 시스템 상태 테이블(56)을 동시에 사용하여 용접 파형(24) 및 용접 토치(26)의 위치 둘 다를 제어한다. 용접 상태 테이블(54)은 용접 파형(24)을 정의하기 위한 제1 복수의 순차 제어 상태들을 포함하고, 움직임 제어 시스템 상태 테이블(56)은 용접 토치(26)의 이동을 제어하기 위한 제2 복수의 순차 제어 상태들을 포함한다. 설명의 편의상, 다양한 제어 동작들이 병렬 상태 기반 제어기(34)에 의해, 용접 상태 테이블(54)에 의해, 또는 움직임 제어 시스템 상태 테이블(56)에 의해 수행되는 것으로 이하에 기술되어 있다. 병렬 상태 기반 제어기(34)가 상태 테이블들(54, 56) 각각에 정의된 제어 동작들을 실행하기 때문에, 모든 이러한 제어 동작들이 그 제어기에 의해 수행된다는 것을 잘 알 것이다.

용접 토치(26)는 토치를 이동시키는 움직임 제어 시스템에 연결되어 있다. 도 1에서, 움직임 제어 시스템은 용접 토치(26)를 가공물(18) 쪽으로 그리고 그로부터 멀어지는 쪽으로 선형으로 이동시키는 모터(58) 및 모터(58)를 조작하는 움직임 제어 시스템 제어기(60)(예컨대, 모터 제어기)를 포함하는 것으로 개략적으로 도시되어 있다. 움직임 제어 시스템이 용접 동안 토치(26)를, 로봇에 의해 행해지는 것과 같이, 다차원으로 이동시킬 수 있거나, 토치를 가공물의 길이를 따라 진행시킬 수 있거나, 토치를 진동(예컨대, 위빙)시킬 수 있다는 것을 잘 알 것이다. 그렇지만, 도 1에서, 움직임 제어 시스템은 토치를 1차원으로(예컨대, 수직으로) 이동시킨다. 움직임 제어 시스템 제어기(60)는 병렬 상태 기반 제어기(34)로부터 움직임 제어 신호(62)를 수신한다. 움직임 제어 시스템 제어기(60)는 병렬 상태 기반 제어기(34)로부터 수신된 움직임 제어 신호(62)에 따라 토치(26)의 위치를 조절하거나 그의 이동들을 다른 방식으로 제어한다. 움직임 제어 신호(62)는 아날로그 신호(예컨대, 0 내지 10 VDC, 4 내지 20 mA 등)이거나 디지털 신호일 수 있다. 특정의 실시예들에서, 움직임 제어 시스템 제어기(60) 및 병렬 상태 기반 제어기(34)는 양방향 직렬 통신(예컨대, USB, 이더넷 등)을 통하는 등에 의해 양방향으로 통신한다.

위치 센서(64)는 토치(26)의 위치 또는 이동들을 감지하고, 위치 피드백 신호(66)를 병렬 상태 기반 제어기(34)에 그리고/또는 움직임 제어 시스템 제어기(60)에 제공한다. 위치 피드백 신호(66)는 병렬 상태 기반 제어기(34) 및 움직임 제어 시스템 제어기(60)에 의해 그 각자의 제어 동작들에서 사용될 수 있다. 더욱이, 용접 상태 테이블(54) 및 움직임 제어 시스템 상태 테이블(56) 둘 다는 각각의 상태 테이블에서의 하나 이상의 상태들과 연관된 파라미터로서 토치 위치를 포함할 수 있다. 위치 센서(64)는 절대 위치, 이동의 양, 속도, 및/또는 이동의 방향을 감지할 수 있다.

위치 센서(64)는 토치(26)의 위치를 감지하는 것으로 개략적으로 도시되어 있다. 그렇지만, 위치 센서(64)는 모터(58)의 회전, 가공물(18)의 위치, 아크의 길이 등과 같은 다른 조건들을 감지할 수 있다.

움직임 제어 시스템 상태 테이블(56)은 용접 토치(26)의 이동들과 연관된 복수의 상태들을 포함한다. 움직임 제어 시스템 상태 테이블(56)에서의 상태들은 원하는 용접 작업을 수행하기 위해 용접 상태 테이블(54)에서의 상태들과 관련하여 동작한다. 용접 상태 테이블(54) 및 움직임 제어 시스템 상태 테이블(56)에 각각 포함되어 있는 용접 제어 명령어들 및 움직임 제어 명령어들이 공통 제어기(34)에 의해 수행되기 때문에, 상태 기반 움직임 제어가 상태 기반 용접 제어기에 밀접하게 결합될 수 있다. 이것은 개별적인 용접 및 움직임 제어기들을 이용하는 종래의 제어 시스템들과 비교할 때 상태 기반 움직임 제어가 빠른 레이트로 수행될 수 있게 한다. 개별적인 용접 및 움직임 제어기들의 사용은 종종 중복 센서들을 필요로 하고, 제어기들의 동작들 사이에 지연(예컨대, 50 ms 이상)을 부가하며, 제어기들 간의 밀접한 제어가 필요할 때 이러한 지연은 바람직하지 않을 수 있다. 또한, 종래의 움직임 제어기들에 의해 사용되는 피드백 신호들(예컨대, 용접 전압, 전류 등)은 때때로 잡음이 많고, 이는 움직임 제어기가 신속하고 및/또는 정확하게 동작할 수 있는 것에 영향을 미칠 수 있다. 다음과 같은 용접 상태들과 용접 토치 또는 용접 전극의 이동 간의 밀접한 제어가 동작들 동안 바람직할 수 있다: (a) 토치 후퇴 시작; (b) 단락 회로를 감지할 때 멈추거나 후퇴하는 것; (c) 적응적 또는 변조된 전극 와이어 피드 속도 공정들; (d) 자동 돌출 길이(stick out) 제어(예컨대, 접촉 팁-가공물간 거리(contact tip to work distance)의 조절); (e) 자동 전압 제어를 갖거나 갖지 않는 위빙 시스템(weaving system); (f) 용접선 추적; (g) 버그(bug)의 위치에 기초한 제어를 갖는 버그 시스템을 사용한 궤도 파이프 용접(orbital pipe welding) 등. 도 1에 도시된 공통 제어기 방식은 정보가 상태 테이블들 간에 실시간으로 공유될 수 있게 하고, 각각의 상태 테이블은 다른 상태 테이블의 제어 동작들에 기초하여 신속하게 조절하거나 그 제어 동작들을 고려할 수 있다. 공통 제어기 방식은 또한 동일한 파라미터(예컨대, 공유 파라미터 또는 피드백 신호)에 기초하여 각각의 상태 테이블(54, 56)에서의 상태 천이들이 일어날 수 있게 한다. 그에 따라, 움직임 제어 시스템에 의한 위치 "탐색"(position "hunting")과 같은 제어 불안정성을 야기하는 일 없이, 상태 기반 움직임 제어가 신속하게 수행될 수 있다. 예를 들어, 전력 컨버터(22)를 제어하는 동안, 병렬 상태 기반 제어기(34)는 전형적으로 1 Hz의 범위에서 동작하는 종래의 시스템들에서보다 훨씬 더 빠른 제어 레이트인 100 Hz 이상의 주파수로 움직임 제어 신호(62)를 업데이트(예컨대, 신호 레벨을 업데이트)할 수 있다.

도 2는 용접 인버터 및 움직임 제어 시스템이 앞서 논의된 바와 같이 병렬 상태 테이블들을 사용하여 어떻게 동시에 제어될 수 있는지를 보여주는 예시적인 상태도들을 제공한다. 제어 상태들이 공통 제어기(34)(도 1)에 의해 구현되기 때문에, 하나의 상태 테이블의 실행 동안 나오는 계산들 또는 파라미터들이 다른 상태 테이블에 의해 신속하게 공유되고 사용될 수 있다. 이와 같이, 상태 테이블들이 정보를 공유하거나 교환하는 것으로서 개념적으로 생각될 수 있다. 더욱이, 용접 전압, 용접 전류, 토치 위치 등과 같은 동일한 피드백 신호들이 상태 테이블들 내에서의 상태 천이들을 제어하기 위해 양쪽 상태 테이블들에서 사용될 수 있다.

도 2에서, 용접 상태 테이블의 측면들은 좌측에 도시되어 있고, 움직임 제어 시스템 상태 테이블의 측면들은 우측에 도시되어 있다. 용접 상태 테이블 및 움직임 제어 시스템 상태 테이블은 다함께 용접 작업의 토치 후퇴 시작을 수행하고 용접 토치의 CTWD(contact tip to work distance)를 조절하는 동작을 한다. CTWD는 도 1에서 거리 "D"로서 도시되어 있고, CTWD는 용접 토치를 상하로 이동시키는 것에 의해 조절될 수 있다. CTWD를 조절하는 것은 용접 아크의 아크 길이를 조절하는 역할을 할 것이다.

용접 토치와 연관된 트리거가 스위치 온될 때, 병렬 상태 기반 제어기는 먼저 상태 1a에 따라 인버터를 그리고 상태 1b에 따라 토치 이동을 제어한다. 상태 1a에서, 병렬 상태 기반 제어기는 토치를 가공물 쪽으로 이동시키면서 용접 전원 공급 장치의 개방 회로 전압(open circuit voltage)(OCV)을 조절한다. 용접 상태 테이블 및 움직임 제어 시스템 상태 테이블 둘 다는 전압 센서로부터의 감소된 용접 전압(예컨대, <10 V) - 이는 용접 와이어가 가공물을 터치했다는 것을 나타냄 - 에 응답한다. 그에 따라, 용접 상태 테이블 및 움직임 제어 시스템 상태 테이블은, 각각, 상태 2a 및 상태 2b로 천이한다. 상태 2a에서, 병렬 상태 기반 제어기는 20A의 용접 전류를 달성하기 위해 인버터에 공급되는 파형 제어 신호를 조절하고 또한 토치를 후퇴시키기 위해 움직임 제어 신호를 조절한다. 용접 전압이 증가할 때(예컨대, >15V), 아크가 발생되었고, 상태 테이블들이 상태 3a 및 상태 3b로 천이한다. 상태 3a에서, 병렬 상태 기반 제어기는 용접 와이어를 원하는 와이어 피드 속도(wire feed speed)(WFS)로 피드하기 시작하라고 피더(feeder)에 지시하고, 토치가 후퇴하는 것을 중단하도록 움직임 제어 신호를 조절한다. 용접 상태 테이블은 이제 소정의 시간들(예컨대, 피크 시간 및 백그라운드 시간)에 기초하여 피크 전류 상태(4a)와 백그라운드 전류 상태(5a) 사이에서 교번하는 것에 의해 용접 작업을 제어하는 반면, 움직임 제어 시스템 상태 테이블은 CTWD를 조절한다(상태 4b). 피크 전류 상태에서의 경과 시간이 피크 시간을 초과할 때(t>피크 시간), 용접 상태 테이블은 백그라운드 상태로 천이하고 타이머가 리셋되며; 백그라운드 상태에서의 경과 시간이 백그라운드 시간을 초과할 때(t>백그라운드 시간), 용접 상태 테이블은 피크 전류 상태로 다시 천이하고 타이머가 또다시 리셋된다. 용접 상태 테이블은 피크 전류 상태(4a)와 백그라운드 전류 상태(5a) 사이에서 계속하여 교번하는 반면, 움직임 제어 시스템 상태 테이블은 트리거가 스위치 오프될 때까지 CTWD를 조절한다(상태 4b). 이어서, 양쪽 상태 테이블들은 오프(6a) 또는 종료(5b) 상태에 진입한다.

CTWD가 가공물 및/또는 가공물에서의 결함들(예컨대, 높은 스폿 및 낮은 스폿)의 형상에 의해 영향을 받는다는 것을 잘 알 것이다. 이와 같이, 용접 동안 CTWD가 변할 수 있다. CTWD는 적절한 피드백 신호 또는 신호들로부터 직접 (예컨대, 위치 측정을 통해) 병렬 상태 기반 제어기(34)에 의해 결정될 수 있다. CTWD는 또한 용접 파라미터들에 관련되어 있고(예컨대, 용접 전압에 비례하고), 따라서 또한 용접 전압, 용접 전류 등과 같은 용접 파라미터들로부터 결정될 수 있다. 예를 들어, 일정한 전류(constant current) 또는 조절된 전류(regulated current) 용접 절차 동안, 증가된 CTWD가 증가된 평균 용접 전압으로서 관찰가능할 것인 반면, 감소된 CTWD는 감소된 평균 용접 전압으로서 관찰가능할 것이다. 정전압 또는 조절된 전압 용접 절차에서, 증가된 CTWD는 감소된 평균 용접 전류로서 관찰가능할 것인 반면, 감소된 CTWD는 증가된 평균 용접 전류로서 관찰가능할 것이다. 움직임 제어 시스템 상태 테이블은 피드백 신호들(예컨대, 용접 전압, 용접 전류 등)을 기준과 비교하는 것 및 피드백 신호와 기준 신호 간의 차인 오차 신호에 기초하여 CTWD를 조절하는 것에 의해 CTWD를 조절할 수 있다. CTWD를 조절함에 있어서, 움직임 제어 시스템 상태 테이블은 피드백 신호의 특정의 특성들(그의 평균 값(예컨대, 평균 전압), 그의 피크 값(예컨대, 피크 전류), 적분된 값, 기타 등등)을 고려할 수 있다.

용접 전원 공급 장치가 일정한 아크 길이를 유지하기 위해 용접 전류를 제어하는 것에 의해 CTWD의 변화들에 대해 조절되는 적응 제어 방식들이 공지되어 있다. 전력 컨버터는 40 내지 120 kHz의 범위의 주파수로 동작하고, 따라서 용접 파형을 아주 신속하게 조절할 수 있다. 적응 제어는 평균 전압에 기초하여 용접 전류를 조절한다. 일반적으로, 용접 파형은 20 내지 300 Hz의 주파수를 가지며, 적응 제어는 이러한 범위에서 동작한다. 적응 제어가 전력 컨버터보다 더 느리게 동작하기 때문에, 이 둘이 서로 잘 동작한다. 앞서 논의된 바와 같이 토치 및/또는 전극의 움직임 제어가 추가될 때, 적응 제어를 제거하고 움직임 제어 시스템 상태 테이블(56)이 단독으로 CTWD의 변화에 대해 조절될 수 있게 하는 것이 바람직할 수 있다. 이 경우에, 움직임 제어 신호(62)가 적응 제어의 속도와 유사한 100 Hz 이상의 주파수로 업데이트될 수 있다. 다른 대안으로서, 적응 제어가 유지될 수 있고, 움직임 제어의 속도가, 예를 들어, 약 10 Hz로 감소될 수 있다.

도 1을 참조하면, 용접 상태 테이블(54) 및 움직임 제어 시스템 상태 테이블(56)은 피드백 신호들(용접 전압, 용접 전류, 위치 등)을 직접 사용할 수 있거나, 피드백 신호들이 처리되고 이어서 상태 테이블들에 의해 사용될 수 있다. 예를 들어, 병렬 상태 기반 제어기(34)는 피드백 신호들을 처리하기 위한 하나 이상의 필터들(68) 또는 계산 블록들(70)을 포함할 수 있다. 필터들 및 다른 처리 블록들을 통해, 상태 테이블들(54, 56)은 평균 전류 및 전압, 평균 위치, 피크 전류 및 전압, 평균 및 피크 전력, 적분된 값 및 미분 값 등과 같은 파라미터들을 사용할 수 있다. 용접 전력이 전압 피드백 신호와 전류 피드백 신호를 곱하는 계산 블록에 의해 계산될 수 있고, 용접 전력이 부가의 계산 블록들(도시 생략)에 의해 처리될 수 있다.

메모리 부분(50)은 복수의 용접 상태 테이블들 및 복수의 움직임 제어 시스템 상태 테이블들, 그리고 이들의 연관된 데이터 테이블들을 저장할 수 있다. 병렬 상태 기반 제어기(34)는 용접 전원 공급 장치(12)에서의 사용자 입력들에 기초하여 용접 작업을 제어하는 데 사용하기 위해 특정의 용접 상태 테이블 및/또는 움직임 제어 시스템 상태 테이블을 선택할 수 있다. 예를 들어, 용접 전원 공급 장치(12)는 사용자가 특정의 용접 프로그램을 선택할 수 있게 하는 입력 디바이스(72), 및 WFS, Volts, Amps, 용접 크기(예컨대, 1/4 인치, 5/16 인치 등)와 같은 다양한 파라미터들을 설정하기 위한 입력 디바이스들(74, 76, 78)을 포함할 수 있다. 병렬 상태 기반 제어기(34)는 사용자 입력들에 기초하여 적절한 용접 상태 테이블 및/또는 움직임 제어 시스템 상태 테이블을 선택 및/또는 수정할 수 있다. 특정의 실시예들에서, 용접 전원 공급 장치(12)는 용접 크기, WFS 등과 같은 단일의 사용자 입력으로부터 용접 상태 테이블 및 움직임 제어 시스템 상태 테이블을 포함하는 용접 프로그램을 선택하도록 구성되어 있다. 용접 전원 공급 장치(12)는 선택된 용접 프로그램, 다양한 용접 파라미터들 등을 사용자에게 알려주기 위한 디스플레이와 같은 출력 디바이스를 추가로 포함할 수 있다.

용접 전압, 용접 전류, 및 용접 토치의 위치와 같은 피드백 신호들에 부가하여, 상태 테이블들(54, 56)이 용접 시스템으로부터의 아날로그 및 디지털 입력들, 내부 타이머들 및 플래그들의 상태, 입력 디바이스(74, 76, 78) 설정들 등과 같은 수많은 부가의 파라미터들을 그들의 제어 기능들을 수행하는 데 사용할 수 있다는 것을 잘 알 것이다.

특정의 실시예들에서, 병렬 상태 기반 제어기(34)는 용접 작업에서 사용하기 위해 선택되는 용접 상태 테이블(54)의 특성들에 기초하여 특정의 움직임 제어 시스템 상태 테이블을 자동으로 선택한다. 예를 들어, 용접 상태 테이블(54)은 일정한 또는 조절된 전류 또는 일정한 또는 조절된 전력 레벨에서 용접하도록 구성될 수 있고, 병렬 상태 기반 제어기(34)는 전압(예컨대, 평균 전압, 피크 전압, 전압 변화 등)에 기초하여 CTWD를 조절하는 적절한 상태 테이블을 움직임 제어 시스템 상태 테이블(56)로서 자동으로 선택할 수 있다. 이와 유사하게, 용접 상태 테이블(54)은 일정한 또는 조절된 전압 레벨에서 용접하도록 구성될 수 있고, 병렬 상태 기반 제어기(34)는 전류(예컨대, 평균 전류, 피크 전압, 전류 변화 등)에 기초하여 CTWD를 조절하는 적절한 상태 테이블을 움직임 제어 시스템 상태 테이블(56)로서 자동으로 선택할 수 있다. 용접 상태 테이블(54)이 용접 전압을 조절하는 것으로부터 용접 전류를 조절하는 것으로 변경될 때(예컨대, 용접 작업을 제어하기 위해 상이한 용접 상태 테이블이 선택될 때), 병렬 상태 기반 제어기(34)는 그에 따라 움직임 제어 시스템 상태 테이블(56)을 용접 전류에 기초하여 CTWD를 조절하는 것으로부터 전압에 기초하여 CTWD를 조절하는 것으로 자동으로 변경할 수 있다. CTWD를 조절하기보다는, 자동으로 선택된 움직임 제어 상태 테이블이 WFS, 가공물을 따라서 용접 토치의 이동, 파이프 주위에서의 용접 토치의 이동 등과 같은 용접 작업의 측면들을 제어할 수 있다.

상이한 용접 상태 테이블들에 의해 구현되는 용접 절차들의 유형들과 CTWD를 제어하기 위해 각자의 움직임 제어 시스템 상태 테이블들에 의해 사용되는 피드백 신호들의 예시적인 연관 관계들은 다음과 같다:

도 3을 참조하면, 예시적인 실시예에서, 움직임 제어 시스템은 아크 용접선 추적을 통한 시스템(through the arc seam tracking system)의 일부일 수 있는 위버 제어기(weaver controller)(60a) 및 위버 모터(weaver motor)(58a)를 포함한다. 위버 모터는 움직임 제어 신호(62)에 따라 위브 용접 이동(weave welding movement)을 수행하기 위해 용접 토치(26)를 진동시킨다. 용접 전원 공급 장치(12)는 앞서 논의된 바와 같이 병렬 상태 기반 제어기를 사용하여 용접 작업 및 용접 토치(26)의 이동 둘 다를 제어한다. 이 경우에, 움직임 제어 시스템 상태 테이블(도 3에 "위버 상태 테이블"로서 도시되어 있음)은 용접 토치(26)의 진동하는 위브 용접 이동을 제어하도록 구성되어 있다. 용접 전원 공급 장치(12)는 복수의 상태 테이블들을 사용하여 소정의 용접 크기(예컨대, 수분의 1 인치)를 획득하기 위해 용접 전류 및 용접 토치(26)의 진동하는 위브 용접 이동을 제어할 수 있다. 용접 동안 용접 토치(26)의 위빙을 제어할 때, 용접 전원 공급 장치(12)는 앞서 논의된 바와 같이 CTWD를 조절할 수 있고, 그리고/또는 토치의 진동 속도를 제어할 수 있다. 용접 전원 공급 장치(12)는 또한 용접 전압 및/또는 용접 전류 피드백 신호들에 기초하여 용접 이음(welding joint)의 가장자리들을 결정할 수 있다. 움직임 제어 신호(62)를 통해(예컨대, 움직임 제어 신호의 신호 레벨에 따라), 용접 전원 공급 장치(12)는 토치의 진동 속도 및/또는 가공물(18)에 대한 토치의 위치를 제어할 수 있다. 그에 부가하여, 용접 전압 및/또는 용접 전류 피드백 신호들을 사용함으로써, 용접 전원 공급 장치(12)는 진동의 중심을 조절함으로써 이음의 가장자리를 추적할 수 있다.

도 4를 참조하면, 도 4는 병렬 상태 기반 제어기(34)가 전극(16)의 와이어 피드 속도(WFS)를 제어하는 예시적인 실시예를 나타낸 것이다. 전극(16)은 모터 작동 핀치 롤러들(82)에 의해 스풀(80)로부터 피드된다. 모터 작동 핀치 롤러들(82)은 전극(16)에 대한 움직임 제어 시스템의 일부이다. 움직임 제어 시스템은 핀치 롤러들(82)을 작동시키는 움직임 제어 시스템 제어기(61)(예컨대, 모터 제어기)를 추가로 포함한다. 움직임 제어 시스템 제어기(61)는 병렬 상태 기반 제어기(34)로부터 움직임 제어 신호(63)를 수신하고, 움직임 제어 시스템 제어기(61)는 병렬 상태 기반 제어기로부터 수신된 움직임 제어 신호(63)에 따라 WFS를 조절한다. 도 4에서, 움직임 제어 신호(63)는 움직임 제어 시스템 상태 테이블(57)에 의해 결정되는 WFS 제어 신호이다. 움직임 제어 신호(63)는 아날로그 신호이거나 디지털 신호일 수 있다.

움직임 제어 시스템 상태 테이블(57)은, 용접 상태 테이블(54)에 정의된 용접 작업과 관련하여, CTWD보다는 WFS 또는 증착 속도를 제어하도록 구성된 것을 제외하고, 앞서 논의된 움직임 제어 시스템 상태 테이블(56)과 유사하다. 이와 같이, 움직임 제어 시스템 상태 테이블(57)은 도 1 및 도 2에 대해 앞서 논의된 것들로부터의 16개의 상이한 상태들을 가질 수 있다. 예를 들어, 움직임 제어 시스템 상태 테이블(57)은 모터 속도 조절(regulate motor speed), 램프 속도(ramp speed), 제동, 제동 및 역전(brake and reverse) 등과 같은 상태들을 가질 수 있다.

병렬 상태 기반 제어기(34) 및 움직임 제어 시스템 제어기(61)는 모터 작동 핀치 롤러들(82)의 속도 또는 전극(16)의 속도를 나타내는 속도 피드백 신호(84)를 속도 센서(86)로부터 수신한다. 예시적인 속도 센서(86)는 핀치 롤러들의 실제 속도, 핀치 롤러들을 구동하는 모터의 속도, 또는 핀치 롤러들을 구동하는 기어의 속도를 감지하는 인코더 또는 다른 회전 센서이다. 센서(86)는 또한 전극(16)의 속도 및/또는 방향을 직접 측정할 수 있을 것이다.

도 5는 용접 인버터 및 전극 와이어 피더가 앞서 논의된 바와 같이 병렬 상태 테이블들을 사용하여 어떻게 동시에 제어될 수 있는지를 보여주는 예시적인 상태도들을 제공한다. 용접 상태 테이블의 측면들은 좌측에 도시되어 있고, 움직임 제어 시스템 상태 테이블의 측면들은 우측에 도시되어 있다. 용접 상태 테이블 및 움직임 제어 시스템 상태 테이블은 다함께 용접 작업의 토치 후퇴 시작을 수행하고 WFS를 조절하는 동작을 한다. 용접 토치와 연관된 트리거가 스위치 온될 때, 병렬 상태 기반 제어기는 먼저 상태 1a에 따라 인버터를 그리고 상태 1b에 따라 전극 이동을 제어한다. 상태 1a에서, 병렬 상태 기반 제어기는 와이어 전극을 가공물 쪽으로 이동시키면서 용접 전원 공급 장치의 개방 회로 전압(OCV)을 조절한다. 용접 상태 테이블 및 움직임 제어 시스템 상태 테이블 둘 다는 전압 센서로부터의 감소된 용접 전압(예컨대, <10 V) - 이는 와이어 전극이 가공물을 터치했다는 것을 나타냄 - 에 응답한다. 그에 따라, 용접 상태 테이블 및 움직임 제어 시스템 상태 테이블은, 각각, 상태 2a 및 상태 2b로 천이한다. 상태 2a에서, 병렬 상태 기반 제어기는 20A의 용접 전류를 달성하기 위해 인버터에 공급되는 파형 제어 신호를 조절하고 또한 와이어 전극을 제동하고 가공물로부터 후퇴시키기 위해 움직임 제어 신호를 조절한다. 용접 전압이 증가할 때(예컨대, >15V), 아크가 발생되었고, 상태 테이블들이 상태 3a 및 상태 3b로 천이한다. 상태 3a에서, 병렬 상태 기반 제어기는 실제 용접을 시작하고, 와이어 전극이 후퇴를 중단하고 다시 가공물 쪽으로 이동하며 용접 WFS로 램프업하도록 움직임 제어 신호를 조절한다. 속도 피드백 신호로부터의 실제 WFS가 용접 WFS의 80%를 초과할 때, 용접 상태 테이블은 소정의 시간들에 기초하여 피크 전류 상태(4a)와 백그라운드 전류 상태(5a) 사이에서 교번하는 것에 의해 용접 작업을 제어하는 반면, 움직임 제어 시스템 상태 테이블은 소정의 용접 또는 아크 전압을 유지하기 위해 WFS를 조절한다(상태 4b). 용접 상태 테이블은 피크 전류 상태(4a)와 백그라운드 전류 사이에서 계속하여 교번하는 반면, 움직임 제어 시스템 상태 테이블은 트리거가 스위치 오프될 때까지 WFS를 조절한다(상태 4b). 이어서, 양쪽 상태 테이블들은 오프(6a) 또는 종료(5b) 상태에 진입한다.

병렬 상태 기반 제어기(34)는 다수의 병렬 상태 테이블들을 동시에 사용하여 아크 용접 시스템(10)의 몇가지 측면들을 제어할 수 있다. 도 6에서, 예를 들어, 병렬 상태 기반 제어기(34)는 3개의 병렬 상태 테이블들(54, 56, 57)을 사용하여 동시에 용접 파형을 제어하고, CTWD를 조절하며, WFS를 조절한다. 하나의 움직임 제어 시스템 상태 테이블(56)은 CTWD를 제어하도록 구성되어 있고, 다른 움직임 제어 시스템 상태 테이블(57)은 WFS를 제어하도록 구성되어 있다. 병렬 상태 기반 제어기(34)가 CTWD 및 WFS를 제어하기 위해 움직임 제어 신호들(62, 63)의 값을 조절하는 주파수가 위치 탐색과 같은 불안정성을 피하기 위해 조정될 수 있다. 예를 들어, 병렬 상태 기반 제어기(34)는 CTWD에 대한 움직임 제어 신호(62)를 100 Hz와 같은 제1 주파수로 업데이트하고, WFS에 대한 움직임 제어 신호(63)를 10 Hz 이하와 같은 더 느린 제2 주파수로 업데이트할 수 있다.

도 7은 용접 전원 공급 장치(12)가 용접 파형 그리고 위버 제어기(60a) 및 버그 제어기(65)의 동작들을 동시에 제어하는 것을 나타낸 것이다. 버그 제어기는 용접 버그(welding bug)(90)를 사용하여 파이프(88) 주위에서의 용접 토치(26)의 원주상(궤도상) 이동을 제어한다. 이와 같이, 용접 전원 공급 장치(12)는 용접 토치(12)의 진동하는 위브 용접 이동들 및 파이프(88)인 가공물을 따라서 용접 토치의 이동 둘 다를 동시에 제어한다. 이것을 하기 위해, 용접 전원 공급 장치(12)는 3개의 병렬 상태 테이블들 - 용접 파형에 대한 테이블, 위빙을 제어하기 위한 테이블, 및 파이프(88)를 따라서 용접 토치(26)의 이동을 제어하기 위한 테이블(즉, "버그 상태 테이블") - 을 사용하는 병렬 상태 기반 제어기를 이용한다.

도 8은 용접 전원 공급 장치(12)가 용접 파형 그리고 캐리지 제어기(92) 및 추적기 제어기(94)의 동작들을 동시에 제어하는 것을 나타낸 것이다. 다시 말하지만, 용접 전원 공급 장치(12)는 3개의 병렬 상태 테이블들 - 용접 파형에 대한 테이블, 캐리지(96)의 이동을 제어하기 위한 테이블(즉, "캐리지 제어기"), 및 추적기 제어기(94)에 대한 테이블(즉, "추적기 제어기") - 을 사용하는 병렬 상태 기반 제어기를 이용한다. 캐리지 제어기(92)는 용접 전원 공급 장치(12)로부터 움직임 제어 신호를 수신하고, 그에 기초하여, 가공물(18)의 길이를 따라 종방향으로 캐리지(96) 및 용접 토치(26)의 이동을 제어한다. 이음 추적기가 입력 디바이스(좌우/상하의 용접선 트랙) 및 출력 디바이스(용접선에 토치를 위치시키기 위한 상하, 좌우 슬라이드) 둘 다로서 추가될 수 있다.

적어도 용접 전력 컨버터(또는 인버터) 및 자기 아크 제어기를 포함하는 다양한 용접 시스템 구성들에서 사용될 수 있는 병렬 상태 기반 제어기들의 부가의 예시적인 실시예들이 이하에서 논의된다. 그렇지만, 예시적인 시스템 구성들은 제한하는 것이 아니며, 본 명세서에서 논의된 병렬 상태 기반 제어기 개념들이 거의 모든 용접 시스템 구성에 포함될 수 있다. 예를 들어, 미국 특허 출원 제13/438,703호(참조 문헌으로서 그 전체가 본 명세서에 포함됨)는 본 발명에 포함될 수 있는 용접 전원 공급 장치(인버터) 및 자기 아크 제어기 구성들을 포함한다.

도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 예시적인 GMAW 유형 용접 시스템(100)을 나타낸 것이다. 시스템(100)은 적어도 하나의 용접 전원 공급 장치(101)를 포함한다. 전원 공급 장치(101)는 펄스 용접 파형으로 용접할 수 있고, 용접 전류를 용접 토치(110)를 통해 소모 용접 전극(113) - 용적 이행 또는 유사한 이행 동작을 통해 용접 퍼들에 퇴적되어 있음 - 으로 보낸다. 시스템(100)은 또한 용접 작업 동안 용접 아크(115)에 근접하여 배치되는 적어도 하나의 자기장 프로브(107)를 가지는 자기장 발생 디바이스(105)에 결합되어 있는 자기장 전원 공급 장치/제어기(103)를 포함한다. 도 10에 예시되어 있는 용접 전원 공급 장치(101)는 도 1의 전원 공급 장치(12)와 유사하다. 그렇지만, 이 실시예에서, 병렬 상태 기반 제어기는 또한 자기장 제어기(103)를 제어하도록 설정될 수 있다. 도 10에 예시되어 있는 바와 같이, 병렬 상태 기반 제어기(134)는 도 1의 병렬 상태 기반 제어기(34)와 유사하게 동작하지만, 적어도 용접 상태 테이블(154) 및 자기장 시스템 상태 테이블(158)을 포함한다. 물론, 용접 전원 공급 장치(101)는 다른 상태 테이블들(예컨대, 앞서 논의된 움직임 제어 시스템 상태 테이블들)을 포함할 수 있다.

당업자라면 잘 알 것인 바와 같이, GMAW 유형 용접 작업은 용접 아크(115)를 생성하고 용접 전극(113)의 일부분을 용융시키기 위해 펄스 용접 파형을 사용한다. 파형의 펄스 동안, 전극(115)의 용융된 용적(117)은 전극으로부터 - 아크(115)를 통해 - 용접 퍼들로 이행된다. 전형적으로, 용융된 용적(117)은 용접 전류 펄스에서의 피크 동안 이행된다. 이러한 용접 작업이 공지되어 있기 때문에, 본 명세서에서 상세히 논의되지 않을 것이다. GMAW 유형 용접 또는 펄스 용접이, 본 명세서에서 언급되는 바와 같이, 펄스 용접 파형이 사용되는 임의의 용접(GMAW, MIG, FCAW, MCAW 유형 용접을 포함하지만, 이들로 제한되지 않음)을 말한다는 것을 잘 알 것이다.

유의할 점은, 명확함 및 효율을 위해, 본 명세서에서의 논의들 중 다수가, 도면들에 도시된 바와 같이, GMAW 유형 용접을 참조한다는 것이다. 그렇지만, 본 발명의 실시예들은 GMAW 유형 용접 시스템들에서의 사용으로 제한되지 않는다. 구체적으로는, 본 발명의 실시예들은 또한 본 출원의 범주 및 사상을 벗어남이 없이 TIG/GTAW(gas tungsten arc welding) 시스템들에서 사용될 수 있다. 본 명세서에서의 논의들과 유사하게, 용접 동안 TIG 아크의 이동을 제어하기 위해 자기장이 사용된다. TIG/GTAW 용접에서, 아크를 생성하기 위해 사용되는 전극이 (GMAW 공정들에서와 같이) 소모품이 아니고, 본 발명의 실시예들에서, 자기장이 이 아크의 이동을 제어한다는 것을 잘 알 것이다. 따라서, 본 명세서에서의 논의들 및 도면들 중 다수가 GMAW 시스템들 및 공정들을 참조하고 도시하고 있지만, 이것은 예시를 위한 것이고, 본 발명의 실시예들을 GMAW 유형 공정들로 제한하기 위한 것이 아니다. 예를 들어, 도 9 및 도 10 각각에서, GMAW 전원 공급 장치들(예컨대, 101) 및 토치들(예컨대, 111)은, 본 발명의 범주 및 사상을 벗어남이 없이, GTAW 전원 공급 장치들 및 GTAW 전극들로 대체될 수 있다. 물론, 유의할 점은, 소모품의 전달이 GTAW 토치를 통하지 않고 공지된 수단을 통한다는 것이다. 게다가, 본 명세서에서 논의되고 도시된 전류 파형들, 및 자기장 전류와 용접 전류 사이의 관계들이 GMAW 및 GTAW 유형 용접 작업들에 유사하게 적용가능하다. 물론, GMAW 유형 용접 동안, 용융된 용적들을 제공하는 소모품이 또한 전극인 반면, GTAW 유형 용접에서는 소모품이 전극과 별개의 것임을 잘 알 것이다.

도 9를 참조하면, 시스템(100)은 자기장 전원 공급 장치/제어기(103) 및 자기장 발생 디바이스(105)를 포함한다. 자기장 제어기(103)는 자기장(109)이 프로브(107)에 의해 발생되도록 전류를 디바이스(105)로 보낸다. 자기장 전원 공급 장치/제어기(103)는 자기장을 생성하기 위해 자기장 디바이스에 전류를 공급할 수 있는 임의의 유형의 전원 공급 장치를 포함할 수 있다. 제어기(103)는, 예컨대, 용접 전원 공급 장치(101)의 병렬 상태 기반 제어기(134)로부터의 신호(162)에 기초하여 펄스 용접 전원 공급 장치에 적절히 반응할 수 있도록 자기장 발생 전류의 고주파 및 정밀 제어를 제공할 수 있어야만 한다.

본 발명의 실시예들에 따르면, 용적(117)이 비행 중에 있는 동안 자기장(109)이 아크(115) 및 용적(117)에 영향을 미칠 수 있도록 프로브(107)가 용접 아크(115)에 근접하여 배치되어 있다. 앞서 논의된 움직임 제어 시스템에서와 같이, 본 발명의 실시예들은 최적화된 용접 작업이 달성될 수 있도록 자기장(109)과 펄스 용접 파형의 발생을 동기화시킨다. 자기장(109)의 발생을 아크(115) 및 용적 이행과 동기화시키는 것에 의해, 최적화된 용접 작업이 달성될 수 있고, 특수 용접 이음을 달성하고자 할 때 특히 그렇다. 이 동기화는 이하에서 상세히 논의될 것이다.

도 9에 도시된 바와 같이, 토치(111)가 가공물(W)의 용접 이음 상에 중심이 있지 않다. 예를 들어, 용접 이음 근방에서의 방해와 같은 많은 이유들로 이것이 필요할 수 있다. 이와 같이, 단일의 자기장 발생 디바이스(105)는 용접 동안 용접 이음의 한쪽으로 아크(115) 및 용적(117)을 조정하는 데 사용된다. 즉, 자기장 전원 공급 장치(103)는 용접 전원 공급 장치(101)에 의해 발생된 용접 파형에 동기화되어 있는 전류를 디바이스(105)에 제공한다. 자기장(109)의 발생은 아크를 측면으로 이동시키고, 아크의 이동은 용융된 용적(117)을 접촉 팁(111) 및 필러(filler)(113) 바로 아래가 아닌 장소에 위치시킬 수 있다.

도 11은 단일의 자기 디바이스(105)를 갖는 일 실시예에서 사용될 수 있는 예시적인 용접 및 자기장 파형을 나타낸 것이다. 도시된 바와 같이, 전류는 복수의 전류 피크들(1, 2 및 3)을 가지는 펄스 파형이다. 일반적으로 알려진 바와 같이, 많은 펄스 용접 작업들에서, 용융된 용적(117)은 피크 전류 동안 필러(113)로부터 분리된다. 그에 따라, 어떤 실시예들에서, 용접 전류 및 자기장 전류 각각이 동시에 상승하기 시작하여 피크에 이르도록 자기 조정 전류가 용접 전류와 동상이다. 이러한 실시예에서, 자기장(109)은 용적(117)이 필러 와이어(113)로부터 분리되기 전에 최대 세기에 있을 것이다. 또한, 도 11에 도시된 바와 같이, 어떤 예시적인 실시예들에서, 자기 조정 전류가 용접 전류 펄스마다 펄싱하지 않는다. 도시된 실시예에서, 조정 전류가 하나 걸러 용접 펄스마다(펄스 1 및 펄스 3) 펄싱될 것이다. 이러한 실시예에서, 용접 동안, 어떤 용적들(117)은 제1 위치에서 용접 퍼들에 충돌할 것인 반면, 다른 용적들(117)은 다른 영역에서 퍼들에 충돌할 것이다. 이것은 필러(113)가 용접 퍼들에서의 다양한 장소들에 퇴적될 수 있게 한다. 물론, 본 발명의 실시예들은 조정 전류를 하나 걸러 용접 펄스마다 펄싱하는 것으로 제한되지 않고, 다른 펄싱 카운트들이 사용될 수 있다. 예를 들어, 조정 전류가 10개의 연속적인 용접 펄스 동안 펄싱되고 이어서 그 다음 10개의 용접 펄스 동안 턴오프될 수 있는 것이 생각되고 있다. 다른 실시예들에서, 펄스들의 수는 필요에 따라 변화될 수 있다. 즉, 어떤 예시적인 실시예들에서, 자기 조정 전류가 매 N개의 용접 펄스마다 한번씩 펄싱되도록(단, N은 양의 정수이고, 예컨대, N은 1 내지 20의 정수 또는 어떤 다른 값일 수 있음) 자기장 시스템 상태 테이블(158)이 구성될 수 있다. 물론, 원하는 용접 작업에 기초하여, 당업자는 용접 펄스들 대 자기 조정 전류 펄스들의 임의의 원하는 비를 얻기 위해 다른 방법들을 사용할 수 있다. 또한, 도시된 실시예에서, 조정 전류 펄스의 지속기간은 용접 펄스의 지속기간과 동일하다. 그렇지만, 다른 실시예들에서, 조정 펄스가 필요에 따라 더 길거나 더 짧을 수 있기 때문에 그렇지 않을 수 있다.

도 12는 적어도 용접 전력 컨버터(22) 및 자기장 제어기(103)를 동시에 제어하기 위해 병렬 상태 기반 제어기(134)에 의해 사용될 수 있는 예시적인 상태도들을 나타낸 것이다. 앞서 논의한 바와 같이, 전력 컨버터(22)는 용접 작업들을 수행하는 데 사용되는 용접 전류 파형을 발생시키고, 자기장 제어기(103)는 자기장(109)을 발생시키기 위해 자기장 디바이스(105)에 의해 사용되는 자기 조정 전류를 발생시킨다. 앞서 논의된 실시예들과 유사하게, 제어 상태들이 공통 상태 기반 제어기(134)(도 10 참조)에 의해 구현되기 때문에, 하나의 상태 테이블의 실행 동안 나오는 계산들 또는 파라미터들이 다른 상태 테이블(들)에 의해 신속하게 공유되고 사용될 수 있다. 이와 같이, 상태 테이블들이 정보를 공유하거나 교환하는 것으로서 개념적으로 생각될 수 있다. 더욱이, 용접 전압, 용접 전류, 토치 위치 등과 같은 동일한 피드백 신호들이 상태 테이블들 내에서의 상태 천이들을 제어하기 위해 양쪽 상태 테이블들에서 사용될 수 있다. 물론, 병렬 상태 기반 제어기(134)는 다른 상태 테이블들, 예컨대, 앞서 논의된 바와 같이 와이어 피드 속도 및 CTWD를 조절하는 상태 테이블들을 포함할 수 있다.

도 12에서, 용접 상태 테이블(154)의 측면들은 좌측에 도시되어 있고, 자기장 시스템 상태 테이블(158)의 측면들은 우측에 도시되어 있다. 용접 상태 테이블(154)은 전력 컨버터(22)에 의해 발생된 적어도 용접 전류 파형을 정의하고, 자기장 시스템 상태 테이블(158)은 아크 이동을 조절하는 자기장을 발생시키는 데 사용되는 적어도 자기 조정 전류를 정의한다. 용접 상태 테이블(154) 및 자기장 시스템 상태 테이블(158)은 함께 용접 작업을 수행하는 동작을 하고, 그 동안 아크의 위치가 앞서 논의된 바와 같이 조절된다. 용접 상태 테이블은 도 2 및 도 5에서 앞서 논의된 것과 유사하다. 그에 따라, 도 2 및 도 5와의 관련 차이점들만이 논의될 것이다. 그에 부가하여, 명확함을 위해, 와이어 피드 속도 및/또는 CTWD를 조절하는 상태 테이블들이 생략되었다. 물론, 어떤 실시예들에서, 병렬 상태 기반 제어기(134)는 와이어 피더 제어기, CTWD 제어기, 및/또는 임의의 다른 원하는 제어기를 포함할 수 있다.

도 12를 참조하면, 아크가 발생되고 용접 공정이 시작된 후에(즉, 상태 3a 후에), 병렬 상태 기반 제어기(134)는 용접 파형 신호를 전력 컨버터(22)로 송신하는 것에 의해 용접 작업들을 수행하라고 전력 컨버터(22)에 지시하고, 또한 자기 조정 전류 신호를 자기장 시스템 제어기(103)로 송신하는 것에 의해 아크 이동을 조절하라고 자기장 시스템 제어기(103)에 지시한다. 용접 파형 신호는 단계 4a 및 단계 5a에서, 각각, 피크 전류 신호와 백그라운드 전류 신호 사이에서 교번하는 것에 의해 형성된다. 피크 전류 신호 및 백그라운드 전류 신호는 도 11의 피크 용접 전류 및 백그라운드 용접 전류에 대응한다. 용접 상태 테이블(154)은 소정의 시간들(예컨대, 피크 시간 및 백그라운드 시간)에 기초하여 파형을 조절한다. 즉, 상태 3a에서 용접이 시작된 후에, 용접 상태 테이블은 용접 파형 신호가 소정의 기간 동안 피크 전류로 설정되는 상태 4a로 천이한다. 피크 전류 상태에서의 경과 시간이 사전 설정된 피크 시간을 초과할 때(t>피크 시간), 용접 상태 테이블(154)은 백그라운드 상태 5a로 천이하고, 용접 타이머가 리셋된다. 이와 유사하게, 백그라운드 상태에서의 경과 시간이 사전 설정된 백그라운드 시간을 초과할 때(t>백그라운드 시간), 용접 상태 테이블(154)은 다시 피크 전류 상태 4a로 천이하고, 용접 타이머가 다시 리셋된다. 용접 상태 테이블은 용접 공정 동안 피크 전류 상태 4a와 백그라운드 전류 상태 5a 사이에서 계속하여 교번한다.

상태 4a의 개시 후에, 용접 상태 테이블(154)은 자기장 시스템 상태 테이블(158)의 상태 1c에서 카운트 신호를 카운터로 송신하여, 피크 전류 신호가 개시되었다는 것을 알려준다. 자기장 시스템 상태 테이블(158)의 상태 1c는 용접 상태 테이블(154)로부터 카운트 신호를 수신하고 카운터를 증분시킨다. 상태 1c에서의 카운트 N이 사전 설정된 카운트 값에 도달할 때(N = 사전 설정된 값), 자기장 시스템 상태 테이블(158)은 자기 조정 전류 신호를 개시하는 상태 2c로 천이한다. 병렬 상태 기반 제어기(134)는 이어서 조정 전류를 개시하라고 자기장 제어기(103)에 지시한다. 예를 들어, 도 11에서의 시스템에 대해, 자기 조정 전류가 하나 걸러 용접 피크 펄스마다 개시되기 때문에, 사전 설정된 값은 2이다. 이와 같이, 상태 1c에서의 카운트 N이 2일 때, 자기장 시스템 상태 테이블은 상태 2c로 천이하고 앞서 논의된 바와 같이 자기 조정 전류 신호를 개시할 것이다. 물론, 사전 설정된 값이 2로 제한되지 않고, 임의의 원하는 수일 수 있다. 즉, 자기 조정 전류 신호가 매 10개의 피크 용접 펄스마다 필요하게 되는 경우, 사전 설정된 값은 10일 것이다. 모든 용접 펄스마다 자기 조정 전류 신호를 개시하는 시스템들에 대해, 상태 1c가 자기장 시스템 상태 테이블(158)로부터 제거될 수 있거나, 사전 설정된 값이 1로 설정될 수 있다.

상태 2c에서, 자기장 시스템 상태 테이블(158)은 소정의 조정 전류 시간 동안 자기 조정 전류 신호를 개시한다. 조정 전류 타이머가 소정의 조정 전류 시간을 초과할 때(t>조정 시간), 자기장 상태 테이블(158)은 자기 조정 전류 신호가 턴오프되고 피크 전류 카운터 및 조정 전류 타이머가 리셋되는 상태 3c로 천이한다. 용접 조건들 및 원하는 용접 특성들에 기초하여, 소정의 자기 조정 전류 시간이 소정의 용접 전류 시간과 같거나, 그보다 길거나 짧을 수 있다. 예를 들어, 도 11은 자기 조정 전류 시간이 피크 전류 시간과 동일한 일 실시예를 나타낸 것이다. 카운터 및 타이머를 리셋한 후에, 자기장 시스템 상태 테이블(158)은 상태 1c에서 피크 용접 펄스들을 카운트하는 것으로 다시 천이한다. 용접 상태 테이블(154)이 오프 상태 6a에 진입할 때, 자기 아크 시스템 상태 테이블은 멈춤 상태 4c에 진입할 것이다.

또한 도 11에 도시된 바와 같이, 조정 펄스는 용접 펄스와 위상이 벗어나 있을 수 있다. 구체적으로는, 조정 펄스가 용접 펄스와, 예컨대, 45 내지 135º 만큼 위상이 벗어나 있을 수 있는 것이 생각되고 있다. 아크 용접의 어떤 실시예들에서, 용적(117)이 용접 펄스 피크의 끝 근방일 때까지 와이어(113)로부터 분리되지 않고, 아크 전류가 감소되고 있을 때 용적(117)은 여전히 비행 중에 있다. 이러한 실시예들에서, 용적(117)이 떨어져 자유롭게 되었을 때 또는 용적(117)이 떨어지는 시점에 있을 때만 자기장(109)이 발생되도록, 조정 전류가 용접 펄스와 위상이 벗어나게(도 11에서의 파선) 펄싱될 수 있다. 이러한 실시예들에서, 상태 2c(도 12 참조)는 자기 조정 전류 신호를 자기장 제어기(103)로 송신하는 데 적절한 지연을 포함할 것이다. 예를 들어, 어떤 예시적인 실시예들에서, 자기 조정 전류가 용접 펄스의 시작 후에 1 내지 100 ms만큼 지연될 수 있다. 어떤 실시예들에서, 지연은 5 내지 20 ms일 수 있다. 물론, 다른 실시예들은 상이한 타이밍 지연들을 사용할 수 있다. 위상 지연을 사용하는 실시예들에서, 자기장(109)은 떨어지기 전에 아크(115)를 방해하지 않고, 용적이 비행 중에 있는 동안 그의 피크에 있다. 또한, 조정 전류를 위상이 벗어나게 하는 것에 의해, 자기장(109)은 아크 전류가 하강하고 있지만 용적이 여전히 비행 중에 있는 동안에도 그의 피크에 있을 것이다. 어떤 실시예들에서, 아크 전류가 그의 백그라운드 레벨에 도달할 때까지 조정 전류는 그의 피크 전류에 남아 있다.

다른 예시적인 실시예에서, 조정 전류는 아크 용접 전류와 180도 위상이 벗어나 있을 수 있다. 이러한 실시예들에서, 자기장 상태 테이블(158)의 상태 2c는 적절한 위상 지연들을 포함할 수 있고 그리고/또는 상태 테이블(158)의 상태 1c에 대한 카운트 신호는 용접 상태 테이블(154)의 상태 5a에서의 백그라운드 전류의 개시(또는 피크 전류의 완료)에 기초할 수 있다. 또한, 이러한 실시예들에서, 자기장(109)이 비행 동안 용적(117)을 이동시키는 데 사용되지 않고, 용접 퍼들을 제어하는 데, 용접 퍼들을 길쭉하게 만드는 데, 또는 가공물 표면을 사전 세정하는 데 사용된다. 예를 들어, 자기 디바이스(105) 및 프로브(107)가 (이동 방향에서) 팁(111)의 전방에 또는 후방에 배치될 수 있다. 이러한 실시예에서, 자기장(109)은 용접 퍼들을 길쭉하게 만들기 위해 필요에 따라 아크를 전방으로 또는 후방으로 이동시킬 수 있다. 예를 들어, 용적(117)이 용접 퍼들로 전달되기 전에 아크의 열이 임의의 코팅 또는 표면 오염물을 제거하도록 아크가 (아크에 용적이 없는 경우) 전방으로 편향될 수 있다. 이와 유사하게, 바람직한 냉각 또는 응고 프로파일에 대해 용접 퍼들이 길쭉하게 되도록 아크가 후방으로 편향될 수 있다. 도 13은 앞서 기술한 바와 같은 예시적인 세정 파형을 나타낸 것이다. 도시된 바와 같이, 자기 조정 전류는 아크 용접 펄스 이전에 시작되지만 용적(117)이 와이어(113)로부터 방출되는 시점 이전에 끝나도록 펄싱된다. 세정 펄스는 매 N개의 아크 용접 펄스들마다 또는 주어진 기간 후에 전원을 공급받을 수 있다. 도 13의 실시예는 자기 조정 전류가 모든 용접 전류 펄스마다 제공되는 것(즉, N=1)을 나타내고 있다. 도 14는 도 13에 예시된 자기 조정 펄스 및 용접 펄스를 구현하는 예시적인 자기장 시스템 상태 테이블을 나타낸 것이다.

도 14에서, 용접 상태 테이블은 도 2, 도 5 및 도 12에 대해 앞서 기술한 것과 유사하다. 그에 따라, 관련 차이점들만이 논의될 것이다. 상태 3a에서 용접이 시작된 후에, 용접 상태 테이블은 소정의 지연 시간 후에 피크 용접 펄스가 개시될 것임을 나타내는 카운트 신호가 자기장 시스템 상태 테이블로 송신되는 상태 4a로 천이한다. 시간이 소정의 지연 시간을 초과하면(t>지연 시간), 용접 상태 테이블은 피크 용접 전류 신호가 개시되는 상태 5a로 천이한다. 시간이 소정의 피크 시간을 초과한 후에(t>피크 시간), 용접 상태 테이블은 백그라운드 용접 전류 신호가 개시되는 상태 6a로 천이한다. 시간이 백그라운드 시간을 초과한 후에(t>백그라운드 시간), 용접 상태 테이블은 그 다음 용접 사이클을 개시하기 위해 상태 4a로 다시 천이한다.

자기장 시스템 상태 테이블의 상태 1c 후에, 자기장 상태 테이블이 용접 상태 테이블로부터 카운트 신호를 수신한 후에 카운터가 업데이트된다. 카운트 N이 사전 설정된 카운트 값과 같으면, 자기장 상태 테이블은 자기 조정 전류 신호가 개시되는 상태 2c로 천이한다. 자기 조정 전류가 모든 용접 피크 펄스 직전에 개시되는 도 13에 예시된 실시예에 대해, 사전 설정된 카운트 값은 1이다. 물론, 사전 설정된 카운트 값이 1로 제한되지 않고, 임의의 원하는 값일 수 있다. 예를 들어, 자기 조정 전류가 매 10개의 용접 피크 전류 펄스마다 한번씩 펄싱되는 경우, 사전 설정된 카운트 값은 10일 것이고, 자기장 상태 테이블은 N=10일 때 상태 1c로부터 상태 2c로 천이할 것이다.

상태 2c에서, 자기 조정 전류 신호가 개시된다. 시간이 조정 시간을 초과한 후에(t>조정 시간), 자기장 상태 테이블은 카운터 및 타이머가 리셋되는 상태 3c로 천이하고, 자기장 상태 테이블은 다시 상태 1c로 천이한다.

물론, 상태 테이블들의 적용이 앞서 논의한 용접/움직임 제어/자기장 시스템 구성들의 예시적인 실시예들로 제한되지 않는다. 본 발명은 미국 출원 제13/438,703호에 개시되어 있는 구성들을 비롯하여, 용접 시스템들, 움직임 제어 시스템들, 및 자기장 시스템들의 임의의 조합을 포함할 수 있다.

용접 시스템의 예시적인 실시예들은, 도면들에 도시된 바와 같이, 용접 전원 공급 장치, 자기장 전원 공급 장치 및 시스템 제어기를 별도의 구성요소들로서 도시하고 있다. 그렇지만, 이 구성요소들이 단일의 유닛으로 통합될 수 있기 때문에, 이럴 필요가 없다. 게다가, 자기장에 대한 제어 하드웨어 및 소프트웨어(예를 들어, 제어 상태 테이블)가 용접 전원 공급 장치, 시스템 제어기 및/또는 자기장 전원 공급 장치 중 임의의 것에 있을 수 있다. 본 발명의 실시예들은 이와 관련하여 제한되지 않고, 시스템의 구성요소들이 개별적이지만 결합가능한 모듈들로 제공되는 모듈식 구성도 가질 수 있다.

본 발명이 그의 예시적인 실시예들을 참조하여 상세히 도시되고 기술되어 있지만, 본 발명이 이 실시예들로 제한되지 않는다. 당업자라면 이하의 청구항들에 의해 한정된 바와 같은 본 발명의 사상 및 범주를 벗어남이 없이 형태 및 상세에서의 다양한 변경들이 행해질 수 있다는 것을 잘 알 것이다.

본 개시 내용이 예이고 본 개시 내용에 포함된 내용의 정당한 범주를 벗어남이 없이 상세들을 추가, 수정 또는 제거하는 것에 의해 다양한 변경들이 행해질 수 있다는 것이 명백하다. 본 발명은 따라서, 이하의 청구항들이 꼭 그렇게 제한되는 경우를 제외하고는, 본 개시 내용의 특정의 상세들로 제한되지 않는다.

1a: 상태 1b: 상태
1c: 상태 2a: 상태
2b: 상태 2c: 상태
3a: 상태 3b: 상태
3c: 상태 4a: 상태
4b: 상태 5a: 상태
5b: 상태
10: 용접 아크 시스템
12: 용접 전원 공급 장치
14: 전기 아크 16: 전극
18: 가공물 20: 전원
22: 전력 컨버터 24: 용접 파형
26: 용접 토치 28: 접촉 팁
30: 전기 리드 32: 전기 리드
34: 제어기 36: 파형 제어 신호
38: 백그라운드 전류 상태 40: 짧은 소거 상태
42: 피크 전류 상태 44: 테일아웃 전류 상태
46: 분기 48: 전압 센서
50: 메모리 부분 52: 상태 테이블들
53: 데이터 테이블 54: 용접 상태 테이블
56: 움직임 제어 시스템 상태 테이블
57: 움직임 제어 시스템 상태 테이블
58: 모터 58a: 위버 모터
60: 움직임 제어 시스템 제어기 60a: 위버 제어기
61: 움직임 제어 시스템 제어기 62: 움직임 제어 신호
63: 움직임 제어 신호 64: 위치 센서
65: 버그 제어기 66: 위치 피드백 신호
68: 필터들 70: 계산 블록들
72: 입력 디바이스 74: 입력 디바이스
76: 입력 디바이스 78: 입력 디바이스
80: 스풀 82: 핀치 롤러들
84: 속도 피드백 신호 86: 속도 센서
88: 파이프 90: 용접 버그
92: 캐리지 제어기 94: 추적기 제어기
96: 캐리지 100: GMAW 유형 용접 시스템
101: 용접 전원 공급 장치 103: 전원 공급 장치/제어기
105: 자기장 발생 디바이스 107: 자기장 프로브
109: 자기장 111: 용접 토치
113: 용접 전극 115: 용접 아크
117: 용융된 용적 134: 상태 기반 제어기
154: 용접 상태 테이블 158: 자기장 시스템 상태 테이블
N: 용접 펄스
t: 백그라운드 시간
W: 가공물

Claims

아크 용접 시스템(10)에 있어서,
용접 신호에 기초하여 용접 파형(24)을 출력하고, 상기 용접 파형(24)에 기초하여 용접 토치(26)와 가공물(18) 사이에 전기 아크(14)를 생성하기 위해 상기 용접 토치(26)에 동작 가능하게 연결되는 전력 컨버터(22) - 상기 아크(14)는 용융된 물질의 적어도 하나의 용적(drop)을 상기 가공물(18) 상으로 이행(transfer)시킴 -;
자기 조정 신호(magnetic steering signal)에 기초하여 자기장(109)을 발생시키는 자기장 발생기(105)를 포함하는 자기장 시스템; 및
상기 전력 컨버터(22) 및 상기 자기장 발생기(105)에 동작 가능하게 연결되는 제어기(34)를 포함하고,
상기 제어기(34)는 상기 용접 신호에 따라 상기 전력 컨버터(22)의 동작들을 제어하고, 이와 동시에 상기 자기 조정 신호에 따라 상기 자기장 시스템을 제어하며,
상기 용접 신호는 각각의 파형 사이클에 대한 피크 부분 및 백그라운드 부분을 포함하고,
상기 자기 조정 신호는 피크 부분을 포함하는 것인 아크 용접 시스템.
제1항에 있어서, N개의 용접 신호 피크들 모두에 대해(단, N은 양의 정수임), 하나의 상기 자기 조정 신호 피크가 있도록, 상기 자기 조정 신호 피크 부분이 상기 용접 신호 피크 부분과 동기화되고,
상기 자기장은 상기 용융된 물질의 상기 용적의 상기 이행 동안 상기 용융된 용적의 경로에 영향을 미치는 것인 아크 용접 시스템.
제2항에 있어서, 상기 N은 1 내지 20의 수인 것인 아크 용접 시스템.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 용접 파형이 피크 값에 도달한 후에 상기 자기장이 피크 값에 도달하도록, 상기 자기 조정 신호 피크가 상기 용접 신호 피크로부터 오프셋되어 있는 것인 아크 용접 시스템.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 자기 조정 신호 피크 부분은 상기 용접 신호 백그라운드 부분과 동기화되고,
상기 자기장(109)은, 상기 아크(14)에 의해 상기 가공물(18) 상에 형성된 용접 퍼들(weld puddle)을 제어하는 것, 상기 용접 퍼들을 연신시키는(elongating) 것, 및 상기 가공물(18)의 표면을 사전 세정(pre-cleaning)하는 것 중 하나를 수행하는 것인 아크 용접 시스템.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제어기(34)는 병렬 상태 기반 제어기(parallel state-based controller)이고, 상기 병렬 상태 기반 제어기는,
적어도 상기 용접 신호를 정의하는 제1 복수의 제어 상태들을 포함하는 용접 상태 테이블(154), 및
적어도 상기 자기 조정 신호를 정의하는 제2 복수의 제어 상태들을 포함하는 자기장 시스템 상태 테이블(158)을 포함하는 것인 아크 용접 시스템.
제6항에 있어서, 상기 제1 복수의 제어 상태들은 피크 파형 제어 상태를 포함하고, 상기 병렬 상태 기반 제어기가 상기 피크 파형 제어 상태에 들어갈 때 상기 용접 신호는 피크 값으로 가며,
상기 제2 복수의 제어 상태들은 피크 자기장 제어 상태(peak field control state)를 포함하고, 상기 병렬 상태 기반 제어기가 상기 피크 자기장 제어 상태에 들어갈 때 상기 자기 조정 신호는 피크 값으로 가며,
상기 병렬 상태 기반 제어기가 상기 피크 파형 제어 상태에 매 N번 들어갈 때마다(단, N은 양의 정수임), 상기 병렬 상태 기반 제어기는 상기 피크 자기장 제어 상태에 한번 들어가며,
상기 자기장(109)은 상기 용융된 물질의 상기 용적(117)의 상기 이행 동안 상기 용융된 용적(117)의 경로에 영향을 미치는 것인 아크 용접 시스템.
제7항에 있어서, 상기 병렬 상태 기반 제어기가 상기 피크 파형 제어 상태에 N번 들어가기까지, 상기 병렬 상태 기반 제어기가 상기 피크 자기장 제어 상태에 들어가기 전에 지연이 있는 것인 아크 용접 시스템.
제8항에 있어서, 상기 지연은 1 내지 100 ms인 것인 아크 용접 시스템.
아크 용접 전원 공급 장치(10)에 있어서,
용접 신호에 기초하여 용접 파형(24)을 출력하는 전력 컨버터(22); 및
적어도 상기 용접 신호 및 자기 조정 신호를 발생시키는 제어기(34)를 포함하고,
상기 자기 조정 신호는, 상기 자기 조정 신호에 기초하여 자기장(109)을 발생시키는 자기장 시스템으로 출력되고,
상기 전력 컨버터(22)는 상기 용접 파형(24)에 기초하여 용접 토치(26)와 가공물(18) 사이에 전기 아크(14)를 생성하기 위해 상기 용접 토치(26)에 동작 가능하게 연결되고, 상기 아크는 용융된 물질의 적어도 하나의 용적(117)을 상기 가공물(18) 상으로 이행시키며,
상기 제어기(34)는 상기 용접 신호에 따라 상기 전력 컨버터(22)의 동작들을 제어하고, 이와 동시에 상기 자기 조정 신호에 따라 상기 자기장 시스템을 제어하며,
상기 용접 신호는 각각의 파형 사이클에 대한 피크 부분 및 백그라운드 부분을 포함하고,
상기 자기 조정 신호는 피크 부분을 포함하는 것인 아크 용접 전원 공급 장치.
제10항에 있어서, N개의 용접 신호 피크들 모두에 대해(단, N은 양의 정수임), 하나의 상기 자기 조정 신호 피크가 있도록, 상기 자기 조정 신호 피크 부분이 상기 용접 신호 피크 부분과 동기화되고, 상기 자기장은 상기 용융된 물질의 상기 용적의 상기 이행 동안 상기 용융된 용적의 경로에 영향을 미치며; 그리고/또는 상기 N은 1 내지 20의 수인 것인 아크 용접 전원 공급 장치.
제10항 또는 제11항에 있어서, 상기 용접 파형이 피크 값에 도달한 후에 상기 자기장이 피크 값에 도달하도록, 상기 자기 조정 신호 피크가 상기 용접 신호 피크로부터 오프셋되어 있는 것인 아크 용접 전원 공급 장치.
제10항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 자기 조정 신호 피크 부분은 상기 용접 신호 백그라운드 부분과 동기화되고, 상기 자기장은, 상기 아크에 의해 상기 가공물 상에 형성된 용접 퍼들을 제어하는 것, 상기 용접 퍼들을 연신시키는 것, 및 상기 가공물의 표면을 사전 세정하는 것 중 하나를 수행하는 것인 아크 용접 전원 공급 장치.
제10항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제어기는 병렬 상태 기반 제어기이고, 상기 병렬 상태 기반 제어기는 적어도 상기 용접 신호를 정의하는 제1 복수의 제어 상태들을 포함하는 용접 상태 테이블, 및 적어도 상기 자기 조정 신호를 정의하는 제2 복수의 제어 상태들을 포함하는 자기장 시스템 상태 테이블을 포함하며;
바람직하게는, 상기 제1 복수의 제어 상태들은 피크 파형 제어 상태를 포함하고, 상기 병렬 상태 기반 제어기가 상기 피크 파형 제어 상태에 들어갈 때 상기 용접 신호는 피크 값으로 가고, 상기 제2 복수의 제어 상태들은 피크 자기장 제어 상태를 포함하고, 상기 병렬 상태 기반 제어기가 상기 피크 자기장 제어 상태에 들어갈 때 상기 자기 조정 신호는 피크 값으로 가며, 상기 병렬 상태 기반 제어기가 상기 피크 파형 제어 상태에 매 N번 들어갈 때마다(단, N은 양의 정수임), 상기 병렬 상태 기반 제어기는 상기 피크 자기장 제어 상태에 한번 들어가고, 상기 자기장은 상기 용융된 물질의 상기 용적의 상기 이행 동안 상기 용융된 용적의 경로에 영향을 미치며;
바람직하게는, 상기 병렬 상태 기반 제어기가 상기 피크 파형 제어 상태에 N번 들어간 후에, 상기 병렬 상태 기반 제어기가 상기 피크 자기장 제어 상태에 들어가기까지 지연이 있고;
바람직하게는, 상기 지연은 1 내지 100 ms인 것인 아크 용접 전원 공급 장치.