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CN105658367B - 用于针对增材制造提供位置反馈的系统和方法 - Google Patents

用于针对增材制造提供位置反馈的系统和方法 Download PDF

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CN105658367B
CN105658367B CN201480057469.7A CN201480057469A CN105658367B CN 105658367 B CN105658367 B CN 105658367B CN 201480057469 A CN201480057469 A CN 201480057469A CN 105658367 B CN105658367 B CN 105658367B
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Abstract

披露了一种在机器人焊接增材制造工艺过程中校正高度误差的系统和方法。在机器人焊接增材制造工艺过程中在产生当前焊接层时对焊接输出电流和焊丝给送速度中的一者或两者进行取样。基于该焊接输出电流和该焊丝给送速度中的至少一者或两者来确定多个瞬时导电嘴到工件的距离(CTWD)。基于该多个瞬时CTWD来确定平均CTWD。基于该平均CTWD生成用于补偿该当前焊接层的高度上的任何误差的校正因子。

Description

用于针对增材制造提供位置反馈的系统和方法
此美国专利申请要求2013年10月22日提交的美国临时专利申请序列号61/894,035的权益和优先权，该申请以其全部内容通过援引并入本文。
技术领域
本发明的某些实施例涉及弧焊。更具体地，本发明的某些实施例涉及针对机器人焊接增材制造工艺提供位置反馈的系统和方法。
背景技术
在机器人焊接增材制造工艺过程中，建立了多个金属材料相继层以产生工件部件。使用机器人焊接室单元来按照该机器人焊接室单元的机器人控制器的命令随着时间一层接一层地建立该工件部件。该机器人控制器可以包括读取将使用增材(一层接一层)制造工艺来产生的工件部件的3D模型的软件。该机器人控制器以编程方式将该3D模型分为多个层并且为这些单独的层中的每一层规划焊接路径来进行该部件的建造。针对每个层确定期望的焊接沉积，从而针对每个沉积层产生期望的高度。然而，在进行实际的一层接一层焊接时，任何给定层的实际所得高度由于多个因素，例如像工件部件衬底的表面条件(例如，温度或在衬底上的位置)和控制某些焊接参数可以达到的精确度，而可能偏离期望的或希望的高度。平均导电嘴到工件距离可以是以下各项中的一项：针对当前焊接层确定的这些瞬时导电嘴到工件距离的简单数学平均值、针对该当前焊接层确定的这些瞬时导电嘴到工件距离的加权平均值、或针对该当前焊接层确定的这些瞬时导电嘴到工件距离的运行期平均值。
通过将这样的系统和方法与在本申请的其余部分中参照附图所阐述的本发明的实施例进行比较，本领域的技术人员将清楚常规的、传统的和已提出的方法的进一步的限制和缺点。
发明内容
提供了一种在机器人焊接增材制造工艺过程中校正高度误差的系统和方法。在机器人焊接增材制造工艺过程中在产生当前焊接层时对焊接输出电流和焊丝给送速度中的一者或两者进行取样。基于该焊接输出电流和该焊丝给送速度中的至少一者或两者来确定多个瞬时导电嘴到工件的距离(CTWD)。基于该多个瞬时CTWD来确定平均CTWD。基于该平均CTWD生成用于补偿该当前焊接层的高度上的任何误差的校正因子。
在一个实施例中，提供了具有焊接电源的焊接系统。该焊接电源被配置成用于：在用于创建3D工件部件的当前焊接层的机器人焊接增材制造工艺过程中对焊接输出电流与焊丝给送速度的瞬时参数对进行实时取样；针对并且至少基于在该当前焊接层的创建过程中所取样到的这些瞬时参数对中的每个参数对来确定瞬时导电嘴到工件距离；基于针对该当前焊接层所确定的每个瞬时导电嘴到工件距离来确定平均导电嘴到工件距离；并且至少基于该平均导电嘴到工件距离来生成将在创建该3D工件部件的下一个焊接层时使用的校正因子。
在一个实施例中，提供了具有焊接电源的焊接系统。该焊接电源被配置成用于：在用于创建3D工件部件的当前焊接层的机器人焊接增材制造工艺过程中对焊接输出电流与焊丝给送速度的瞬时参数对进行实时取样；针对并且至少基于在该当前焊接层的创建过程中所取样的这些瞬时参数对中的每个参数对来实时地确定瞬时导电嘴到工件距离；在该当前焊接层的创建过程中确定每个瞬时导电嘴到工件距离时实时地确定导电嘴到工件距离的运行平均值；并且响应于该导电嘴到工件距离的运行平均值来实时调节在该当前焊接层的创建过程中的焊接持续时间或焊丝给送速度中的一者或多者。
可从随后的说明书、附图和权利要求书中推导出进一步的实施例。从以下描述和附图将更充分地理解本发明所展示实施例的细节。
附图说明
图1展示了机器人焊接室单元的示例性实施例的图解；
图2展示了图1的机器人焊接室单元的焊接电源的示例性实施例的示意性框图，该焊接电源操作性地连接至可消耗的焊条和工件部件上；
图3展示了图1的机器人焊接室单元的焊枪的一部分的示例性实施例的图解，该部分提供了在增材制造弧焊工艺过程中与工件部件相互作用的焊丝焊条；
图4A和4B展示了在存在和不存在电弧时导电嘴到工件距离(CTWD)的概念；
图5展示了具有两条曲线的二维曲线图的示例性实施例，该二维曲线图示出了在使用特定类型的焊接气体以给定焊丝速度进行弧焊工艺时两条不同的焊丝(为相同类型但具有不同的大小)的CTWD与焊接输出电流(安培数)之间的关系；
图6展示了三维曲线图的示例性实施例，该三维曲线图示出了在提供特定类型的焊接气体进行弧焊工艺时具有特定类型和大小的焊丝的CTWD、焊接输出电流(安培数)、和焊丝给送速度之间的关系；
图7展示了图2的焊接电源的控制器的一部分的示例性实施例，该部分被配置成用于确定实际的瞬时CTWD；
图8展示了图2的焊接电源的控制器的一部分的示例性实施例，该部分被配置成用于基于这些瞬时CTWD来随着时间确定平均CTWD并且计算校正因子；
图9展示了在机器人焊接增材制造工艺(RWAMP)过程中在一层接一层的基础上用于校正增材制造高度误差的方法的实施例的流程图；并且
图10展示了采用图9方法的机器人焊接增材制造工艺的实例。
具体实施方式
下面是对可以在本公开中使用的示例性术语的定义。所有术语的单数形式和复数形式都落入各含义内：
如在此所使用的“软件”或“计算机程序”包括(但不限于)一个或更多个计算机可读和/或可执行指令，这些指令致使计算机或其他电子装置以所需方式执行功能、动作和/或行为。这些指令可以实现为各种形式，如，包括得自动态链接库的单独应用程序或代码的子程序、算法、模块或程序。软件还可以实现为各种形式，如，独立程序、函数调用、小服务程序(servlet)、小应用程序(applet)、应用程序、储存在存储器、操作系统的一部分中的指令或其他类型的可执行指令。本领域的普通技术人员将会理解，软件的形式取决于(例如)对所需应用的要求、对软件的运行环境的要求和/或设计者/编程者的需要等。
如在此所使用的“计算机”或“处理元件”或“计算机装置”包括，但不限于，可以储存、检索和处理数据的任何被编程的或可编程的电子装置。“非瞬时计算机可读介质”包括(但不限于)CD-ROM、可移除的闪存卡、硬盘驱动器、磁带以及软盘。
如在此所使用的“焊接工具”是指，但不限于，焊枪、焊炬或者接受消耗性焊丝以便对该消耗性焊丝施加焊接电源所提供的电功率的任何焊接装置。
如在此使用的“焊接输出电路路径”指的是如下的电气路径，所述电气路径从焊接电源的焊接输出的第一侧、通过第一焊接线缆(或焊接线缆的第一侧)、到焊条、到工件(通过焊条和工件之间的短路或电弧)、通过第二焊接线缆(或焊接线缆的第二侧)并且回到焊接电源的焊接输出的第二侧。
如在此使用的“焊接线缆”是指如下的电气线缆，所述电气线缆可以被连接在焊接电源和焊条以及工件(例如通过焊丝给送器)之间，以提供电功率来在焊条和工件之间创建电弧。
如在此使用的“焊接输出”可以是指电气输出电路或焊接电源的输出端口或端子，或者是指由电气输出电路或焊接电源的输出端口提供的电功率、电压或电流。
如在此所使用的“计算机存储器”是指被配置来储存可以被计算机或处理元件检索的数字数据或信息的储存装置。
如本文中使用的“控制器”是指逻辑电路和/或处理部件以及涉及控制焊接电源或焊接机器人的相关联的软件或程序。
术语“信号”、“数据”和“信息”在此可以互换使用，并且可以处于数字或模拟形式。
术语“焊接参数”在此是广义地使用的并且可以指的是焊接输出电流波形的一部分的特征(例如，幅值、脉冲宽度或持续时间、斜率、焊条极性)、焊接工艺(例如，短弧焊接工艺或脉冲焊接工艺)、焊丝给送速度、调制频率或者焊接行进速度。
参照图1，机器人焊接室单元10总体上包括框架12、被布置该框架内的机器人14、以及同样被布置在该框架内的焊接工作台16。机器人焊接室单元10可用于通过增材制造工艺来在衬底上建造工件部件22，如在下文中更详细地描述的。
在所描绘的实施例中，框架12包括多个侧壁和门以包围机器人14和焊接工作台16。虽然在平面图中示出了基本上矩形的构型，但是框架12、和单元10可以采取多种构型。
前通道门26安装至框架12上以便通到该框架内部。类似地，后通道门28也安装在框架12上。在任一门上(仅描绘在前门26上)可以提供多个窗口32。这些窗口可以包括本领域已知的有色安全网罩(screen)。
在框架12上与前门26相邻地提供了控制面板40。控制面板40上所提供的控制旋钮和/或开关与同样安装在框架12上的控件包壳42中容纳的控件进行通信。可以按与用于已知焊接单元的控件相类似的方式使用控制面板40上的控件来控制在单元10中执行的操作。
根据实施例，机器人14安装在一个基座上，该基座安装在支撑件(未示出)上。在所描绘的实施例中所使用的机器人14可以是从发那科机器人美国有限公司(FANUC RoboticsAmerica,Inc.)可获得的ARC100/Be机器人。也可以使用其他类似的机器人。在所描绘的实施例中机器人14是相对于焊接工作台16定位的并且包括十一条移动轴线。如果希望的话，该基座(未示出)可以类似于转动架而相对于该支撑件(未示出)进行旋转。相应地，有些驱动机构(例如，电机和传动装置(未示出))可以被容纳在该基座中和/或该支撑件中以用于使机器人14旋转。
焊枪60附接至机器人臂14的远端上。焊枪60可以是类似于本领域已知的焊枪。柔性导管或管道62附接至焊枪60上。可以储存在容器66中的可消耗的焊条焊丝64穿过导管62被递送至焊枪60。焊丝给送器68(例如可以是从林肯电气公司(The Lincoln ElectricCompany)可获得的PF 10R-ll焊丝给送器)附接至框架12上以利于将焊丝64递送至焊枪60。
虽然机器人14被示出为安装至框架12的底座或下部分上，但是如果希望的话，机器人14可以按与美国专利号6,772,932所披露的机器人相类似的方式来安装。即，该机器人可以安装至该框架的上部结构上并且向下延伸进入这种室单元10中。
返回参见图1所描绘的实施例，为了进行焊接操作的焊接电源72安装并搁置在一个平台74上，该平坦连接至框架12上并且可以是该框架的一部分。在所描绘的实施例中焊接电源72是从林肯电气公司(The Lincoln Electric Company)可获得的PW 455M(nonSTT)；但是，也可以使用其他适合的电源来进行焊接操作。控制机器人14的机器人控制器76也搁置并安装在平台74上。该机器人控制器典型地伴随机器人14。
机器人焊接室单元10还可以包括屏蔽气体供应源(未示出)。在操作过程中，焊丝给送器68、焊枪60、屏蔽气体供应源、和焊接电源72操作性地相连接以允许在焊丝与工件部件22之间将创建电弧从而产生焊接层，正如本领域已知的。根据实施例，屏蔽气体在气体保护金属极电弧焊(GMAW)工艺期间可以用来保护焊接区免受大气气体(举例来说，氧或氮)的影响。这样的大气气体可能导致各种焊缝金属缺陷，如，举例来说，熔合(fusion)缺陷、脆化和多孔性。
所使用的屏蔽气体的类型或屏蔽气体的组合依赖于被焊接的材料和焊接工艺。所提供的屏蔽气体的流率依赖于屏蔽气体的类型、行进速度、焊接电流、焊缝几何结构以及焊接工艺的金属转移模式。惰性屏蔽气体包括氩和氦。然而，可以存在如下的状况，其中使用其他屏蔽气体或气体的组合(如，举例来说，二氧化碳(CO2)、以及氧)是合乎期望的。根据实施例，屏蔽气体可以在电弧焊接工艺期间被给送至焊接工具，以使焊接工具在焊接工艺期间将屏蔽气体分配到焊接区。
焊丝或焊条的选择依赖于进行增材焊接的工件部件的组成、焊接工艺、焊接层的构型、以及工件部件衬底的表面条件。焊丝选择可以显著影响所得焊接层的机械特性并且可以是焊接层品质的主要决定因素。可能希望所得焊接金属层具有类似于基础衬底材料的机械特性、而没有例如不连续性、污染物、或多孔性的缺陷。
现有的焊丝焊条通常含有相对小百分比的脱氧金属例如硅、锰、钛、和铝，以帮助防止氧孔隙。一些焊条可以含有如钛和锆等金属以避免氮孔隙。取决于焊接工艺以及在其上进行焊接的基础衬底材料，在气体保护金属极电弧焊(GMAW)中使用的焊条的直径典型地在0.028至0.095英寸范围内、但是可以大到0.16英寸。最小的焊条(总体上直径上至0.045英寸)可以是与短路金属过渡工艺相关联的，而用于喷射过渡工艺的焊条的直径可以是至少0.035英寸。
图2展示了图1机器人焊接室单元10的焊接电源72的示例性实施例的示意性框图，该焊接电源操作性地连接至可消耗的焊条64和工件部件22上。焊接电源72包括开关电源供应器105，该开关电源供应器具有功率转换电路110和桥接开关电路180，该桥接开关电路提供焊条64和工件部件22之间的焊接输出功率。功率转换电路110可以是基于半桥输出拓扑结构的变压器。例如，功率转换电路110可以是逆变器类型的，所述逆变器类型包括焊接变压器的(例如，如由主侧和次侧所分别描述的)输入功率侧和输出功率侧。也可能有其他类型的功率转换电路，如举例来说，具有DC输出拓扑结构的斩波器类型。电源100还包括桥接开关电路180，该桥接开关电路被可操作地连接到功率转换电路110上并且被配置成切换(例如，用于AC焊接的)焊接输出电流的极性的方向。
电源72进一步包括波形发生器120和控制器130。波形发生器120在控制器130的命令下生成焊接波形。由波形发生器120所生成的波形对功率转换电路110的输出进行调制，以在焊条64和工件部件22之间产生焊接输出电流。控制器130还命令桥接开关电路180的切换并且可以为功率转换电路110提供控制命令。
焊接电源72进一步包括电压反馈电路140和电流反馈电路150，以监测焊条64和工件部件22之间的焊接输出电压和电流并且将所监测到的电压和电流提供回控制器130。控制器130可以用反馈电压和电流来作出关于更改由波形发生器120生成的焊接波形的决定和/或作出例如影响电源72的操作的其他决定。根据实施例，在焊接工艺过程中使用控制器130来确定CTWD并且使用该CTWD来调节焊接持续时间(WTD)和/或焊丝给送速度(WFS)，如在下文中更详细地讨论的。
根据实施例，开关电源供应器105、波形发生器120、控制器130、电压反馈电路140以及电流反馈电路150构成焊接电源72。机器人焊接室单元10还包括焊丝给送器68，该焊丝给送器将可消耗的焊丝焊条64通过焊枪(焊接工具)60以选定的焊丝给送速度(WFS)朝向工件部件22给送。焊丝给送器68、可消耗的焊条64以及工件部件22不是焊接电源72的一部分而是可以经由一个或多个焊接输出线缆操作性地连接到焊接电源72上的。
图3展示了图1机器人焊接室单元10的焊枪60的、提供了在增材支撑弧焊工艺过程中与工件部件22相互作用的焊丝焊条64的一部分的示例性实施例的图解。焊枪60可以具有绝缘导体导管61、焊条管道63、气体扩散器65、导电嘴67、以及给送穿过焊枪60的焊丝焊条64。控制开关或触发器(未示出)在被机器人14激活时启动了焊丝给送、电功率、和屏蔽气体流动，从而致使在焊条64与工件部件22之间产生电弧。导电嘴67是导电的并且通过焊接线缆连接至焊接电源72上并且在引导焊条64朝向工件部件22的同时传输电能给焊条64。导电嘴67是固定的并且其大小确定成在维持电气接触的同时允许焊条64穿过。
焊丝给送器68将焊条64供应至工件部件22，从而驱使焊条64穿过管道62直到导电嘴67。焊丝焊条64可以以恒定的给送速率来给送，或可以基于电弧长度和焊接电压来改变给送速率。一些焊丝给送器可以达到上至1200in/min的给送速率，但是半自动GMAW的给送速率典型地在从75到400in/min的范围内。
在到达导电嘴67的途中，焊丝焊条64被焊条管道63保护并引导，这有助于防止扭结并且维持焊丝焊条64的不间断给送。气体扩散器65将屏蔽气体均匀地引导至焊接区中。来自一个或多个屏蔽气体罐的气体软管将气体供应至气体扩散器65。
图4A和4B展示了在存在和不存在电弧时导电嘴到工件距离(CTWD)的概念。在图4A中，CTWD被示出为在焊条64与工件部件22之间没有产生电弧的情况下导电嘴67的一端与工件部件22的顶层之间的距离。在图4B中，CTWD被示出为在焊条64与工件部件22之间产生了电弧的情况下导电嘴67的一端与工件部件22的顶层之间的距离。还有，在焊接工艺过程中保持恒定的希望的导电嘴到工件距离(CTWD)是重要的。总体而言，当CTWD增大时，焊接电流减小。CTWD太长可能导致焊条太热并且还可能浪费屏蔽气体。此外，针对不同的焊接工艺，希望的CTWD可以不同。
根据实施例，工件部件22是按照机器人控制器76的命令随着时间一层接一层产生的。该机器人控制器76包括读取将使用增材(一层接一层)制造工艺来产生的工件部件22的3D模型的软件。该机器人控制器76以编程方式将该3D模型分为多个层并且为这些单独的层中的每一个层规划一个焊接路径来进行该部件22的建造。针对每个层确定期望的焊接沉积，从而针对每个沉积层产生期望的高度。然而，在进行实际的一层接一层焊接时，任何给定层的实际所得高度由于多个因素，例如像工件部件衬底的表面条件和控制某些焊接参数可以达到的精确度，可能偏离期望的或希望的高度。因此，根据实施例，在焊接工艺过程中针对每层来监测CTWD并且用其来补偿高度尺寸的误差，如在下文中详细描述的。
图5展示了具有两条曲线510和520的二维曲线图500的示例性实施例，该二维曲线图中示出了在使用特定类型的焊接气体进行弧焊工艺时两条不同的焊丝(为相同类型并且以相同的固定速率给送、但是具有两个不同的直径)的CTWD与焊接输出电流(安培数)之间的关系。根据实施例，基于所使用的焊接输出电流(安培数)、焊条类型、焊条直径、焊丝给送速度(WFS)、和屏蔽气体可以由控制器130实时地确定焊接工艺工程中的实际瞬时CTWD。当该CTWD在焊接工艺过程中实时改变时，该焊接输出电流(安培数)将实时地反应出变化，如由适当的曲线(例如，510或520)所定义的。当实际CTWD在焊接工艺过程中实时改变时，控制器130通过接收从电流反馈电路150反馈来的焊接输出电流值、以及已经了解了的所选定的焊丝焊条类型/直径、屏蔽气体混合物、和焊丝给送速度来确定实际CTWD。
根据实施例，曲线510对应于以下焊丝焊条：其具有的直径为0.045英寸并且为低碳钢、铜涂覆类型，用在提供90％的氩屏蔽气体与10％二氧化碳屏蔽气体的混合物的焊接工艺中。此外，根据实施例，曲线520对应于以下焊丝焊条：其具有的直径为0.052英寸并且为同一低碳钢、铜涂覆类型，用在提供同一90％的氩屏蔽气体与10％二氧化碳屏蔽气体的混合物的焊接工艺中。如从图5中可以看到，当同一类型的焊丝的直径变成增大的直径时，代表CTWD与安培数的关系的曲线从曲线图500的原点向外移动。
根据多个不同的实施例，针对焊条类型、焊条直径、焊丝给送速度、和屏蔽气体的组合，CTWD与安培数之间的关系可以用实验的方式或基于理论通过分析来确定。一旦确定此类关系，该关系就可以表示出或存储在控制器130中，例如作为查找表(LUT)或作为数学转换函数。
根据替代性实施例，可以在焊接工艺过程中(例如，基于电弧长度和焊接电压)改变焊丝给送速度(WFS)，并且因此该LUT或数学转换函数可以反映出改变焊丝给送速度对CTWD的影响。例如，图6展示了三维曲线图600的示例性实施例，该三维曲线图示出了在提供特定类型的焊接气体进行焊接工艺时具有特定类型和大小的焊丝的CTWD、焊接输出电流(安培数)、和焊丝给送速度(WFS)之间的关系。曲线图600上的曲线610形成了表面。根据实施例，基于所使用的焊接输出电流(安培数)、焊丝给送速度、焊条类型、焊条直径、和屏蔽气体可以由控制器130实时地确定焊接工艺工程中的实际瞬时CTWD。
当实际CTWD在焊接工艺过程中实时改变时，成对的焊接输出电流(安培数)和WFS(参数对)将实时地反映出该变化，如由曲线图600的表面曲线610所定义的。此外，当实际CTWD在焊接工艺过程中实时改变时，控制器130通过接收从电流反馈电路150反馈来的焊接输出电流值(安培数)以及从焊丝给送器68反馈来的WFS值、并且在已经知晓所选定的焊丝焊条类型/直径和屏蔽气体混合物的情况下确定实际CTWD。图6示出了与由曲线图600的表面曲线610所确定的实际CTWD值612相对应的安培数/WFS参数对611的实例。对所使用的其他构型的焊条类型、焊条直径、和屏蔽气体的其他组合而言，其他表面的曲线将限定CTWD、WFS、和安培数的关系。根据替代性实施例，将来自电压反馈回路140的焊接输出电压考虑为控制器130的反馈可以更准确地确定实际的瞬时CTWD。
根据多个实施例，针对焊条类型、焊条直径、和屏蔽气体的组合，CTWD、WFS、与安培数之间的关系可以是用实验的方式或基于原理通过分析来确定的。一旦确定此类关系，该关系就可以表示或存储在控制器130中，例如作为查找表(LUT)或作为表示在软件中的数学转换函数。
图7展示了图2的焊接电源72的控制器130的一部分700的示例性实施例，该部分被配置成用于确定实际的瞬时CTWD。如在图7的实施例中所示，使用LUT 710来实现输入内容711(WFS、焊丝类型、焊丝大小、安培数、电压、和屏蔽气体)与输出内容712(实际CTWD)之间的关系。LUT 710可以是在例如作为EEPROM的固件中实施的。在一些实施例中，可以不使用焊接输出电压或屏蔽气体的输入内容。针对输入内容711的任何特定组合，实时地产生代表实际和瞬时CTWD的输出内容712。
图8展示了图2的焊接电源72的控制器130的一部分800的示例性实施例，该部分被配置成基于来自该LUT 710的这些CTWD 712来随着时间确定平均CTWD 812并且计算校正因子。该校正因子可以采取焊接持续时间822、焊丝给送速度(WFS)824、或这两者的形式。图8还示出了通信地接口连接至焊接电源72的控制器130的部分800上的机器人控制器76。可选地或替代地，该校正因子可以采取该焊枪的行进速度的形式。
根据实施例，在执行当前焊接操作来在工件部件22上的当前位置处产生当前焊接层时，在该当前焊接操作过程中确定多个瞬时CTWD 712，并且根据针对该当前焊接层的这多个瞬时CTWD 712通过求平均模块810来计算出平均CTWD 812。由校正因子模块820基于平均CTWD 812并且进一步基于与下一个焊接操作相对应的3D模型/机器人参数计算出用于下一个焊接操作的校正因子(例如，焊接持续时间822、WFS 824、或这两者)，这些参数是由控制器130从机器人控制76接收的。该校正因子被焊接电源72使用来在下一个焊接操作过程中在下一个工件部件位置处(例如，与下一个焊接层相对应的下一个高度位置)生成下一个焊接层。
根据实施例，平均CTWD可以是这些瞬时CTWD的简单数学平均值。在另一个实施例中，平均CTWD可以是加权平均值。例如，可以对后面的瞬时CTWD(例如，可以是十个中的最后四个)给予更大的权重。根据又另一个实施例，平均CTWD可以是运行期平均值，其中瞬时CTWD的样本总数量可以一层一层地改变。也可以有可能有针对不同的增材制造应用工作良好的确定平均CTWD的其他途径。因此，在此广义地使用术语“平均CTWD”。
根据实施例，这些3D模型/机器人参数可以包括下一个焊接层的指定高度和焊枪60的指定位置中的一项或多项。通过知晓下一个焊接层的3D模型/机器人参数以及来自当前焊接层的平均CTWD，可以针对下一个焊接操作进行增大或减小焊接持续时间和/或WFS来生成下一个焊接层。根据多个实施例，求平均模块810和校正因子模块820可以被实施为控制器130中的软件和/或硬件。例如，设想了作为在处理器上运行的软件、或作为固件(例如，编程的EEPROM)的实施形式。其他所实施的实施例也是可能的(例如，数字信号处理器)。
例如，在当前焊接层的平均CTWD 812比基于3D模型/机器人参数所期望的更长时，这可以指明：所得的当前焊接层的高度太矮(例如，没有足够的焊接材料沉积来达到这层的指定高度)。因此，可以增大下一个焊接操作的焊接持续时间和/或WFS以便对下一个焊接层沉积更多的焊接材料来补偿当前焊接层的矮高度。
类似地，在当前焊接层的平均CTWD短于预期时，这可以指明：所得的当前焊接层太高(例如，沉积了太多焊接材料，超出了这层的指定高度)。因此，可以减小下一个焊接操作的焊接持续时间和/或WFS以便对下一个焊接层沉积更少的焊接材料来补偿当前焊接层。以此方式，通过允许下一个焊接层补偿当前焊接层，就可以将在生成所有焊接层之后工件部件在特定位置处的所得工件部件总高度的任何误差最小化。根据替代性实施例，可以针对下一个焊接层调节焊枪的行进速度(增大或减小)以便有助于补偿当前焊接层。
根据多个实施例，下一个焊接层的焊接持续时间(和/或焊丝给送速度)与平均CTWD之间的关系可以是用实验的方式或基于理论通过分析来确定的。总体而言，CTWD的确定在针对CTWD的给定改变而言产生了较大安培数改变的区域中更精确(例如，参见图5)。
图9展示了在机器人焊接增材制造工艺(RWAMP)过程中在一层接一层的基础上用于校正增材制造高度误差的方法900的实施例的流程图。在步骤910中，在针对当前焊接层的机器人焊接增材制造工艺过程中对焊接输出电流与焊丝给送速度中的一者或两者进行取样。在步骤920中，基于机器人焊接增材制造工艺过程中所使用的焊接输出电流与焊丝给送速度中的一者或两者、以及焊丝类型、焊丝大小和可选地焊接气体，来确定多个瞬时导电嘴到工件距离和/或焊接输出电压。在步骤930中，基于在机器人焊接增材制造工艺过程中针对当前焊接层所确定的该多个瞬时CTWD来确定平均CTWD。在步骤940，基于该平均CTWD以及来自用于控制该机器人焊接增材制造工艺的机器人控制器的一个或多个参数来生成将在产生下一个焊接层时使用的校正因子。
图10展示了采用了图9的方法900的机器人焊接增材制造工艺的实例。在图10的工艺中，每层焊接材料沿着z方向在工件衬底上的指定位置处的高度被指定为50密尔，其中密耳是千分之一英寸。在指定位置处沉积每个层的过程中，在每层的焊接持续时间过程中如在此所描述地确定瞬时CTWD的大约十个(10)样本。此外，根据瞬时CTWD的这十个(10)样本确定平均CTWD。根据实施例，一个层的校正因子可以在跨过该层上的指定位置改变时发生改变或变化。
在图10的实例中，确定层N的平均CTWD长于预期并且层N的高度最终为40密耳而不是希望的50密耳。因此，通过使用在此所描述的工艺，至少基于层N的平均CTWD来确定下一层N+1的校正因子，其中焊接持续时间与焊丝给送速度各自被增大了所确定的量来补偿层N的高度不足。因此，层N+1的高度最终为60密耳，从而使得从层N的底部到层N+1的顶部的总高度为100密耳。该工艺可以针对所有层在指定位置处以类似的方式进行，从而使得该指定位置处的高度具有最小的可接受误差。并且，根据实施例，除了焊接持续时间与焊丝给送速度之外或作为其替代方案，可以调整行进速度来补偿当前层。即，可以调节下一层的焊接持续时间、焊丝给送速度、或行进速度中的一项或多项来补偿当前层。
作为替代方案，可以针对当前焊接层实时地生成校正因子。例如，可以在当前层的焊接工艺过程中计算出瞬时CTWD的运行期平均值。在监测该运行期平均值时，可以基于该运行期平均CTWD针对当前焊接层实时地调整该焊接持续时间和/或焊丝给送速度。根据另一个实施例，可以实施两种方式(即，针对当前焊接层进行实时地校正以及基于当前焊接层对下一个焊接层进行校正)的组合。这样的组合方式可以产生有助于使这些层的高度保持彼此更加一致的粗略校正和精细校正的组合。例如，对当前层进行实时校正的方式可以提供粗略校正并且对下一个层进行的校正方式可以提供精细校正。
在一个实施例中，提供了具有焊接电源的焊接系统。该焊接电源被配置成用于：在用于创建3D工件部件的当前焊接层的机器人焊接增材制造工艺过程中对焊接输出电流与焊丝给送速度的瞬时参数对进行实时取样；针对并且至少基于在该当前焊接层的创建过程中所取样到的这些瞬时参数对中的每个参数对来确定瞬时导电嘴到工件距离；基于针对该当前焊接层所确定的每个瞬时导电嘴到工件距离来确定平均导电嘴到工件距离；并且至少基于该平均导电嘴到工件距离来生成将在创建该3D工件部件的下一个焊接层时使用的校正因子。可以实时地确定每个瞬时导电嘴到工具距离，并且该焊接电源可以进一步被配置成用于：在该当前焊接层的创建过程中确定每个瞬时导电嘴到工件距离时实时地确定导电嘴到工件距离的运行平均值；并且响应于该导电嘴到工件距离的运行平均值来实时调节在该当前焊接层的创建过程中的焊接持续时间或焊丝给送速度中的一者或多者。该瞬时导电嘴到工件距离可以是进一步基于所使用的焊接输出电压、焊条类型、焊条直径、和屏蔽气体中的一项或多项的。该校正因子可以影响该下一个焊接层的焊接持续时间、焊丝给送速度、或行进速度中的一项或多项。该校正因子可以是进一步基于针对该下一个焊接层进行的下一个焊接操作的、与该3D工件部件对应的3D模型参数或由机器人控制器提供的机器人参数中的一者或多者的。这些3D模型参数和机器人参数包括该下一个焊接层的指定高度或该下一个焊接层的焊接工具的指定位置中的一项或多项。平均导电嘴到工件距离可以是以下各项中的一项：针对当前焊接层确定的这些瞬时导电嘴到工件距离的简单数学平均值、针对该当前焊接层确定的这些瞬时导电嘴到工件距离的加权平均值、或针对该当前焊接层确定的这些瞬时导电嘴到工件距离的运行期平均值。该焊接系统可以包括机器人，该机器人具有被配置成用于与该焊接电源操作性通信的机器人控制器。该焊接系统可以包括操作性连接至该机器人的焊接工具。该焊接系统可以进一步包括操作性连接至该焊接工具和该焊接电源上的焊丝给送器。
在一个实施例中，提供了具有焊接电源的焊接系统。该焊接电源被配置成用于：在用于创建3D工件部件的当前焊接层的机器人焊接增材制造工艺过程中对焊接输出电流与焊丝给送速度的瞬时参数对进行实时取样；针对并且至少基于在该当前焊接层的创建过程中所取样的这些瞬时参数对中的每个参数对来实时地确定瞬时导电嘴到工件距离；在该当前焊接层的创建过程中确定每个瞬时导电嘴到工件距离时实时地确定导电嘴到工件距离的运行平均值；并且响应于该导电嘴到工件距离的运行平均值来实时调节在该当前焊接层的创建过程中的焊接持续时间或焊丝给送速度中的一者或多者。该焊接电源可以进一步被配置成用于：基于针对该当前焊接层所确定的每个瞬时导电嘴到工件距离来确定平均导电嘴到工件距离；并且至少基于该平均导电嘴到工件距离来生成将在创建该3D工件部件的下一个焊接层时使用的校正因子。该瞬时导电嘴到工件距离可以是进一步基于所使用的焊接输出电压、焊条类型、焊条直径、和屏蔽气体中的一项或多项的。该校正因子可以影响该下一个焊接层的焊接持续时间、焊丝给送速度、或行进速度中的一项或多项。该校正因子可以是进一步基于针对该下一个焊接层进行的下一个焊接操作的、与该3D工件部件对应的3D模型参数或由机器人控制器提供的机器人参数中的一者或多者的。这些3D模型参数和机器人参数包括该下一个焊接层的指定高度或该下一个焊接层的焊接工具的指定位置中的一项或多项。该焊接系统可以包括机器人，该机器人具有被配置成用于与该焊接电源操作性通信的机器人控制器。该焊接系统可以进一步包括操作性连接至该机器人的焊接工具。该焊接系统还可以进一步包括操作性连接至该焊接工具和该焊接电源上的焊丝给送器。
概括而言，提供了一种在机器人焊接增材制造工艺过程中校正高度误差的系统和方法。在机器人焊接增材制造工艺过程中在产生当前焊接层时对焊接输出电流和焊丝给送速度中的一者或两者进行取样。基于该焊接输出电流和该焊丝给送速度中的至少一者或两者来确定多个瞬时导电嘴到工件的距离(CTWD)。基于该多个瞬时CTWD来确定平均CTWD。基于该平均CTWD生成用于补偿该当前焊接层的高度上的任何误差的校正因子。
在所附的权利要求书中，术语“包括(including)”和“具有(having)”被用作术语“包括(comprising)”的简明语言替代形式；术语“其中(in which)”等同于“其中(wherein)”。此外，在所附的权利要求书中，术语“第一”、“第二”、“第三”、“上”、“下”、“底”、“顶”等仅被用作标示(label)，而不意图对其对象施加数值或位置要求。另外，所附权利要求的限制不是写成装置加功能的格式、并且并不旨在基于35U.S.C.§112第六款来解释，除非并且直到此类权利要求限制明确地使用了“用于…的装置(means for)”、并且在之后进行了没有进一步结构的功能陈述。如本文所使用的，以单数形式并且继续以词汇“一(a)”或“一(an)”叙述的部件或步骤应当被理解为不排除复数的所述部件或步骤，除非明确说明了这样的排除。此外，对本发明的“一个实施例”的参考并不旨在被理解为排除包括所叙述特征的附加实施例的存在。而且，除非明确地相反陈述，“包含”、“包括”或“具有”具有特定性质的一个元件或多个元件的实施例可以包括另外的、并不具有该性质的这样的元件。再有，特定实施例可以被示出为具有相同或相似的部件，然而，这仅仅是出于图示说明的目的，并且这样的实施例不必需要具有相同的部件，除非在权利要求书中规定了这一点。
如本文中所使用的，术语“可以(may)”和“可能(maybe)”表示在一组情形下发生的可能性；拥有规定的性质、特性或功能；和/或限定另一动词而通过表述与限定的动词相关联的能力(ability)、能力(capability)或可能性中的一项或多项。因此，“可能(may)”和“可能(maybe)”的使用表示修饰的术语对于所表示的能力、功能或用途是明显适合的、能胜任的或适用的，同时考虑的是在某些情形下，所述修饰的术语可能有时不是适合的、能胜任的或适用的。例如，在某些情形下，可以预期一种事件或能力，而在其他情形下，该事件或能力可以不出现--这一区别由术语“可能(may)”和“可能(maybe)”准确捕捉的。
本书面说明书使用实施例来公开本发明，包括最佳模式，并且也使本领域普通技术人员能够实行本发明，包括制作和使用任何装置或系统以及执行任何并入的方法。本发明的可专利的范围由权利要求书限定，并且可以包括本领域的普通技术人员想到的其他实施例。如果这样的其他实施例具有并不有别于权利要求书的文字语言的结构性要素或者如果这样的其他实施例包括与权利要求书的文字语言没有实质性不同的等同的结构性要素，则所旨在的是这样的其他实施例处在权利要求书的范围内。
虽然已参照某些实施例描述了要求保护的本申请的主题，但是本领域技术人员将理解，在不脱离要求保护的主题的范围的情况下，可以进行各种改变，并且可以替换等效形式。另外，可以进行许多修改来使特定情形或材料适合所要求保护主题的教导，而不脱离其范围。因此，所旨在的是，所要求保护的主题内容不受限于所公开的特定实施例，而所要求保护的主题内容将包括落入附权利要求书的范围内的所有实施例。
参考号
10 焊接室单元 120 波形发生器
12 框架 130 控制器
14 机器人 140 电压反馈电路
16 焊接工作台 150 电流反馈电路
22 工件部件 180 开关电路
26 前门 500 二维曲线图
28 后门 510 曲线
32 窗口 520 曲线
40 控制面板 600 三维曲线图
42 控件包壳 610 曲线
60 焊枪 611 参数对
61 导体导管 612 值
62 导管或管道 700 部分
63 焊条管道 710 LUT
64 焊条焊丝 711 输入内容
65 气体扩散器 712 输出内容
67 导电嘴 800 部分
68 焊丝给送器 810 求平均模块
72 焊接电源 812 CTWD
74 平台 820 校正因子模块
76 机器人控制器 822 焊接持续时间
105 电源 824 WFS
110 功率转换电路 900 方法
910 步骤
920 步骤
930 步骤
940 步骤
CTWD 导电嘴到工件距离
GMAW 气体保护金属极电弧焊
WTD 焊接持续时间
WFS 焊丝给送速度
LUT 查找表
RWAMP 机器人焊接增材制造工艺

Claims (27)

1.一种焊接系统，包括焊接电源(72)，其中该焊接电源(72)被配置成用于：
在用于创建3D工件部件(22)的当前焊接层的机器人焊接增材制造工艺过程中对焊接输出电流与焊丝给送速度的瞬时参数对进行实时取样(910)；
针对并且至少基于在该当前焊接层的创建过程中所取样到的这些瞬时参数对中的每个参数对来确定(920)瞬时导电嘴到工件距离(CTWD)；
基于针对该当前焊接层所确定的每个瞬时导电嘴到工件距离来确定(930)平均导电嘴到工件距离(CTWD)；并且
至少基于该平均导电嘴到工件距离(CTWD)来生成(940)将在创建该3D工件部件(22)的下一个焊接层时使用的校正因子。
2.如权利要求1所述的焊接系统，其中每个瞬时导电嘴到工件距离是实时确定的，并且其中该焊接电源(72)进一步被配置成用于：
在该当前焊接层的创建过程中确定每个瞬时导电嘴到工件距离(CTWD)时实时地确定导电嘴到工件距离(CTWD)的运行平均值；并且
响应于该导电嘴到工件距离(CTWD)的运行平均值来实时调节在该当前焊接层的创建过程中的焊接持续时间或焊丝给送速度中的一者或多者。
3.一种焊接系统，包括焊接电源(72)，其中该焊接电源(72)被配置成用于：
在用于创建3D工件部件(22)的当前焊接层的机器人焊接增材制造工艺过程中对焊接输出电流与焊丝给送速度的瞬时参数对进行实时取样(910)；
针对并且至少基于在该当前焊接层的创建过程中所取样的这些瞬时参数对中的每个参数对来实时地确定(920)瞬时导电嘴到工件距离(CTWD)；
在该当前焊接层的创建过程中确定每个瞬时导电嘴到工件距离时实时地确定(930)导电嘴到工件距离的运行平均值；并且
响应于该导电嘴到工件距离(CTWD)的运行平均值来实时调节在该当前焊接层的创建过程中的焊接持续时间或焊丝给送速度中的一者或多者。
4.如权利要求3所述的焊接系统，其中，该焊接电源进一步被配置成用于：
基于针对该当前焊接层所确定的每个瞬时导电嘴到工件距离(CTWD)来确定平均导电嘴到工件距离(CTWD)；并且
至少基于该平均导电嘴到工件距离(CTWD)来生成将在创建该3D工件部件的下一个焊接层时使用的校正因子。
5.如权利要求4所述的焊接系统，其中，该瞬时导电嘴到工件距离(CTWD)是进一步基于所使用的焊接输出电压、焊条类型、焊条直径、和屏蔽气体中的一项或多项的。
6.如权利要求1至5之一所述的焊接系统，其中，该校正因子影响该下一个焊接层的焊接持续时间、焊丝给送速度、或行进速度中的一项或多项。
7.如权利要求1至5之一所述的焊接系统，其中，该校正因子进一步是基于针对该下一个焊接层进行的下一个焊接操作的、与该3D工件部件(22)对应的3D模型参数或由机器人控制器(76)提供的机器人参数中的一者或多者的。
8.如权利要求6所述的焊接系统，其中，该校正因子进一步是基于针对该下一个焊接层进行的下一个焊接操作的、与该3D工件部件(22)对应的3D模型参数或由机器人控制器(76)提供的机器人参数中的一者或多者的。
9.如权利要求7所述的焊接系统，其中，这些3D模型参数和机器人参数包括该下一个焊接层的指定高度或该下一个焊接层的焊接工具的指定位置中的一项或多项。
10.如权利要求8所述的焊接系统，其中，这些3D模型参数和机器人参数包括该下一个焊接层的指定高度或该下一个焊接层的焊接工具的指定位置中的一项或多项。
11.如权利要求1至5之一所述的焊接系统，其中，该平均导电嘴到工件距离(CTWD)是以下各项中的一项：针对该当前焊接层确定的这些瞬时导电嘴到工件距离的简单数学平均值、针对该当前焊接层确定的这些瞬时导电嘴到工件距离的加权平均值、或针对该当前焊接层确定的这些瞬时导电嘴到工件距离的运行平均值。
12.如权利要求6所述的焊接系统，其中，该平均导电嘴到工件距离(CTWD)是以下各项中的一项：针对该当前焊接层确定的这些瞬时导电嘴到工件距离的简单数学平均值、针对该当前焊接层确定的这些瞬时导电嘴到工件距离的加权平均值、或针对该当前焊接层确定的这些瞬时导电嘴到工件距离的运行平均值。
13.如权利要求7所述的焊接系统，其中，该平均导电嘴到工件距离(CTWD)是以下各项中的一项：针对该当前焊接层确定的这些瞬时导电嘴到工件距离的简单数学平均值、针对该当前焊接层确定的这些瞬时导电嘴到工件距离的加权平均值、或针对该当前焊接层确定的这些瞬时导电嘴到工件距离的运行平均值。
14.如权利要求8至10之一所述的焊接系统，其中，该平均导电嘴到工件距离(CTWD)是以下各项中的一项：针对该当前焊接层确定的这些瞬时导电嘴到工件距离的简单数学平均值、针对该当前焊接层确定的这些瞬时导电嘴到工件距离的加权平均值、或针对该当前焊接层确定的这些瞬时导电嘴到工件距离的运行平均值。
15.如权利要求1至5之一所述的焊接系统，进一步包括机器人，该机器人具有被配置成与该焊接电源(72)操作性通信的机器人控制器(76)。
16.如权利要求6所述的焊接系统，进一步包括机器人，该机器人具有被配置成与该焊接电源(72)操作性通信的机器人控制器(76)。
17.如权利要求7所述的焊接系统，进一步包括机器人，该机器人具有被配置成与该焊接电源(72)操作性通信的机器人控制器(76)。
18.如权利要求8至10、12至13之一所述的焊接系统，进一步包括机器人，该机器人具有被配置成与该焊接电源(72)操作性通信的机器人控制器(76)。
19.如权利要求11所述的焊接系统，进一步包括机器人，该机器人具有被配置成与该焊接电源(72)操作性通信的机器人控制器(76)。
20.如权利要求14所述的焊接系统，进一步包括机器人，该机器人具有被配置成与该焊接电源(72)操作性通信的机器人控制器(76)。
21.如权利要求15所述的焊接系统，进一步包括操作性连接至该机器人上的焊接工具。
22.如权利要求16至17、19至20之一所述的焊接系统，进一步包括操作性连接至该机器人上的焊接工具。
23.如权利要求18所述的焊接系统，进一步包括操作性连接至该机器人上的焊接工具。
24.如权利要求21或23所述的焊接系统，进一步包括操作性连接至该焊接工具和该焊接电源的焊丝给送器。
25.如权利要求22所述的焊接系统，进一步包括操作性连接至该焊接工具和该焊接电源的焊丝给送器。
26.用于控制焊接电源(72)的方法，包括以下步骤：
在用于创建3D工件部件(22)的当前焊接层的机器人焊接增材制造工艺过程中对焊接输出电流与焊丝给送速度的瞬时参数对进行实时取样(910)；
针对并且至少基于在该当前焊接层的创建过程中所取样到的这些瞬时参数对中的每个参数对来确定(920)瞬时导电嘴到工件距离(CTWD)；
基于针对该当前焊接层所确定的每个瞬时导电嘴到工件距离来确定(930)平均导电嘴到工件距离(CTWD)；以及
至少基于该平均导电嘴到工件距离(CTWD)来生成(940)将在创建该3D工件部件(22)的下一个焊接层时使用的校正因子。
27.用于控制焊接电源(72)的方法，包括以下步骤：
在用于创建3D工件部件(22)的当前焊接层的机器人焊接增材制造工艺过程中对焊接输出电流与焊丝给送速度的瞬时参数对进行实时取样(910)；
针对并且至少基于在该当前焊接层的创建过程中所取样的这些瞬时参数对中的每个参数对来实时地确定(920)瞬时导电嘴到工件距离(CTWD)；
在该当前焊接层的创建过程中确定每个瞬时导电嘴到工件距离时实时地确定(930)导电嘴到工件距离的运行平均值；并且
响应于该导电嘴到工件距离(CTWD)的运行平均值来实时调节在该当前焊接层的创建过程中的焊接持续时间或焊丝给送速度中的一者或多者。
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