电弧焊接系统(10)包括焊炬(26)、电极(16)以及具有被连接到焊炬(26)的开关式电源转换器(22)的电源供应器(12)。并行的基于状态的控制器(34)被连接到电源转换器(22)并且将波形控制信号提供到电源转换器(22)用于控制它的操作。控制器(34)产生动作控制信号(62)用于控制电极(16)和/或焊炬(26)的移动。传感器(48)感测焊接电压或焊接电流。存储器(50)储存包括顺序控制状态的焊接状态表(54)，并且储存包括进一步的顺序控制状态的动作控制系统状态表(56)。焊接波形(24)在焊接状态表(54)中被限定。控制器(34)根据焊接状态表(54)通过波形控制信号控制电源转换器(22)的操作，同时根据动作控制系统状态表(56)调整动作控制信号(62)。控制器(34)根据从传感器(48)接收的信号在控制状态之间转换。
1.一种电弧焊接系统(10)，所述电弧焊接系统(10)包括：
电极(16)，所述电极(16)被可操作地连接到所述焊炬(26)，从所述焊炬(26)接收电能并且从所述电弧焊接系统(10)建立电弧(14)；以及焊接电源供应器(12)，所述焊接电源供应器(12)根据焊接波形(24)供应用于产生所述电弧(14)的电能，其中所述焊接电源供应器(12)包括：开关式电源转换器(22)，所述开关式电源转换器(22)被可操作地连接到所述焊炬(26)用于将所述电能供应到所述焊炬(26)；
并行的基于状态的控制器(34)，所述并行的基于状态的控制器(34)被可操作地连接到所述开关式电源转换器(22)并且将波形控制信号(36)提供到所述开关式电源转换器(22)用于控制所述开关式电源转换器(22)的操作，并且进一步产生动作控制信号(62)用于控制所述电极(16)和所述焊炬(26)中的至少一个的移动，所述并行的基于状态的控制器(34)包括处理器；
传感器(48)，所述传感器(48)具有被可操作地连接到所述并行的基于状态的控制器(34)的输出，所述传感器(48)感测焊接电压和焊接电流中的至少一个；以及存储器部分(50)，所述存储器部分(50)被可操作地连接到所述处理器并且储存包括第一组多个顺序控制状态的焊接状态表(54)，并且进一步储存包括第二组多个顺序控制状态的动作控制系统状态表(56)；
其中所述焊接波形(24)在所述焊接状态表(54)中被限定，并且所述并行的基于状态的控制器(34)根据所述焊接状态表(54)通过所述波形控制信号(36)控制所述开关式电源转换器(22)的所述操作，并且同时根据所述动作控制系统状态表(56)调整所述动作控制信号(62)，其中所述并行的基于状态的控制器(34)根据从所述传感器(48)接收的信号在所述焊接状态表(54)的控制状态之间转换，并且还根据从所述传感器(48)接收的所述信号在所述动作控制系统状态表(56)的控制状态之间转换，其中所述电极(16)是可消耗的焊丝电极，
其中所述电弧焊接系统(10)进一步包括用于以焊丝送进速度送进所述可消耗的焊丝电极的马达(58)，以及用于控制所述焊丝送进速度的马达控制器，其中所述并行的基于状态的控制器(34)根据所述动作控制系统状态表产生动作控制信号来调节所述焊丝送进速度，并且其中所述马达控制器根据所述动作控制信号来调整所述焊丝送进速度。
2.如权利要求1所述的电弧焊接系统，其中所述焊炬(26)包括导电嘴(28)，并且所述动作控制系统状态表(56)控制导电嘴到工件距离(CTWD)，其中当所述并行的基于状态的控制器(34)从第一焊接过程到第二焊接过程改变时，所述第一焊接过程调节焊接电压并且由所述焊接状态表(54)限定，所述第二焊接过程调节焊接电流并且由不同的焊接状态表(54)限定，所述并行的基于状态的控制器自动地将所述动作控制系统状态表(56)从基于平均焊接电流调节导电嘴到工件距离的一个状态表改变到基于平均焊接电压调节导电嘴到工件距离的一个状态表。
3.如权利要求1所述的电弧焊接系统，其中所述并行的基于状态的控制器(34)进一步同时根据包括第三组多个顺序控制状态的第三状态表控制所述马达(58)的操作。
4.如权利要求2所述的电弧焊接系统，其中所述并行的基于状态的控制器(34)进一步同时根据包括第三组多个顺序控制状态的第三状态表控制所述马达(58)的操作。
5.如权利要求1至4中的一项所述的电弧焊接系统，其中所述动作控制信号(62)是模拟信号，并且进一步地，其中所述并行的基于状态的控制器(34)以至少100Hz的频率更新所述模拟控制信号的信号水平。
6.如权利要求1至4中的一项所述的电弧焊接系统，进一步包括动作控制系统，所述动作控制系统控制所述焊炬(26)和所述电极(16)中的所述至少一个的所述移动，所述动作控制系统包括动作控制系统控制器，并且其中所述动作控制信号是模拟信号，所述模拟信号由所述并行的基于状态的控制器(34)提供到所述动作控制系统控制器。
7.如权利要求6所述的电弧焊接系统，其中所述动作控制系统状态表(56)包括缩回状态，所述缩回状态用于，一旦所述并行的基于状态的控制器(34)确定所述电极(16)已经接触工件，指示所述动作控制系统控制器缩回所述焊炬(26)和所述电极(16)中的至少一个。
8.如权利要求6所述的电弧焊接系统，其中所述动作控制系统包括用于以焊丝送进速度送进所述可消耗的焊丝电极(16)的马达(58)，所述焊丝送进速度由所述动作控制系统控制器根据来自所述并行的基于状态的控制器(34)的所述模拟信号控制。
9.如权利要求1至4中的一项所述的电弧焊接系统，其中所述并行的基于状态的控制器(34)基于所选择的焊接状态表(54)的特征从多个状态表之中自动地选择特定的状态表作为所述动作控制系统状态表(56)；和/或其中所述并行的基于状态的控制器(34)根据使用者输入的所期望的焊接尺寸从所述多个状态表之中选择所述焊接状态表。
10.如权利要求1至4中的一项所述的电弧焊接系统，进一步包括动作控制系统，所述动作控制系统包括动作控制系统控制器，所述动作控制系统控制器用于根据所述动作控制信号控制所述焊炬(26)的振荡摆动焊接移动来获得预定的焊缝尺寸，和/或进一步包括动作控制系统，所述动作控制系统包括用于控制所述焊炬沿工件的长度的行进的动作控制系统控制器。
11.如权利要求1至4中的一项所述的电弧焊接系统，其中所述并行的基于状态的控制器(34)根据所述焊接状态表(54)调节焊接电流，并且根据所述动作控制系统状态表(56)以及基于平均焊接电压调节导电嘴到工件距离(CTWD)；和/或其中所述并行的基于状态的控制器(34)根据所述焊接状态表(54)调节焊接电压，并且根据所述动作控制系统状态表(56)以及基于平均焊接电流调节导电嘴到工件距离(CTWD)。
12.一种用于控制电弧焊接系统的方法，所述方法包括以下步骤：
提供所述电弧焊接系统，根据权利要求1至10中的一项的所述电弧焊接系统，其中所述电弧焊接系统包括：包括导电嘴(28)的焊炬(26)；以及
被可操作地连接到所述焊炬的开关式电源转换器(22)，
包括焊接状态表和动作控制系统状态表的并行的基于状态的控制器；
通过所述并行的基于状态的控制器，根据所述焊接状态表控制所述开关式电源转换器来产生焊接波形，所述焊接状态表包括限定所述焊接波形的第一组多个顺序控制状态，其中控制所述开关式电源转换器的步骤包括基于来自所述焊接电压传感器的焊接电压信号和来自所述焊接电流传感器的焊接电流信号中的至少一个在所述焊接状态表的控制状态之间顺序地转换；以及通过所述并行的基于状态的控制器，与控制所述开关式电源转换器同时地，根据所述动作控制系统状态表控制所述焊炬的移动，所述动作控制系统状态表包括第二组多个顺序控制状态，其中控制所述焊炬的所述移动的步骤包括基于来自所述焊接电压传感器的所述焊接电压信号和来自所述焊接电流传感器的所述焊接电流信号中的至少一个在所述动作控制系统状态表的控制状态之间顺序地转换，其中焊接电极是可消耗的焊丝电极，所述电弧焊接系统进一步包括用于以焊丝送进速度送进所述可消耗的焊丝电极的马达，以及用于控制所述焊丝送进速度的马达控制器，所述方法进一步包括以下步骤：通过所述并行的基于状态的控制器根据所述动作控制系统状态表产生模拟动作控制信号来调节所述焊丝送进速度；以及通过所述马达控制器根据所述模拟动作控制信号的信号水平调整所述焊丝送进速度。
13.如权利要求12所述的方法，其中控制所述焊炬(26)的所述移动的步骤包括控制所述焊炬(26)的导电嘴到工件距离(CTWD)。
14.如权利要求12所述的方法，其中所述电弧焊接系统包括动作控制系统，所述动作控制系统包括动作控制系统控制器，所述方法进一步包括以下步骤：通过所述并行的基于状态的控制器根据所述动作控制系统状态表产生模拟动作控制信号；
以至少100Hz的频率更新所述模拟动作控制信号的信号水平；
通过所述动作控制系统根据所述模拟动作控制信号的所述信号水平调节导电嘴到工件距离。
15.如权利要求13所述的方法，其中所述电弧焊接系统包括动作控制系统，所述动作控制系统包括动作控制系统控制器，所述方法进一步包括以下步骤：通过所述并行的基于状态的控制器根据所述动作控制系统状态表产生模拟动作控制信号；
以至少100Hz的频率更新所述模拟动作控制信号的信号水平；
通过所述动作控制系统根据所述模拟动作控制信号的所述信号水平调节导电嘴到工件距离。
16.如权利要求12至15中的一项所述的方法，进一步包括确定所述电弧焊接系统的电极已经接触所述工件的步骤，其中所述动作控制系统状态表包括缩回状态，所述缩回状态用于，一旦确定所述电极已经接触所述工件，从所述工件缩回所述焊炬，并且其中所述动作控制系统状态表进一步包括用于基于来自所述焊接电压传感器的所述焊接电压信号和来自所述焊接电流传感器的所述焊接电流信号中的至少一个调节导电嘴到工件距离的调节导电嘴到工件距离状态。
17.如权利要求12至15中的一项所述的方法，进一步包括以下步骤：
从第一焊接过程切换到第二焊接过程，所述第一焊接过程调节焊接电压并且由所述焊接状态表限定，所述第二焊接过程调节焊接电流并且由不同的焊接状态表限定；以及自动地通过所述并行的基于状态的控制器，将所述动作控制系统状态表从基于平均焊接电流调节导电嘴到工件距离的一个状态表切换到基于平均焊接电压调节导电嘴到工件距离的一个状态表。
18.如权利要求12至15中的一项所述的方法，其中控制所述焊炬的所述移动的步骤包括振荡所述焊炬来获得预定的焊缝尺寸。
19.一种用于控制电弧焊接系统(10)的方法，所述方法包括以下步骤：
提供所述电弧焊接系统(10)，根据权利要求1至10中的一项的所述电弧焊接系统(10)，其中所述电弧焊接系统(10)包括：焊接电极(16)；以及
包括焊接状态表和动作控制系统状态表的并行的基于状态的控制器；
通过所述并行的基于状态的控制器，根据所述焊接状态表控制所述逆变器来产生焊接波形，所述焊接状态表包括限定所述焊接波形的第一组多个顺序控制状态，其中控制所述逆变器的步骤包括基于来自所述焊接电压传感器的焊接电压信号和来自所述焊接电流传感器的焊接电流信号中的至少一个在所述焊接状态表的控制状态之间顺序地转换；以及通过所述并行的基于状态的控制器，与控制所述逆变器同时地，根据所述动作控制系统状态表控制所述焊接电极的移动，所述动作控制系统状态表包括第二组多个顺序控制状态，其中控制所述焊接电极的所述移动的步骤包括基于来自所述焊接电压传感器的所述焊接电压信号和来自所述焊接电流传感器的所述焊接电流信号中的至少一个在所述动作控制系统状态表的控制状态之间顺序地转换，其中所述焊接电极是可消耗的焊丝电极，所述电弧焊接系统进一步包括用于以焊丝送进速度送进所述可消耗的焊丝电极的马达，以及用于控制所述焊丝送进速度的马达控制器，所述方法进一步包括以下步骤：通过所述并行的基于状态的控制器根据所述动作控制系统状态表产生模拟动作控制信号来调节所述焊丝送进速度；以及通过所述马达控制器根据所述模拟动作控制信号的信号水平调整所述焊丝送进速度。
20.如权利要求19所述的方法，进一步包括确定所述焊接电极已经接触所述工件的步骤，其中所述动作控制系统状态表包括缩回状态，所述缩回状态用于，一旦确定所述电极已经接触所述工件，缩回所述焊接电极，并且其中所述动作控制系统状态表进一步包括用于保持预定的焊接电压的调节焊丝送进速度状态。
21.如权利要求19或20所述的方法，其中所述电弧焊接系统包括具有导电嘴的焊炬，并且其中所述并行的基于状态的控制器进一步包括第三状态表，所述第三状态表包括第三组多个顺序控制状态，所述方法进一步包括以下步骤：与控制所述逆变器和控制所述焊接电极的所述移动同时地，通过所述并行的基于状态的控制器根据所述第三状态表控制所述焊炬的导电嘴到工件距离(CTWD)。
22.如权利要求19或20所述的方法，进一步包括以下步骤：
通过所述并行的基于状态的控制器根据所述动作控制系统状态表产生模拟动作控制信号来控制所述焊接电极的所述移动；
从第一焊接过程切换到第二焊接过程，所述第一焊接过程调节焊接电压并且由所述焊接状态表限定，所述第二焊接过程调节焊接电流并且由不同的焊接状态表限定；
自动地通过所述并行的基于状态的控制器，将所述动作控制系统状态表从基于焊接电流水平控制所述焊接电极的移动的一个状态表切换到基于焊接电压水平控制所述焊接电极的移动的一个状态表；以及以至少100Hz的频率更新所述模拟动作控制信号的信号水平。
电弧焊接系统以及控制该电弧焊接系统的方法
[0001] 发明背景发明领域
[0002] 本发明涉及电弧焊接系统中的控制器并且涉及用于在电弧焊接系统中使用的控制方法，更特别地，涉及具有并行的基于状态的控制器的电弧焊接系统并且涉及用于控制具有并行的基于状态的控制器的电弧焊接系统的方法。
[0003] 相关技术说明
[0004] 基于状态的控制原理可以被采用来控制在焊接期间应用于工件的焊接波形。储存在焊接电源供应器的状态表通过许多控制状态限定焊接波形，所述许多控制状态分别对应于焊接波形的不同部分。例如，一个状态可以对应于焊接波形的峰值电流，而另一个状态可以对应于焊接波形的本底电流。状态表中的各个状态一起限定整个焊接波形。
[0005] 分开的附加控制器(即，与焊接电源供应器分开)被提供来控制电弧焊接系统的其他方面。例如，电弧焊接系统可以具有用于设置和控制焊炬的移动的专用控制器(例如马达控制器)，以及用于控制可消耗的焊丝电极的焊丝送进速度的另一个专用控制器。电弧焊接系统可以进一步具有多个控制器来在焊接期间控制焊炬的摆动(weaving)、焊炬沿工件的长度的平移或行进、焊炬绕管道的圆周(轨道)运动等等。这样的控制器与基于状态的焊接控制器分开并且在这样的控制器和基于状态的焊接控制器之间几乎没有集成。因此，在分开的控制器之中没有协同作用(synergy)。分开的控制器倾向于以比基于状态的焊接控制器更低的控制频率操作，以避免整个焊接控制系统内的不稳定性。例如，分开的附加控制器可以1-10Hz范围内的控制频率操作，而焊接控制器的控制频率可以快成千上万倍。进一步地，在焊接系统中，分开的控制器通常需要双重传感器(例如电压、电流等等)的使用。
发明内容
[0006] 依据本发明的一个方面，所提供的是一种电弧焊接系统。所述电弧焊接系统包括焊炬。电极被可操作地连接到焊炬，并且从焊炬接收电能。电极从电弧焊接系统建立电弧。焊接电源供应器根据焊接波形供应用于产生电弧的电能。焊接电源供应器包括开关式电源转换器。开关式电源转换器被可操作地连接到焊炬，用于将电能供应到焊炬。并行的基于状态的控制器被可操作地连接到开关式电源转换器并且将波形控制信号提供到开关式电源转换器用于控制开关式电源转换器的操作。并行的基于状态的控制器产生动作控制信号用于控制电极和焊炬中的至少一个的移动。并行的基于状态的控制器包括处理器。具有被可操作地连接到并行的基于状态的控制器的输出的传感器感测焊接电压和焊接电流中的至少一个。存储器部分被可操作地连接到处理器并且储存包括第一组多个顺序控制状态的焊接状态表和包括第二组多个顺序控制状态的动作控制系统状态表。焊接波形在焊接状态表中被限定。并行的基于状态的控制器根据焊接状态表通过波形控制信号控制开关式电源转换器的操作，并且同时根据动作控制系统状态表调整动作控制信号。并行的基于状态的控制器根据从传感器接收的信号在焊接状态表的控制状态之间转换(transition)，并且还根据从传感器接收的信号在动作控制系统状态表的控制状态之间转换。
[0007] 依据本发明的另一个方面，所提供的是一种用于控制电弧焊接系统的方法。所述方法包括提供电弧焊接系统的步骤。电弧焊接系统包括焊炬和焊接电源供应器。焊接电源供应器包括被可操作地连接到焊炬的开关式电源转换器。并行的基于状态的控制器包括焊接状态表和动作控制系统状态表。电弧焊接系统包括焊接电压传感器和焊接电流传感器。电弧在电弧焊接系统和工件之间被产生。并行的基于状态的控制器根据焊接状态表控制开关式电源转换器来产生焊接波形。焊接状态表包括限定焊接波形的第一组多个顺序控制状态。控制开关式电源转换器的步骤包括基于来自焊接电压传感器的焊接电压信号和来自焊接电流传感器的焊接电流信号中的至少一个在焊接状态表的控制状态之间顺序地转换。并行的基于状态的控制器，与控制开关式电源转换器同时地，根据动作控制系统状态表控制焊炬的移动。动作控制系统状态表包括第二组多个顺序控制状态。控制焊炬的移动的步骤包括基于来自焊接电压传感器的焊接电压信号和来自焊接电流传感器的焊接电流信号中的至少一个在动作控制系统状态表的控制状态之间顺序地转换。
[0008] 依据本发明的另一个方面，所提供的是一种用于控制电弧焊接系统的方法。所述方法包括提供电弧焊接系统的步骤。电弧焊接系统包括焊接电极和焊接电源供应器。焊接电源供应器包括被可操作地连接到焊接电极的逆变器。并行的基于状态的控制器包括焊接状态表和动作控制系统状态表。电弧焊接系统包括焊接电压传感器和焊接电流传感器。电弧在焊接电极和工件之间被产生。并行的基于状态的控制器根据焊接状态表控制逆变器来产生焊接波形。焊接状态表包括限定焊接波形的第一组多个顺序控制状态。控制逆变器的步骤包括基于来自焊接电压传感器的焊接电压信号和来自焊接电流传感器的焊接电流信号中的至少一个在焊接状态表的控制状态之间顺序地转换。并行的基于状态的控制器，与控制逆变器同时地，根据动作控制系统状态表控制焊接电极的移动。动作控制系统状态表包括第二组多个顺序控制状态。控制焊接电极的移动的步骤包括基于来自焊接电压传感器的焊接电压信号和来自焊接电流传感器的焊接电流信号中的至少一个在动作控制系统状态表的控制状态之间顺序地转换。本发明的进一步的方面、细节和实施方案从随后的说明书、附图和权利要求书中是可推断的。
[0009] 附图简要说明
[0010] 图1是示例性电弧焊接系统的示意图；以及
[0011] 图2是状态图；
[0012] 图3是示例性电弧焊接系统的示意图；
[0013] 图4是示例性电弧焊接系统的示意图；
[0014] 图5是状态图；
[0015] 图6是示例性电弧焊接系统的示意图；
[0016] 图7是示例性电弧焊接系统的示意图；以及
[0017] 图8是示例性电弧焊接系统的示意图。
[0018] 发明的详细描述
[0019] 本发明涉及电弧焊接系统中的控制器并且涉及用于在电弧焊接系统中使用的控制方法。现在将参照附图描述本发明，其中相似的参考编号被用来在通篇中用于相似的要素。将理解的是，各种附图不必以彼此按比例的方式来绘制，在给定的附图内也同样是这样，并且特别地，部件的尺寸被任意地绘制，以便于对附图的理解。在下面的说明书中，出于解释说明的目的，许多具体的细节被阐述以提供对本发明的深入理解。然而，可以为明显的是，本发明可以被实践而不需要这些具体的细节。附加地，本发明的其他实施方案是可能的并且本发明能够以除了如所描述的方式之外的方式被实践和实施。在描述本发明中采用的术语和短语是出于促进对本发明的理解的目的，并且不应该被认为是限制性的。
[0020] 如本文所使用的，术语“焊接”指的是电弧焊接工艺。示例性电弧焊接工艺包括气体保护金属极弧焊(GMAW)、气体保护钨极电弧焊(GTAW)、药芯焊丝弧焊(FCAW)、埋弧焊(SAW)、金属芯弧焊(MCAW)、等离子弧焊(PAW)等等。
[0021] 如本文所使用的，术语“电极(electrode)”和“焊接电极”指的是与焊炬相关联的电极，所述焊炬将电能从焊接电源供应器传递到工件。示例性“电极”和“焊接电极”包括在焊接期间被消耗的可消耗的(例如，焊丝)电极、非可消耗的电极(例如，形成焊炬的一部分)以及在焊炬内用于将电能传递到可消耗的电极的导电嘴。电极/焊接电极的移动可以指的是电极相对于焊炬和/或工件的移动，例如通过焊炬朝向工件送进可消耗的焊丝电极。电极/焊接电极的移动也可以指的是焊炬本身，与焊炬的导电嘴或非可消耗的电极一起，相对于工件的移动。
[0022] 在图1中，示例性电弧焊接系统10被示意性地示出。电弧焊接系统10包括焊接电源供应器12。焊接电源供应器12在电极16和工件18之间产生电弧14来执行焊接操作。焊接电源供应器12从电源20(例如，商业性电源或发电机)接收用于产生电弧14的电能。电源20可以是单相或三相电源。
[0023] 焊接电源供应器12包括用于根据所期望的焊接波形24产生电弧的开关式电源转换器22。示例性开关式电源转换器22包括逆变器、斩波器等等。
[0024] 电弧焊接系统10包括被可操作地连接到电源转换器22的焊炬26。电源转换器22将电能供应到焊炬26来执行焊接操作。在图1中，焊炬26具有导电嘴28，所述导电嘴28用于将由电源转换器22供应的电能传递到电极16。将理解的是，电极16可以是在焊接操作期间被消耗的从焊炬26延伸的可消耗的电极，或者是为焊炬的一部分的非可消耗的电极。
[0025] 电引线30、32为电弧焊接电流从电源转换器22通过焊炬26和电极16、穿过电弧14并且通过工件18提供完整的电路。
[0026] 焊接电源供应器10包括控制器34，所述控制器34是并行的基于状态的控制器。并行的基于状态的控制器的操作在下面被详细讨论。并行的基于状态的控制器34被可操作地连接到电源转换器22并且将波形控制信号36提供到电源转换器22。并行的基于状态的控制器34经由波形控制信号36控制电源转换器22的输出，并且控制器34根据所期望的焊接波形24产生波形控制信号36。焊接波形24可以具有由焊接周期的各种状态或阶段形成的任何数量的形状。例如，焊接波形24可以具有用于保持电弧的本底电流状态38、短路清除状态40、峰值电流状态42、拖尾(tail-out)电流状态44、具有或不具有过冲(overshoot)的斜升(ramp-up)状态(未示出)等等。焊接波形24可以具有相关联的时间参数，例如峰值时间、斜升率、拖尾速度等等。并行的基于状态的控制器34依据所期望的焊接波形24调整波形控制信号36来实现焊接操作。焊接控制信号36可以包括用于控制电源转换器22内的各种开关(例如，半导体开关)的操作的多个分开的控制信号。进一步地，波形控制信号36可以被供应到为电源转换器22的一部分的分开的控制器(例如，逆变器控制器)。
[0027] 并行的基于状态的控制器34经由反馈信号监控焊接工艺的各种方面。例如，分流器46或电流互感器(CT)可以将焊接电流反馈信号提供到并行的基于状态的控制器34，并且电压传感器48可以将焊接电压反馈信号提供到控制器34。
[0028] 并行的基于状态的控制器34可以是电子控制器并且可以包括处理器。并行的基于状态的控制器34可以包括微处理器、微控制器、数字信号处理器(DSP)、特定应用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、分立逻辑电路等等中的一个或更多个。并行的基于状态的控制器34包括存储器部分50(例如，RAM或ROM)。存储器部分50可以储存限定电弧焊接程序和动作控制程序的程序指令，所述程序指令导致并行的基于状态的控制器34提供本文所赋予它的功能。在某些实施方案中，并行的基于状态的控制器34可以访问远程存储器(未示出)，所述远程存储器储存用于由控制器使用的程序和/或参数。并行的基于状态的控制器34可以通过网络(例如，局域网、广域网、因特网等等)访问这样的远程存储器。示例性远程存储器包括远程服务器、基于云的存储器等等。
[0029] 如上面所记载的，控制器34是并行的基于状态的控制器。并行的基于状态的控制器34根据状态表概念控制焊接操作。焊接操作(包括所期望的焊接波形24)被分为一系列被顺序地控制的状态。经由波形控制信号36，并行的基于状态的控制器34依据当前的控制状态控制电源转换器22的输出。示例性控制状态包括断开(OFF)、峰值电流、本底电流等等。并行的基于状态的控制器34基于焊接操作的参数在各个控制状态之间转换。例如，并行的基于状态的控制器34可以基于参数(例如，来自焊接电流反馈信号的焊接电流水平、来自焊接电压反馈信号的焊接电压水平、经过时间(elapsed time)(如在所述电流状态中的经过时间)、其他反馈信号(如位置信号、限制切换状态)等等)在控制状态之间转换。
[0030] 存储器部分50储存用于由并行的基于状态的控制器34使用的多个状态表52。被储存的状态表52包括焊接状态表和动作控制系统状态表。并行的基于状态的控制器34与执行至少一个动作控制系统状态表同时地执行焊接状态表，以控制焊接操作。
[0031] 状态表52可以包括表征各种状态的功能的编码参数。例如，具有峰值电流状态的状态表将会具有表征所期望的峰值电流的参数。状态表52还包括用于指示状态何时要结束以及在当前状态结束时接下来的状态何时进入的参数。每个状态可以基于在焊接期间被监控的各种参数与多个接下来的状态相关联。例如，如果短路状况被检测到，当前的状态可以转换到第一个接下来的状态，并且基于经过时间交替地转换到第二个接下来的状态(不同于所述第一个接下来的状态)。
[0032] 一般地，每个焊接状态表包括许多分开的状态，所述许多分开的状态一起限定焊接波形以及焊接操作的方面。在焊接状态表内的每个单独的状态包括对应于由所述状态提供的功能(例如，峰值电流水平)的至少一个参数或指令、指示所述状态结束的参数或校验标志(check)以及指示接下来的一个状态或多个状态的参数。除了对应于由所述状态提供的功能的参数或指令之外，每个状态可以具有要执行的附加的内务任务(housekeeping task)。示例性内务任务包括重置计时器、清除计数器等等。每个状态表可以具有储存状态表中使用的各种参数的相关联的数据表53。数据表可以被配置为电子表格(spreadsheet)，并且状态表的操作可以通过改变其相关联的数据表中的入口来更改。将理解的是，多数波形可以通过将许多状态串接在一起来创建，并且焊接程序可以通过添加、移除和/或重新排序状态来更改。
[0033] 并行的基于状态的控制器34使用两个或更多个状态表同时(即，以并行的方式)执行两个或更多个分开的控制操作。在图1中，并行的基于状态的控制器34使用焊接状态表54和动作控制系统状态表56同时控制焊接波形24和焊炬26的位置二者。焊接状态表54包括用于控制焊接波形24的第一组多个顺序控制状态，并且动作控制系统状态表56包括用于控制焊炬26的移动的第二组多个顺序控制状态。为便于解释说明，各种控制操作在下面被描述为由并行的基于状态的控制器34通过焊接状态表54或通过动作控制系统状态表56执行。将理解的是，所有这样的控制操作由并行的基于状态的控制器34执行，因为它执行在状态表54、56中的每个中所限定的控制操作。
[0034] 焊炬26被附接到动作控制系统，所述动作控制系统移动焊炬。在图1中，动作控制系统被示意性地示出为包括用于朝向和远离工件18线性移动焊炬26的马达58，以及操作马达58的动作控制系统控制器60(例如，马达控制器)。将理解的是，如将会由机器人完成的，动作控制系统可以多个维度移动焊炬26，或者导致焊炬沿工件的长度行进，或者导致焊炬在焊接期间振荡(例如，摆动)。然而，在图1中，动作控制系统以一个维度(例如，垂直地)移动焊炬。动作控制系统控制器60从并行的基于状态的控制器34接收动作控制信号62。动作控制系统控制器60依据从并行的基于状态的控制器34接收的动作控制信号62调整焊炬26的位置或以其他方式控制焊炬26的移动。动作控制信号62可以是模拟信号(例如，0-10VDC、4-20mA等等)或数字信号。在某些实施方案中，动作控制系统控制器60和并行的基于状态的控制器34例如经由双向串行通信方式(例如，USB、以太网等等)双向通信。
[0035] 位置传感器64感测焊炬26的位置或移动，并且将位置反馈信号66提供到并行的基于状态的控制器34和/或提供到动作控制系统控制器60。位置反馈信号66可以被并行的基于状态的控制器34和动作控制系统控制器60用在它们各自的控制操作中。而且，焊接状态表54和动作控制系统状态表56二者可以包括焊炬位置，作为与每个状态表中的一个或更多个状态相关联的参数。位置传感器64可以感测绝对位置、移动量、速度和或动作方向。
[0036] 位置传感器64被示意性地示出为感测焊炬26的位置。然而，位置传感器64可以感测其他状况，例如马达58的旋转、工件18的位置、电弧的长度等等。
[0037] 动作控制系统状态表56包含与焊炬26的移动相关联的多个状态。动作控制系统状态表56中的状态与焊接状态表54中的状态结合操作来产生所期望的焊接操作。因为焊接状态表54和动作控制系统状态表56中分别包含的焊接控制指令和动作控制指令由共同的控制器34执行，基于状态的动作控制可以被紧密地耦合到基于状态的焊接控制。当与采用分开的焊接和动作控制器的常规控制系统相比时，这允许基于状态的动作控制以快的速率被执行。分开的焊接和动作控制器的使用通常需要双重传感器并且在控制器的操作之间添加延迟(例如，50ms或更多)，并且当控制器之间的精密控制(close control)被需要时，这样的延迟可以是不合期望的。另外，常规动作控制器所使用的反馈信号(例如，焊接电压、电流等等)有时是有噪声的，这可以影响动作控制器迅速和/或准确操作的能力。焊接状态和焊炬或焊接电极的移动之间的精密控制可以在操作期间是合乎期望的，例如：(a)焊炬缩回开始；(b)一旦感测到短路，停止或缩回；(c)自适应或被调制的电极焊丝送进速度过程；(d)自动伸出(stick out)控制(例如，调节导电嘴到工件距离)；(e)具有或不具有自动电压控制的摆动系统；(f)接缝(seam)跟踪；(g)使用具有基于爬虫型小车(bug)的位置进行控制的爬虫型小车系统的轨道管道焊接等等。图1中所示出的共同的控制器方法允许信息在状态表之间被实时地共享，并且每个状态表可以迅速地基于另一状态表的控制行为或者将另一状态表的控制行为考虑在内而作出调整。共同的控制器方法还允许基于相同的参数(例如，共享的参数或反馈信号)发生在每个状态表54、56中的状态转换。从而，基于状态的动作控制可以被迅速地执行而不导致控制的不稳定性，例如由动作控制系统产生的位置“晃动(hunting)”。例如，当控制电源转换器22时，并行的基于状态的控制器34可以100Hz或更多的频率更新动作控制信号62(例如，更新信号水平)，所述频率与在常规系统相比是快得多的控制速率，所述常规系统典型地在1Hz范围内操作。
[0038] 图2提供示例性状态图，所述示例性状态图示出如何使用如上面所讨论的并行的状态表同时控制焊接逆变器和动作控制系统。因为控制状态由共同的控制器34(图1)执行，发生在一个状态表的执行期间的参数或计算可以被迅速地共享并且被另一状态表使用。因此，状态表可以在概念上被认为是共享或交换的信息。而且，相同的反馈信号(例如，焊接电压、焊接电流、焊炬位置等等)可以在两个状态表中被使用，以控制状态表内的状态转换。
[0039] 在图2中，焊接状态表的方面在左边被示出，并且动作控制系统状态表的方面在右边被示出。焊接状态表和动作控制系统状态表一起操作来执行焊接操作的焊炬缩回开始，并且来调节焊炬的导电嘴到工件距离(CTWD)。CTWD在图1中被示出为距离“D”，并且CTWD可以通过向上和向下移动焊炬来调整。调节CTWD将用于调节焊接电弧的电弧长度。
[0040] 当与焊炬相关联的触发器被开启时，并行的基于状态的控制器首先根据状态1a控制逆变器并且根据状态1b控制焊炬移动。在状态1a，并行的基于状态的控制器调节焊接电源供应器的开路电压(OCV)同时朝向工件移动焊炬。焊接状态表和动作控制系统状态表二者响应于来自电压传感器的减小的焊接电压(例如，<10V)，所述减小的焊接电压指示焊丝已经接触工件。从而，焊接状态表和动作控制系统状态表分别转换到状态2a和2b。在状态2a，并行的基于状态的控制器调整被供应到逆变器的波形控制信号来获得20A的焊接电流，并且还调整动作控制信号来使焊炬缩回。当焊接电压增加(例如，>15V)时，电弧已经被建立，并且状态表转换到状态3a和3b。在状态3a，并行的基于状态的控制器指示送进器开始以所期望的焊丝送进速度(WFS)送进焊丝，并且调整动作控制信号以使焊炬停止缩回。现在焊接状态表基于预定的时间(例如，峰值时间和本底时间)通过在峰值电流状态(4a)和本底电流状态(5a)之间交替来控制焊接操作，同时动作控制系统状态表调节CTWD(状态4b)。当峰值电流状态中的经过时间超出峰值时间(t>峰值时间)时，焊接状态表转换回本底状态并且计时器被重置；当本底状态中的经过时间超出本底时间(t>本底时间)时，焊接状态表转换回峰值电流状态并且计时器再次被重置。焊接状态表继续在峰值电流状态(4a)和本底电流状态(5a)之间交替，同时动作控制系统状态表调节CTWD(状态4b)直到触发器被关闭。然后，两个状态表进入断开(OFF)6a或停止(STOP)5b状态。
[0041] 将理解的是，CTWD受工件的形状和/或工件中的缺陷(例如，高低点)影响。因此，CTWD可以在焊接期间改变。CTWD可以通过并行的基于状态的控制器34直接地从合适的一个反馈信号或多个反馈信号(例如，经由位置测量)被确定。CTWD还与焊接参数相关(例如，与焊接电压成比例)，并且因此，还可以从焊接参数(例如焊接电压、焊接电流等等)被确定。例如，在恒定电流或被调节的电流焊接过程期间，增加的CTWD将作为增加的平均焊接电压是可观察的，而减小的CTWD将作为减小的平均焊接电压是可观察的。在恒定电压或被调节的电压焊接过程期间，增加的CTWD将作为减小的平均焊接电流是可观察的，而减小的CTWD将作为增加的平均焊接电流是可观察的。动作控制系统状态表可以通过将反馈信号(例如，焊接电压、焊接电流等等)与参考值相比较来调节CTWD，并且基于误差信号调整CTWD，所述误差信号是反馈信号和参考信号之间的差值。在调节CTWD时，动作控制系统状态表可以考虑反馈信号的具体属性，例如它的平均值(例如，平均电压)、它的峰值(例如，峰值电流)、积分值等等。
[0042] 自适应控制方案是已知的，其中焊接电源供应器通过控制焊接电流来调整CTWD中的改变，以保持恒定的电弧长度。电源转换器以40kHz至120kHz范围内的频率操作，并且因此，可以非常迅速地调整焊接波形。自适应控制基于平均电压调整焊接电流。一般地，焊接波形具有在20Hz和300Hz之间的频率，并且自适应控制在这样的范围内操作。因为自适应控制比电源转换器更慢地操作，二者在一起很好地工作。当焊炬和/或电极的动作控制如上面所讨论的被添加时，排除自适应控制并且允许动作控制系统状态表56独自调整CTWD中的改变可以是合乎期望的。在这种情况中，动作控制信号62可以以100Hz或更多(类似于自适应控制的速度)的频率被更新。可替换地，例如，自适应控制可以被保持并且动作控制的速度被降低到大约10Hz。
[0043] 转到图1，焊接状态表54和动作控制系统状态表56可以直接使用反馈信号(焊接电压、焊接电流、位置等等)，或者反馈信号可以被处理并且然后被状态表使用。例如，并行的基于状态的控制器34可以包括用于处理反馈信号的一个或更多个滤波器68或计算块70。经由滤波器和其他处理块，状态表54、56可以利用这样的参数如平均电流和电压、平均位置、峰值电流和电压、平均和峰值功率、积分和导数值等等。焊接功率可以由计算块计算，所述计算块将电压和电流反馈信号相乘，并且焊接功率可以由附加的计算块(未示出)处理。
[0044] 存储器部分50可以储存多个焊接状态表和多个动作控制系统状态表以及它们相关联的数据表。并行的基于状态的控制器34可以基于使用者在焊接电源供应器12的输入选择特定的焊接状态表和/或动作控制系统状态表，用于在控制焊接操作上使用。例如，焊接电源供应器12可以包括允许使用者选择特定的焊接程序的输入装置72，以及用于设置各种参数(例如，WFS、伏特、安培、焊缝尺寸(例如1/4英寸、5/16英寸等等))的输入装置74、76、78。并行的基于状态的控制器34可以基于使用者输入选择和/或更改合适的焊接状态表和/或动作控制系统状态表。在某些实施方案中，焊接电源供应器12被配置来从单个的使用者输入(例如，焊缝尺寸、WFS等等)选择包括焊接状态表和动作控制系统状态表的焊接程序。
焊接电源供应器12可以进一步包括用于通知使用者所选择的焊接程序、各种焊接参数等等的输出装置(例如，显示器)。
[0045] 除了反馈信号(例如，焊接电压、焊接电流以及焊炬的位置)之外，将理解的是，状态表54、56在执行它们的控制功能上可以利用许多附加的参数，例如来自焊接系统的模拟和数字输入、内部计时器和标记(flag)的状态、输入装置74、76、78的设置等等。
[0046] 在某些实施方案中，并行的基于状态的控制器34基于被选择用于在焊接操作中使用的焊接状态表54的特征自动地选择特定的动作控制系统状态表。例如，焊接状态表54可以被配置用于以恒定的或被调节的电流或者恒定的或被调节的功率水平进行焊接，并且并行的基于状态的控制器34可以自动地选择基于电压(例如，平均电压、峰值电压、电压改变等等)调节CTWD的合适的状态表作为动作控制系统状态表56。类似地，焊接状态表54可以被配置用于以恒定的或被调节的电压水平进行焊接，并且并行的基于状态的控制器34可以自动地选择基于电流(例如，平均电流、峰值电流、电流中的改变等等)调节CTWD的合适的状态表作为动作控制系统状态表56。当焊接状态表54从调节焊接电压的一个状态表被改变到调节焊接电流的一个状态表时(例如，当不同的焊接状态表被选择用于控制焊接操作时)，并行的基于状态的控制器34可以相应地，自动地从基于焊接电流调节CTWD的一个状态表改变到基于电压调节CTWD的一个状态表。被自动地选择的动作控制状态表可以控制焊接操作的方面(例如，WFS、焊炬沿工件的行进、焊炬绕管道的行进等等)，而不是调节CTWD。
[0047] 由不同的焊接状态表执行的焊接程序的类型和由各自的动作控制系统状态表使用来控制CTWD的反馈信号的示例性关联如下：
[0048]
[0049] 转到图3，在示例性实施方案中，动作控制系统包括摆动器控制器60a和摆动器马达58a，所述摆动器控制器60a和摆动器马达58a可以是整个电弧接缝跟踪系统的一部分。摆动器马达依据动作控制信号62导致焊炬26振荡来执行摆动焊接移动。焊接电源供应器12使用如上面所讨论的并行的基于状态的控制器控制焊接操作和焊炬26的移动二者。在这种情况中，动作控制系统状态表(在图3中被示出为“摆动机状态表”)被配置来控制焊炬26的振荡摆动焊接移动。焊接电源供应器12可以使用多个状态表控制焊接电流和焊炬26的振荡摆动焊接移动来获得预定的焊缝尺寸(例如，零点几英寸(a fractional inch))。在控制焊炬26在焊接期间的摆动上，焊接电源供应器12可以如上面所讨论地调节CTWD，和/或控制焊炬的振荡速度。焊接电源供应器12还可以基于焊接电压和/或焊接电流反馈信号确定焊接接头的边缘。经由动作控制信号62(例如，根据动作控制信号的信号水平)，焊接电源供应器12可以控制焊炬的振荡速度和/或焊炬相对于工件18的位置。
[0050] 转到图4，图4示出示例性实施方案，其中并行的基于状态的控制器34控制电极(焊条)16的焊丝送进速度(WFS)。电极(焊条)16通过马达操作的夹辊(pinch roller)82从线轴80被送进。马达操作的夹辊82是动作控制系统针对电极(焊条)16的一部分。动作控制系统进一步包括操作夹辊82的动作控制系统控制器61(例如，马达控制器)。动作控制系统控制器61从并行的基于状态的控制器34接收动作控制信号63，并且动作控制系统控制器61依据从并行的基于状态的控制器接收的动作控制信号63调整WFS。在图4中，动作控制信号63是由动作控制系统状态表57确定的WFS控制信号。动作控制信号63可以是模拟信号或数字信号。
[0051] 动作控制系统状态表57类似于上面所讨论的动作控制系统状态表56，除了它被配置与在焊接状态表54中限定的焊接操作协调来控制WFS或熔敷率而不是CTWD。因此，动作控制系统状态表57可以具有不同于上面关于图1-2所讨论的那些状态的状态。例如，动作控制系统状态表57可以具有这样的状态，例如调节马达速度、斜坡速度、制动、制动并且反向等等。
[0052] 并行的基于状态的控制器34和动作控制系统控制器61从速度传感器86接收速度反馈信号84，所述速度传感器86指示马达操作的夹辊82的速度或电极(焊条)16的速度。示例性速度传感器86是编码器或其他旋转传感器，所述旋转传感器感测夹辊的实际速度、驱动夹辊的马达的速度或者用于驱动夹辊的齿轮的速度。传感器86也可以直接测量电极(焊条)16的速度和或方向。
[0053] 图5提供示例性状态图，所述示例性状态图示出如何使用如上面所讨论的并行的状态表同时控制焊接逆变器和电极焊丝送进器。焊接状态表的方面在左边被示出，并且动作控制系统状态表的方面在右边被示出。焊接状态表和动作控制系统状态表一起操作来执行焊接操作的焊炬缩回开始，并且来调节WFS。当与焊炬相关联的触发器被开启时，并行的基于状态的控制器首先根据状态1a控制逆变器并且根据状态1b控制电极移动。在状态1a，并行的基于状态的控制器调节焊接电源供应器的开路电压(OCV)同时朝向工件移动焊丝电极。焊接状态表和动作控制系统状态表二者响应于来自电压传感器的减小的焊接电压(例如，<10V)，所述减小的焊接电压指示焊丝电极已经接触工件。从而，焊接状态表和动作控制系统状态表分别转换到状态2a和2b。在状态2a，并行的基于状态的控制器调整被供应到逆变器的波形控制信号来获得20A的焊接电流，并且还调整动作控制信号来使焊丝电极制动并且从工件缩回。当焊接电压增加(例如，>15V)时，电弧已经被建立，并且状态表转换到状态3a和3b。在状态3a，并行的基于状态的控制器指示送进器开始实际的焊接，并且调整动作控制信号以使焊丝电极停止缩回，再次朝向工件移动并且斜升到焊接WFS。当来自速度反馈信号的实际WFS超出焊接WFS的80％时，焊接状态表基于预定的时间通过在峰值电流状态(4a)和本底电流状态(5a)之间交替来控制焊接操作，同时动作控制系统状态表调节WFS来保持预定的焊接或电弧电压(状态4b)。焊接状态表继续在峰值电流状态(4a)和本底电流之间交替，同时动作控制系统状态表调节WFS(状态4b)直到触发器被关闭。然后，两个状态表进入断开(OFF)6a或停止(STOP)5b状态。
[0054] 并行的基于状态的控制器34可以使用多个并行的状态表同时控制电弧焊接系统10的若干方面。在图6中，例如，并行的基于状态的控制器34使用三个并行的状态表54、56、
57同时控制焊接波形、调节CTWD并且调节WFS。一个动作控制系统状态表56被配置用于控制CTWD，并且另一动作控制系统状态表57被配置用于控制WFS。并行的基于状态的控制器34调整用于控制CTWD和WFS的动作控制信号62、63的值所利用的频率可以被协调来避免不稳定性，例如位置晃动。例如，并行的基于状态的控制器34可以第一频率(例如，100Hz)更新针对CTWD的动作控制信号62，并且以第二较低的频率(例如，10Hz或更小)更新针对WFS的动作控制信号63。
[0055] 图7示出同时控制焊接波形以及摆动器控制器60a和爬虫型小车控制器65的操作的焊接电源供应器12。爬虫型小车控制器控制使用焊接爬虫型小车90的焊炬26绕管道88的圆周(轨道)移动。因此，焊接电源供应器12同时控制焊炬12的振荡摆动焊接移动和焊炬沿工件(其为管道88)的行进二者。为做到这一点，焊接电源供应器12采用并行的基于状态的控制器，所述并行的基于状态的控制器使用三个并行的状态表：一个针对焊接波形、一个用于控制摆动(即，“摆动器状态表”)，以及一个用于控制焊炬26绕管道88的行进(即，“爬虫型小车状态表”)。
[0056] 图8示出同时控制焊接波形以及小车(carriage)控制器92和跟踪器控制器94的操作的焊接电源供应器12。同样，焊接电源供应器12采用并行的基于状态的控制器，所述并行的基于状态的控制器使用三个并行的状态表：一个针对焊接波形、一个用于控制小车96的移动(即，“小车控制器”)，以及一个针对跟踪器控制器94(即，“跟踪器控制器”)。小车控制器92从焊接电源供应器12接收动作控制信号，并且基于所述动作控制信号控制小车96和焊炬26在纵向上沿工件18的长度的行进。接头跟踪器可以被添加作为输入装置(接缝跟踪，向左或向右/向上或向下)和输出装置(向上/向下、向左/向右滑动来定位接缝上的焊炬)二者。
[0057] 应该明显的是，本公开是以实施例的方式并且可以通过添加、更改或消除来作出各种改变而不脱离本公开所包含的教导的合理范围。因此，本发明不限于本公开的特定的细节，除了到所附的权利要求书被必要地如此限定的程度之外。
[0058] 参考标号
[0059] 1a 状态 30 电引线
[0060] 1b 状态 32 电引线
[0061] 2a 状态 34 控制器
[0062] 2b 状态 36 波形控制信号[0063] 3a 状态 38 本底电流状态[0064] 3b 状态 40 短路清除状态[0065] 4a 状态 42 峰值电流状态[0066] 4b 状态 44 拖尾电流状态[0067] 5a 状态 46 分流器
[0068] 5b 状态 48 电压传感器
[0069] 6a 状态 50 存储器部分
[0070] 10 焊接系统 52 状态表
[0071] 12 焊接电源供应器 53 数据表
[0072] 14 电弧 54 焊接状态表
[0073] 16 电极 56 控制系统状态表[0074] 18 工件 57 动作控制系统状态表[0075] 20 电源 58 马达
[0076] 22 电源转换器 58a 摆动器马达
[0077] 24 焊接波形 60 动作控制系统控制器[0078] 26 焊炬 60a 摆动器控制器[0079] 28 导电嘴 61 动作控制系统控制器[0080] 62 动作控制信号
[0081] 63 动作控制信号
[0082] 64 位置传感器
[0083] 65 爬虫型小车控制器
[0084] 66 位置反馈信号
[0085] 68 滤波器
[0086] 70 计算块
[0087] 72 输入装置
[0088] 74 输入装置
[0089] 76 输入装置
[0090] 78 输入装置
[0091] 80 线轴
[0092] 82 夹辊
[0093] 84 速度反馈信号
[0094] 86 速度传感器
[0095] 88 管道
[0096] 90 焊接爬虫型小车
[0097] 92 小车控制器
[0098] 94 跟踪器控制器
[0099] 96 小车
