專利名稱：無水焊接系統(tǒng)的制作方法
申請人以此根據(jù)美國申請序號No.____要求優(yōu)先權，該申請是1995年4月19日提出、且頒布為美國專利No.5,742,022的美國申請No.424,933的部分繼續(xù)申請，并且基于1998年8月5日提出的美國臨時申請No.60/095385要求優(yōu)先權。特引入美國申請No.____的完全公開，以供參考。
本發(fā)明一般涉及一種供電焊系統(tǒng)用的改進的基于電阻焊接的焊槍組件，更具體地說，涉及一種選擇性地包括基于電阻的力控制器或機械非電氣閉環(huán)冷卻系統(tǒng)、以消除對工廠提供的設施的需要的組件。
電阻焊接利用電的流動把兩個或多個重疊金屬工件彼此永久地連接。典型地，金屬工件置于電焊系統(tǒng)焊槍組件的兩個相對電極之間。強迫電極彼此接近，直到其末端在足以夾持工件，并且保證電極與工件之間的適當電氣接觸的壓力下接觸工件的外表面。然后引導電流從一個電極末端路經(jīng)夾持的工件流到另一個電極末端。工件在生成的電路中起導體作用，并且在金屬之間界面處的電流流動的電阻產(chǎn)生熱。每個工件受影響的金屬選擇性地被熔化，并且與相鄰工件的熔化金屬相互作用，以而在電極末端接觸點處形成永久把工件粘結在一起的焊接熔核。
多個因素與焊接熔核的產(chǎn)生有關，包括電極末端與工件之間的接觸力和面積、電流流動值、電流流動持續(xù)的時間長度、工件缺陷程度、及甚至電極末端本身的狀態(tài)。
先有技術講授了產(chǎn)生適當焊接熔核的重要性。因此，即使有顯著的工件缺陷，也由于有大的力、電流值、和電流施加次數(shù)，而使焊接系統(tǒng)過分配置成產(chǎn)生焊接熔核。然而，許多生成的焊接點仍然有缺陷。因此，一般添加占總焊接點的25％的焊接點以保證適當?shù)慕Y構完整性。
而且，對于可能工件缺陷的這種過補償導致電極末端在末端與相配工件之間的接觸點處的顯著大變形(擴大)。如果不適當?shù)乩鋮s電極末端，則電極經(jīng)歷過分的末端磨損、變形、末端粘著及甚至末端熔化，所有這些都導致差的焊接質量、和增加的維修費用。在電極末端處大量熱的產(chǎn)生也導致大量熱累積在焊接控制單元、變壓器、及布置在電極與變壓器之間的次級(即大電流)電纜中。
況且，對夾持工件施加連續(xù)的大電極力，要求使用大的壓縮空氣源。壓縮空氣保證致動各種氣缸，以相對于要夾持在焊槍電極之間的工件而定位焊槍電極、且產(chǎn)生力。
復雜空氣和水系統(tǒng)及其多根軟管和相應管路、閥等，與控制器和供給機構相組合的使用，大地增加了制造費用。據(jù)估計，電焊系統(tǒng)總成本的約25％能歸因于外部空氣和水冷卻循環(huán)系統(tǒng)的使用。
典型的電焊系統(tǒng)必須專門設計、建造、和測試，需要多個熟練工種的服務。在供應商的這種測試之后，檢驗的焊接系統(tǒng)然后拆卸、運輸、及在最終制造設施處重新安裝。這樣的中間步驟顯著增加了提供完整電焊系統(tǒng)的時間滯后。況且，設計和測試設施、以及最終制造設施，必須花費大量資金并且對空氣和水冷卻循環(huán)系統(tǒng)進行連續(xù)投資。
問題不限于電焊系統(tǒng)本身的制造。要求的較大水冷卻和空氣循環(huán)系統(tǒng)的連續(xù)維修問題是昂貴的。據(jù)估計，典型電焊系統(tǒng)可能超過80％的停機時間，可以歸因于空氣軟管群、及與相應管路、閥等相組合的供給和返回冷卻水軟管。
有需要復雜水和空氣供給循環(huán)系統(tǒng)的附加成本。每個電焊系統(tǒng)成為獨特的。必須使軟管的每段長度、管路或導管中的每個彎、及用于各種冷卻水附件的每種選擇布置適合具體焊接系統(tǒng)。軟管群(貶意地稱作“意大利面條”)的運動學不能被準確地預測或模型化。因而，在每個工作單元中的機器人運動必須在現(xiàn)場一步一步地輸入，以保證軟管不纏連。同樣由于壓縮空氣和水軟管及有關元件的增多，顯著減小了其中機械手可以運動伸到例如焊接點的生成“窗口”，從而進一步使問題惡化。因而，延長了編程機械手的時間，并且顯著增大了處理工件的生成過程時間。
在具有大量電焊系統(tǒng)的制造廠中，必須單獨建造、安裝、和維修的每個電焊系統(tǒng)的總成本是昂貴的。因而，需要提供一種盡量減小或消除上述一個或多個問題的改進電焊系統(tǒng)。
本發(fā)明旨在一種供電焊系統(tǒng)用的改進焊槍組件，該電焊系統(tǒng)包括各種特征，以消除帶有其附屬復雜性、費用、和維修問題的基于外部裝置的外部空氣和水冷卻循環(huán)系統(tǒng)的需要。
本發(fā)明的第一方面包括一種具有相對電極的焊槍，該電極在一個預定范圍內可持續(xù)分離，用來通過至少兩個金屬工件提供焊接電流。該焊槍包括一個焊接二級電路，包括變壓器二級繞組，與一個變壓器和焊接控制器組合；及一個電氣致動、電子控制的致動器，可操作地聯(lián)接到焊槍上。該致動器能夠把電極運動到多個電極隔離中距離的任意一個，電極適于在小心控制的力值下接觸工件。最好，電極柔和地接觸工件(即用準確控制的極小力)。對于低功循環(huán)焊接，不用冷卻，不需要另外的特征。對于高功循環(huán)，一個基于電阻的力控制器可結合聯(lián)接到致動器上的主控制器而工作，以便按照包括由基于電阻的力控制器產(chǎn)生的信號的預定標準，來控制致動器。
在操作中，致動器最好包括一個校準步驟，其中對于以預定力值彼此接觸的相對電極復位到零。在該點處，能使用閉合位置二級電阻值，以確定電極的狀態(tài)。如有必要，能產(chǎn)生用于末端修整的請求。
最好，當電極選擇性地嚙合工件時，焊接二級電路提供一條高傳導性的電流路徑，其中工件比二極電路導電性差。而且，基于電阻的力控制器最好包括至少四根引線，一根激勵引線一般引到諸電極臂的每一個，而一根測量引線也引到電極臂的每一個。在操作中，當電極沒有與工件接觸時，基于電阻的力控制器借助于每根激勵引線通過所述二級電路施加電流，選擇性地激勵二級電路，并且借助于每根測量引線選擇性地測量二級電路的電阻。
當就要焊接工件時，力控制器激勵二級電路，并且測量二級電路的總電阻、和致動器把預定力施加到工件上之后的工件導管路徑的生成電阻。把工件導管路徑的計算電阻與預定標準相比較。如果電阻不在預定標準范圍內，例如當工件帶有意想不到的缺陷時，則力控制器選擇性地產(chǎn)生一個到致動器的信號，以通過一個預定增量調節(jié)由致動器施加到工件上的預定力。重復性的過程繼續(xù)，直到滿足預定標準，并且焊槍組件然后產(chǎn)生一次或多次焊接。另外，力控制器可以連續(xù)地監(jiān)視和測量電阻(電壓降)，同時焊槍控制持續(xù)地增大力。當達到適當值以產(chǎn)生焊接時，力控制器可以中斷焊槍控制。
產(chǎn)生顯著的優(yōu)點。首先，電阻值的檢測、和關于諸如力、電流、電壓和電極位移之類焊接參數(shù)的動態(tài)優(yōu)化的控制，有助于保證一致良好的焊接熔核。因而，對于特定部分需要的焊接熔核數(shù)量顯著減小。第二，利用電阻值的檢測可保證適當電路的電阻值已經(jīng)形成在兩個電極與工件之間，從而允許使用低得多的施加到工件上的電極力。這樣一種較低的力使諸如電極末端、和焊槍機構損壞之類的焊槍退化減至最小。第三，減小噴濺，噴濺是關于最好用來產(chǎn)生焊接熔核的熔化金屬的不希望損失。第四，電極具有精確和無限打開位置，減小了循環(huán)時間。第五，減小了電極變形，從而相等的電流允許較高的電流密度。這些和其他優(yōu)點相結合允許在產(chǎn)生溫度處成功焊接，而不需要基于外部設施的水冷卻。
因而，即使在“高功循環(huán)”過程中，不基于設施的隔離冷卻機構的使用也是可能的。一種這樣的機構包括一個住復式冷卻劑熱提取器。該提取器包括一種高傳導性的冷卻劑；一個帶有諸如機械操作的活塞之類的致動器的缸；一個熱交換器；及一個用于冷卻劑的閉環(huán)系統(tǒng)，包括致動器和熱交換器。在操作中，當操作焊槍組件時，一個活塞在缸中運動以循環(huán)冷卻劑，從而從熱源拾取熱，并且通過熱交換器釋放熱。
最好，活塞機械連接到焊槍上。一個旋轉點產(chǎn)生在焊槍的相對電極之間，并且一根機械連桿然后固定到活塞和焊槍上。機械連桿的第一端固定到旋轉電極上，而第二端固定到活塞上。中間部分固定到電極臂之間的旋轉點上。包含冷卻劑的管線包括各種路徑和單向閥，以在冷卻劑從熱元件除去熱和消散熱時控制冷卻劑的運動。
第二種不基于工廠的隔離冷卻機構包括一個皮囊裝置。一個單向閥布置在一個熱源與一個熱交換器之間，并且一個第二單向閥布置在熱源與皮囊之間。當冷卻劑隨著熱量添加而膨脹時，它從熱源通過第一單向閥流到熱交換器，皮囊膨脹以容納來自膨脹冷卻劑的增大體積。第一單向閥在冷卻劑膨脹結束時選擇性地關閉，同時第二單向閥選擇性地打開，以在來自皮囊的力作用下把冷卻劑重新供給到熱源。
第三種不基于工廠的隔離冷卻機構僅依賴于與電極臂本身有關的自然傳導和對流。在與適于接收電極的容器相鄰的區(qū)域中，使每個臂的質量和外表面面積最大，從而熱量可以從電極傳導到外表面，并且通過對流消散。為了增大臂的表面面積，可以使用一列帶有限定在其間的通道或在臂內的開口的肋或波紋。
在閱讀如下詳細描述、權利要求書、和附圖時，將使本發(fā)明的特征和創(chuàng)造性方面變得更加明白，如下是附圖的簡要描述

圖1是在帶有基于電阻的力控制器的電焊系統(tǒng)中使用的焊槍組件的示意圖。
圖2A、2B、和2C是表示使用基于電阻的力控制器以確定二級電阻的示意圖。
圖3是在帶有基于電阻的力控制器的電焊系統(tǒng)中使用的、且進一步包括在二級電路內的一根空氣冷卻跨接電纜的一種焊槍組件的第二實施例的示意圖。
圖4是在帶有基于電阻的力控制器的電焊系統(tǒng)中使用的、且進一步包括一個用于變壓器和電極每一個的閉環(huán)冷卻系統(tǒng)的一種焊槍組件的第三實施例的示意圖。
圖5是在帶有基于電阻的力控制器的電焊系統(tǒng)中使用的、且進一步包括一個用于變壓器和電極每一個的閉環(huán)冷卻系統(tǒng)以及一根空氣冷卻跨接電纜的一種焊槍組件的第四實施例的示意圖。
圖6是在帶有基于電阻的力控制器的電焊系統(tǒng)中使用的、且進一步包括一個基于焊槍致動器的機械運動而用于變壓器的閉環(huán)冷卻系統(tǒng)的一種焊槍組件的第五實施例的示意圖。
圖7是在帶有基于電阻的力控制器的電焊系統(tǒng)中使用的、且進一步包括一個基于焊槍致動器的機械運動而用于變壓器的閉環(huán)冷卻系統(tǒng)以及一根空氣冷卻跨接電纜的一種焊槍組件的第六實施例的示意圖。
圖8是關于本發(fā)明操作的流程圖。
圖9是包括提供輔助表面面積的槽和開口以提高對流的一種焊槍組件的一部分。
本發(fā)明涉及在電焊系統(tǒng)中使用的一種改進的基于電阻焊的焊槍組件20，如圖1中所示。為了易于理解，借助于示意圖表示各種關鍵元件，并且已經(jīng)消除了對以后的權利要求書不是根本的元件。然而，關于具體元件的詳細信息能在共同待決申請序號____中找到，這些具體元件能并入基于焊接的焊槍組件20的一個可能實施例中，焊槍組件20信息包括關于主機控制、焊接控制、電氣致動器系統(tǒng)、變壓器、及焊槍的一個或多個實施例的具體信息，該申請的整個說明書特此編入供參考，并且增加如下描述。
組件20適于進行電阻焊接操作。它包括帶有相對電極24和26的焊槍22，電極24和26可在預定范圍內持續(xù)地隔離，以便選擇性地通過至少兩個工件28和30提供焊接電流。每個電極24和26在接觸相應工件28和30的外表面34的有關末端32處終止。
組件20包括一個用來把焊接電流提供到電極24和26的變壓器36，如由二級電路線38所示。一個焊接控制器40又可操作地連接到變壓器36上，如由線42所示。
焊槍22包括一個其上安裝電極26的固定臂44、和一個其上安裝電極24的可旋轉臂46，臂46相對于臂44繞一個固定旋轉點48旋轉。一個電氣致動電子控制致動器50包括一個固定缸52和一個直線可運動的活塞54，活塞54的一個自由端56借助于一個旋轉點58可旋轉地連接到臂46上。致動器50能夠把電極24運動到相對于電極26的多個預定間隔距離的任一個處。致動器50包括一個測量缸52內活塞54的相對運動的用于過程監(jiān)視的傳感器59，如相互計算電極24和26末端的位移監(jiān)視。致動器50也能夠準確和重復地把預定力施加到夾持在電極24和26之間的工件28和30上。如下面討論的那樣，致動器50在實際提高焊接質量的同時使施加的力最小。只表示一種可接受的致動器50。如由熟悉本專業(yè)的技術人員所認識的那樣，其他可接受的致動器包括線性電機、機械手、球和螺旋系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、氣動系統(tǒng)、及凸輪驅動系統(tǒng)。
致動器50和焊接控制器40都可操作地連接到一個主控制器60上。主控制器60可以是一個個人計算機。主控制器60利用軟件/硬件，并且和與其通信的包括力、電流、電壓、位移和電阻傳感器的各種單元相結合地工作，以便對于具有最小熱輸出的高質量焊接允許焊接參數(shù)(即力、電流、和焊接時間)的動態(tài)檢測和連續(xù)優(yōu)化。
一個基于電阻的力控制器66也借助于一根線68可操作地連接到主控制器60上?？刂破?6包括至少四根引線70、72、74和76。如圖所示，激勵引線70和72分別引到靠近電極24和26的臂46和44的部分，而測量引線74和76分別引到靠近電極24和26的臂46和44的部分。最好，引線70和74、及引線72和76在臂46和44的相同部分終止。
如在圖2A和2B最清楚表示得那樣，一個包括變壓器二級線圈的二級電路78一般由一個設備電路電流通路80限定。通路80的限定是通過臂46一部分的引線70和74的終端、進入變壓器36的線38、臂44的一部分、及在引線72和76處終止。最好，二級電路78比工件28和30更易導電。在控制器66與焊槍22之間的引線70、72、74和76的布置在圖中僅是說明性的，只要他們形成二極電路78的一部分即可。況且，盡管為了解釋的目的獨立地表示控制器66，但它不必是一個獨立的控制器。例如，其功能能并入主控制器60或焊接控制器40中。
一般地，焊接操作依賴于交變電流(“AC”)。然而，如以上對于校準提到的那樣，使用力控制器66時，一般使用直流(“DC”)。因而，電極24、26之一具有負極性，而另一個電極具有正極性。
在常規(guī)電阻焊接系統(tǒng)中，焊接力過大。根據(jù)最壞的焊接情況規(guī)定他們，其中要焊接的工件必須先彎曲，以在焊接力開始影響工件之間表面界面處的電阻之前，使他們接觸。
本發(fā)明通過測量電阻以確定最佳焊接力，來避免先有技術的問題。減小焊接力有多個優(yōu)點，包括延長電極壽命，特別是在非冷卻狀態(tài)下，和降低致動器要求。就較低的致動器要求而論，設備和操作成本顯著地降低。與取決于基于設施的空氣循環(huán)系統(tǒng)的較常規(guī)壓縮空氣致動器相反，一種電氣致動、電子控制的致動器50是可行的。焊接力減小也能限制產(chǎn)品的凹痕和提高焊接質量。而且，諸如力、電流、電壓、及電極位移之類的焊接參數(shù)的動態(tài)優(yōu)化的電阻值檢測和控制，大大增加了良好焊點的可能性。因此，需要償試去用較少的焊點實現(xiàn)結構完整性。據(jù)估計，約25％的焊點要添加到工件上作為保證。預期本發(fā)明將導致一致的焊接熔核形成、和熔化金屬噴濺的消除。而且，通過電極24和26的準確和無限末端定位，將減少循環(huán)時間。
然而，更重要的是，這些各種改進累積允許在產(chǎn)生溫度下的成功焊接，當安裝到焊槍組件上時，不需要基于外部設施的帶有其相聯(lián)管線和硬件的水冷卻和空氣循環(huán)源。因而，根據(jù)本發(fā)明的焊槍組件20可以以大大減小的成本較簡單地建造。據(jù)估計，高達焊槍組件總成本的25％與對空氣和水冷卻管線及其設施的需要有關。關于空氣和水管線的維修問題是焊槍組件停機時間的最重要原因之一。消除了這些原因。有與維修空氣和水的外部源有關的使用成本。這些也被消除。而且，空氣和水冷卻管線的消除大大地提高了機器人編程和焊槍可運用性。
過程一般按如下工作，并且如圖2A、2B、2C和借助于圖8中的流程圖所示。首先，如圖8點90和圖2C中所示，電氣致動器50對于彼此以預定力值接觸的電極24和26進行重新零化。在這點，基于電阻的力控制器66使用引線70和72激勵二級電路78。使用測量引線74和76測量二級電路78的電阻。表示在圖2C中的在閉合位置的電阻值用來確定電極24和26的狀態(tài)，并且與預定電阻值相比較，以確定是否應該產(chǎn)生對于末端修整的請求。
如在圖8的點92處和圖2A中所示，控制器60使用引線70和72與基于電阻的力控制器66連通，以激勵二級電路78。使用測量引線74和76測量帶有彼此分離的電極24和26的二級電路78的電阻。二級電路78的電阻可能隨溫度的變化而增大。如果這樣，那么當在如此多次焊接之后有溫度增大時，可能需要進行校準。在打開位置(圖2A)的電阻值可以結合其他電阻測量使用，以計算或建立需要或希望的電阻值。
其次，如在步驟93、94、96和98處所示，機器人(未表示)首先把焊槍22定位在適當焊接位置。然后致動器50閉合焊槍22，從而電極24和26的末端32把一個編程的最小力施加到工件28和30上。一個可能的最小力是50磅，盡管如果把初始力設置成在上次焊接使用的力或在其附近，如同可以存儲在主控制器60中那樣，則循環(huán)次數(shù)可以減小。致動器50將確認已經(jīng)實現(xiàn)了適當?shù)淖钚【幊塘?。在上面為參考而編入的申請中更詳細地討論了力檢測裝置的概念。然而，它包括一個可操作地聯(lián)接到焊槍20上用來檢測電極24和26之間的力的負載傳感器。負載傳感器(末表示)產(chǎn)生一個指示檢測力的力信號，并且把該信號傳送到控制器60。
一旦實現(xiàn)最小編程力，控制器66再次激勵二級電路78，如圖2B中和在圖8的點100處所示。測量引線74和76再次測量電阻。然而，測量的電阻是由與工件電流通路80并聯(lián)的二級電路78限定的焊接設備的電阻。工件電流通路80定義為由電極24和26結合工件28和30產(chǎn)生的電路。通過使用在圖2A中確定的電阻值，主控制器60能根據(jù)如下熟知的公式計算工件28和30的電阻RT＝(R1·R2)/(R1+R2)其中RT是二級電路和工件電流通路的組合電阻(如測量的那樣)，R1是二級電路的電阻(如測量的那樣)，及R2是工件電流通路的電阻(如計算的那樣)。當然，如果必須測量輔助電阻，則根據(jù)取決于元件是否并聯(lián)、串聯(lián)、或其組合的公式RT＝1/((1/R1)+(1/R2)+(1/RN))或類似公式，可以改進該公式，如熟悉本專業(yè)的技術人員所熟知的那樣。況且，如以上提到的在整個時間上要求的那樣，能重新計算各種電阻。例如，當電極24和26的末端開始磨損，但沒有到需要末端修整的點處時，在電極與工件28和30之間有擴大的接觸面積。電阻變化能被補償，并且將導致焊接電流相對于時間的逐漸增大。
如果所計算的工件電阻離預定目標值足夠近，如確定點102處所示，則通過在點104處與主控制器60和焊接控制器40通信而工件的電氣致動器開始焊接，以產(chǎn)生焊接熔核。如果否，如點106處所示，則基于電阻的力控制器與控制器60通信，從而通過預定增量來適當調節(jié)借助于致動器50施加到工件28和30上的力。過程循環(huán)返回到點100，并且重復，直到達到目標電阻值。
盡管已經(jīng)使用控制器60說明重復性過程，但應該認識到，也可以利用諸如非重復模擬過程之類的其他手段。在這樣一種非重復模擬手段下，在工件28和30上的力連續(xù)增大的同時，力控制器60將連續(xù)地監(jiān)視和測量電阻(電壓降)，直至達到適當?shù)闹禐橹?。一旦達到該值，就隔離力控制器60，并且產(chǎn)生焊接。
一旦完成焊接，就在點108處，焊接控制器40向致動器50發(fā)信號。致動器50打開焊槍22，并且向機器人發(fā)信號以前進到下一個焊接位置，如在點110處所示。如在決定點112處所示，如果沒有完成由工件28和30代表部分的焊接，那么過程循環(huán)到點93，并且機器人(末表示)把焊槍22定位到下一個焊接位置。另外，如果完成工件28和30的焊接，那么機器人返回其原始位置，并且在到達時向主控制器60發(fā)信號，如點114處所示。最后，機器人在點116處等待下個循環(huán)的開始，并且循環(huán)在點90處再次開始。
基于電阻的力控制器66有多個重要特征。首先，控制器必須在焊接期間與二級電路78電氣隔離，以防止損壞控制器的電路。如果隔離是用物理開關實現(xiàn)，那么接觸電阻是一個關心的問題。然而，如果考慮用半導體裝置，那么電路設計必須適應非線性和電流泄漏。第二，控制器66必須為電阻測量以低壓、大電流值(例如，10-100安培)提供穩(wěn)定的激勵。第三，控制器66必須能夠檢測甚至非常小的、在微歐姆量級上的電阻變化。第四，控制器66必須抑制電磁干擾(“EMI”)，以便分辨低電平信號。在實際中，預期控制器66將包括一個工業(yè)用微歐計，或包括一個高端電源的專用電路；及帶有適當屏蔽的精確、低電阻單臂電橋，或測量低電阻的類似裝置。
為了進一步有助于從組件20除去多余的熱量，焊接控制器40和變壓器36最好通過使用散熱片進行空氣冷卻。因而，不使用冷卻水冷卻這些功率電子裝置。
本發(fā)明的第二實施例，一個焊槍組件120，表示在圖3中。焊槍組件120類似于組件20，但包括一個帶有布置在變壓器36與焊槍22之間的一個熱交換器的空氣冷卻無沖擊或跨接電纜系統(tǒng)120。二級電流電纜124、126、和128由周圍空氣冷卻，以在焊槍操作期間從組件除去多余熱量。當焊槍尺寸或重量要求遠程安裝變壓器的使用時，這樣一種物品可選擇地并入焊槍組件中，并且進一步有助于從組件除去多余熱量，而不需要依賴于諸如水之類的軟管和工廠設施設備效用的外部冷卻系統(tǒng)。
只要本發(fā)明的焊槍組件用在“低功循環(huán)”環(huán)境中，則使用基于電阻的力控制器66結合以上指示的焊接參數(shù)的動態(tài)控制、及變壓器36和二級電流電纜的周圍冷卻，一般足以用最小熱輸出提供高質量焊接。然而，當在“高功循環(huán)”環(huán)境中使用焊槍組件時，本發(fā)明包括利用機械、非電氣閉環(huán)冷卻系統(tǒng)通過電焊系統(tǒng)的大電流元件選擇性地抽吸高傳導性冷卻劑的輔助步驟。這樣的閉環(huán)冷卻系統(tǒng)的優(yōu)點在于，他們實際包含在焊槍組件內，并且是自循環(huán)的，如下面更詳細討論的那樣。因此，工廠設施設備不需要外部連接。跟隨的冷卻系統(tǒng)每個與焊槍組件的電氣系統(tǒng)電氣隔離。
一種這樣的閉環(huán)系統(tǒng)表示在圖4中所示的焊槍組件130中。焊槍組件130非常類似于圖1所示的組件，但包括一個用于電極24、26和變壓器36的獨立閉環(huán)冷卻系統(tǒng)132。這三個元件一般由于他們在焊槍操作期間承受的大電流負載而產(chǎn)生大部分熱量。還預見，單個系統(tǒng)132可以用于所有這三個元件，盡管在圖中表示有三個獨立的冷卻系統(tǒng)。
冷卻劑系統(tǒng)132基于受由于焊接電流產(chǎn)生的熱量引起的蒸氣膨脹影響的循環(huán)冷卻流體的概念。每個冷卻劑系統(tǒng)132包括一種高傳導的冷卻劑134，冷卻劑134包含在一根管線135中，當添加熱量時膨脹。系統(tǒng)132進一步包括一個要冷卻的熱源、一個熱交換器136、一個包括一個彈性皮囊138的機械泵、及至少兩個單向閥140和142，它們都布置在管線135內。在操作中，當由電極24、26之一或變壓器36產(chǎn)生熱量時，冷卻劑膨脹。膨脹的冷卻劑從熱源經(jīng)單向閥140流動并且進入皮囊138中。從皮囊138，冷卻劑134選擇性地進入消散大部分熱量的熱交換器136。皮囊138是彈性的，并且設計成相對于要求的偏移膨脹，以容納來自膨脹冷卻劑的增大體積。當冷卻劑膨脹結束時(即一旦焊接完成)，第一單向閥140選擇性地關閉。然后第二單向閥選擇性地打開，以隨著皮囊返回其無偏移外形，在來自皮囊138的力作用下把冷卻劑重新供給到熱源。單向閥140和142有助于保證冷卻劑134僅在單向通過管線135運動。最好，這樣選擇冷卻劑134，從而使它在膨脹熱狀態(tài)是蒸氣狀的，而在冷卻狀態(tài)是流體狀的。
圖5公開了一種焊槍組件150。焊槍組件150非常類似于圖3中所示的組件，但包括用于以上討論的臂44、46、和變壓器36的一個獨立閉環(huán)冷卻劑系統(tǒng)132。
圖6用基于具有往復式軟芯熱提取器概念的一種閉環(huán)冷卻系統(tǒng)162的不同實施例，公開了一種焊槍組件160。冷卻系統(tǒng)162包括一種在一根管線165內的高傳導性冷卻劑164、一個要冷卻的熱源(例如一個變壓器36)、一個熱交換器166、一個包括一個致動器168的機械泵、及多個布置在管線165內的單路單向閥170、172和174。機械致動器168包括一個在缸178內往復運動的活塞176?；钊?76在外端180處借助于一根第二機械連桿182，機械地連接到可運動臂46和致動器50的活塞54上。
連桿182最好是直線的，并且在第一端184處可旋轉地固定到致動器活塞54的旋轉點58上，而在第二端186處可旋轉地固定到活塞176的外端180上。一個中間點188可旋轉地固定到在焊槍22的臂44與46之間的固定旋轉點48上。
管線165包括布置在缸178的第一端192與缸178的第二端194之間的一條第一冷卻劑通路190。單向閥172布置在通路190內，以允許冷卻劑164從端部194向端部192運動。一條第二冷卻劑通路196布置在熱源(變壓器36)與缸178的第一端192之間。單向閥174布置在第二通路196內，以允許冷卻劑164從第一端192運動到熱源中。一條第三冷卻劑通路198布置在熱源與熱交換器166之間。最后，一條第四通路200布置在熱交換器166與缸178的第二端194之間。單向閥170布置在通路200內，允許冷卻劑164從熱交換器166運動到缸178的第二端194中。
在操作中，閉環(huán)冷卻劑系統(tǒng)162按如下工作。當致動器50的活塞54從其中電極24和26分離的停止位置，向其中電極24和26接觸工件28和30的致動位置運動時，機械致動器168的活塞176從缸178的第一端192向第二端194運動。流體經(jīng)第一冷卻劑通路190從第二端194經(jīng)由單向閥172流入第一端192，旁通變壓器36和熱交換器166。然而，當活塞54從致動位置運動到停止位置時，活塞176從第二端194運動到第一端192。迫使冷卻劑164從第一端192通過熱源經(jīng)由通路196和198進入熱交換器166中。從熱交換器166，冷卻劑164流入缸178的第二端194。因而，隨著在焊接已經(jīng)進行后，致動器從其致動位置運動到其停止位置，熱量經(jīng)由熱交換器166從熱源除去。最好，這樣選擇冷卻劑164，從而使它在膨脹熱狀態(tài)下是蒸氣狀的，而在冷卻狀態(tài)下是流體狀的。
表示在圖7中的焊槍組件210以與圖6中所示的相同方式操作。然而，組件包括空氣冷卻跨接電纜系統(tǒng)122。
僅表示了閉環(huán)冷卻系統(tǒng)162的一個實施例。然而，可以想象，致動器50可以向使用任何各種機械連接的焊槍系統(tǒng)的一個或多個大電流區(qū)域提供冷卻。這樣一種方法的優(yōu)點在于，向焊槍組件提供要求的內部冷卻，同時避免對于諸如基于水的之類的工廠設施冷卻系統(tǒng)的需要，如以上詳細討論的那樣。
圖8表明表示基于電阻的力控制器66使用的流程圖。然而，它還表示本發(fā)明的各種補充過程項。這些項包括用于初始系統(tǒng)校準的致動器50的使用、用于位移監(jiān)視的傳感器59的使用、及以上討論的冷卻系統(tǒng)132和162的使用。
圖9表示帶有僅取決于借助用來冷卻的大氣的自然對流、傳導和輻射的相對電極臂262和264的一種焊槍組件260的使用。焊槍組件260達到平衡，并且在通常焊接條件下保持該平衡超過6,000次焊接而不失效。況且，與堅持要求復雜水冷卻系統(tǒng)的先有技術相反，在有足夠的電極臂材料存在，以支持從電極到用于對流的外表面的熱傳導時， 自然對流至今是關于焊槍組件熱消散的重要因素。熱消散的輻射作用是最小的。
因此，為了提高自然對流效果，焊槍組件260包括帶有沿外表面270限定在其間的通道268的多個肋266或波紋，以增大與電極相鄰的焊槍的表面面積和對流速率。在相鄰接收電極的容器272的區(qū)域中，表面面積需要最大化到可能的程度。隨著離開電極的距離增加，對流起冷卻的作用變小。
形成在相鄰肋之間的豎直延伸通道與水平延伸的肋相反，提供大大改進的對流。然而，肋的主要目的在于通過增大可用表面面積改進對流。肋本身可以延伸，以代表翅狀元件。
焊槍組件260還在各個電極臂中包括多個開口274。開口也增加可用于對流的表面面積。開口可以穿過整個臂延伸，或者在臂內的各個位置結束，由此形成鉆孔。開口的數(shù)量和程度主要取決于，要保持的結構完整性與提供必需傳導所需的足夠材料。然而，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，如果熱量在對流開始之前流過較小距離，則需要較少材料。
為了起到把熱量消散到外焊槍組件表面的傳導作用，上和下電極臂262和264一般都具有類似的質量，并且該質量最好大于靠近電極的，特別是靠近電極的常規(guī)焊槍的質量。通過使每個電極臂具有類似的質量，大大地增強了組件260的熱平衡，盡量減小了系統(tǒng)失效的可能性。要求增加質量以提供至外表面的適當傳導，從而對流可以發(fā)生。一種最佳的電極臂材料是銅。
在自然對流不足夠的情況下，組件260可以包括一個或多個吹動空氣穿過肋和通道的風扇276，以進一步提高熱量消散。通常推薦相對的風扇，因為工件的安置會阻止空氣的流動。除風扇之外，電極臂262和264在焊接循環(huán)之間連續(xù)打開或閉合，以進一步提高對流。臂本身可以包括葉片278，以增加對流氣流。
如下對于用于自然對流冷卻焊槍的要求豎直面積進行粗略估計。主要假設是，能在整個時間段上平均來自輸入焊接過程的能量；假定輸入能量作用在焊槍組件的整個豎直表面面積上，并且穩(wěn)定的狀態(tài)存在。
輸入能量等于電流的平方乘以總電阻再乘以電流作用的時間，即E＝I**2*R*t(焦爾)，其中R假定是0.001歐姆。典型的焊接過程具有施加較短時間的電流，接著是較長時間的無電流。該模式重復多個循環(huán)，然后存在其中沒有電流通過的長得多時間(例如焊槍組件的內和外的部分運動)。一個“周期”能定義為其中發(fā)生幾次焊接、除去第一部分、及插入下一個部分、準備再次開始循環(huán)的總時間。當在整個時間段上平均輸入能量，并且過程包括多個周期時，能把輸入能量考慮為在足夠長時間下輸入的穩(wěn)態(tài)功率(注意以瓦特為單位的功率＝焦爾每秒)。
在第一實例焊接過程中，循環(huán)包括以9,000安培作用0.13秒，每4.43秒發(fā)生一次焊接。因此，在0與4.3秒之間無電流通過，然后在4.3與4.43秒之間施加9,000安培。周期是4.43秒長。因此，E＝9,000**2*0.001*0.13＝10,773焦爾。在4.43秒整個焊接過程上的平均功率是Q＝10,773焦爾/4.43秒＝2,431.8瓦特。
在穩(wěn)定狀態(tài)下平衡輸入能量的要求面積是A＝Q/h(Tw-Ta)，其中Q是穩(wěn)態(tài)功率輸入，h是自然對流系數(shù)(對于豎直壁)，Tw是豎直壁的最大允許溫度，及Ta是周圍的空氣溫度。例如，假定Tw是250攝氏度，并且假定Ta是23攝氏度。因此，A＝2,431.8/20(250-23)＝0.54平方米，或約5.8平方英尺。
相同方法可以應用于由如下參數(shù)給出的第二實例焊接過程16,000安培；0.13秒接通和然后1.87秒斷開；重復20次；及然后允許15秒部分變化。能量E＝16,000**2*0.001*0.13＝33.280焦爾。在55秒的整個周期上給出Q＝605.1瓦特。因此，要求的豎直面積是A＝605.1/20(250-23)＝0.13平方米，或約1.4平方英尺。
在兩個所示的例子中，即使電流在第二例子中較大(16 KA相對9KA)，并且完成每次焊接的時間較短(2秒相對于4.43秒)，要求的表面面積也較小。差別在于因為總周期要長得多(55秒相對于4.43秒)。因而，對流在冷卻焊槍組件中起主要作用。使用足夠的表面面積，除以上討論的自然傳導和對流外，不需要其他冷卻機構。
已經(jīng)公開了本發(fā)明的最佳實施例。然而，熟悉本專業(yè)的普通技術人員會認識到，在本發(fā)明的講授范圍內能進行某些修改。因此，應該研究如下的權利要求書，以確定本發(fā)明的真正范圍和內容。
權利要求
1.一種在用來焊接至少一個金屬工件的電焊系統(tǒng)中使用的改進焊槍組件，包括一個焊槍，帶有至少一個在預定范圍內連續(xù)可分離的、用來經(jīng)工件提供焊接電流的電極；一個焊接二級電路；一個基于電阻的力控制器；及一個致動器，可操作地聯(lián)接到所述焊槍上，用來把所述電極移動到所述預定范圍內的多個電極分離距離中的任意一個，按照預定標準控制所述致動器，所述預定標準包括由所述基于電阻的力控制器產(chǎn)生的一個信號。
2.根據(jù)權利要求1所述的改進焊槍組件，其中當所述電極選擇性地嚙合所述工件時，所述焊接二級電路提供一條經(jīng)所述組件的高傳導性電流路徑。
3.根據(jù)權利要求2所述的改進焊槍組件，其中所述工件比所述二級電路傳導性差。
4.根據(jù)權利要求3所述的改進焊槍組件，其中所述基于電阻的力控制器包括至少四根引線，工件適于布置在兩根測量引線的每一根與兩根激勵引線的每一根之間。
5.根據(jù)權利要求4所述的改進焊槍組件，其中所述基于電阻的力控制器借助于所述激勵引線的每一根通過經(jīng)所述二級電路施加電流而選擇性地激勵所述二級電路，并且借助于所述測量引線的每一根而選擇性地測量第一電阻。
6.根據(jù)權利要求5所述的改進焊槍組件，其中所述電流是直流。
7.根據(jù)權利要求5所述的改進焊槍組件，其中所述力控制器激勵所述二級電路，并且在所述電極接觸所述工件之前測量所述第一電阻。
8.根據(jù)權利要求5所述的改進焊槍組件，其中所述力控制器激勵所述二級電路，并且在所述致動器把預定力施加到所述工件上之后測量第二電阻，及確定至少部分由所述第一電阻和所述第二電阻確定的計算電阻是否對應于所述預定標準，如果所述計算電阻不在所述預定標準范圍內，則所述力控制器選擇性地產(chǎn)生所述信號，所述致動器響應所述信號，通過預定增量調節(jié)施加到所述工件上的所述預定力。
9.根據(jù)權利要求8所述的改進焊槍組件，其中在實際焊接期間，所述基于電阻的力控制器與所述焊接二級電路電氣隔離。
10.根據(jù)權利要求9所述的改進焊槍組件，其中借助于物理開關和半導體裝置之一，把所述基于電阻的力控制器電氣隔離。
11.根據(jù)權利要求1所述的改進焊槍組件，其中所述致動器是電氣致動的、電子控制的。
12.根據(jù)權利要求1所述的改進焊槍組件，其中所述組件沒有獨立的外部冷卻系統(tǒng)。
13.一種在用來焊接至少一個金屬工件的電焊系統(tǒng)中使用的改進焊槍組件，包括一個焊槍，帶有在預定范圍內連續(xù)可分離的、用來經(jīng)工件提供焊接電流的相對電極；一個焊接二級電路；一個電氣致動的致動器，可操作地聯(lián)接到所述焊槍上，用來把所述電極移動到所述預定范圍內的多個電極分離距離中的任意一個；一個基于電阻的力控制器，按照預定標準控制所述致動器，所述預定標準包括由所述基于電阻的力控制器產(chǎn)生的一個信號。
14.根據(jù)權利要求13所述的改進焊槍組件，其中所述基于電阻的力控制器包括至少四根引線，兩根激勵引線如此布置，從而他們在安裝工件的相對側，而兩根測量引線如此布置，從而他們在安裝工件的相對側，所述基于電阻的力控制器借助于所述激勵引線的每一根通過經(jīng)所述二級電路施加電流而選擇性地激勵所述二級電路，并且借助于所述測量引線的每一根而選擇性地測量一個電阻。
15.根據(jù)權利要求14所述的改進焊槍組件，其中所述力控制器激勵所述二級電路，并且在所述電極接觸所述工件之前測量所述二級電路的電阻。
16.根據(jù)權利要求15所述的改進焊槍組件，其中所述力控制器激勵所述二級電路，并且在所述致動器把預定力施加到所述工件上之后測量總電阻。
17.根據(jù)權利要求16所述的改進焊槍組件，其中借助于所述總電阻和所述二級電路的所述電阻來計算所述工件電流通路的電阻。
18.根據(jù)權利要求13所述的改進焊槍組件，其中所述組件沒有獨立的外部冷卻系統(tǒng)。
19.一種在帶有閉環(huán)冷卻劑系統(tǒng)的電焊系統(tǒng)中使用的改進焊槍組件，包括一根冷卻劑管線；至少一個單向閥，布置在所述冷卻劑管線內；一種高傳導性的冷卻劑，包括在所述冷卻劑管線內；一個大焊接電流熱源；一個熱交換器，借助于所述冷卻劑管線連接到所述熱源上；及一個機械、非電氣冷卻劑泵。
20.根據(jù)權利要求19所述的改進焊槍組件，所述冷卻劑泵包括帶有一個機械操作活塞的缸，所述活塞在所述缸中響應焊接電極分離距離的變化而運動，以便這樣循環(huán)所述冷卻劑，以致于所述冷卻劑從所述熱源拾取熱量，并且把所述熱量的至少一部分經(jīng)所述熱交換器釋放。
21.根據(jù)權利要求19所述的改進焊槍組件，其中所述組件包括一個焊槍，帶有至少一個其上安裝焊接電極的旋轉臂；和一個固定到所述活塞上的機械連桿，所述連桿的第一端可旋轉地固定到所述旋轉臂上，而第二端可旋轉地安裝到所述活塞上。
22.根據(jù)權利要求21所述的改進焊槍組件，其中所述旋轉臂繞一個旋轉點旋轉，所述連桿的中間部分可旋轉地固定到所述旋轉點上。
23.根據(jù)權利要求20所述的改進焊槍組件，其中所述閉環(huán)系統(tǒng)包括一條處在所述缸的一端與所述缸的第二端之間的第一冷卻劑通路，當所述活塞從所述缸的所述第一端運動到所述第二端時，一個第一單向閥允許所述冷卻劑從所述第二端運動到所述第一端。
24.根據(jù)權利要求23所述的改進焊槍組件，其中所述閉環(huán)系統(tǒng)包括一條處在所述熱源與所述缸的所述第一端之間的第二冷卻劑通路、和一條處在所述熱源與所述熱交換器之間的第三冷卻劑通路。
25.根據(jù)權利要求24所述的改進焊槍組件，其中一個第二單向閥布置在所述第二和第三冷卻劑通路之一中，以便僅允許所述冷卻劑經(jīng)由所述熱源僅從所述缸的所述第一端流到所述熱交換器。
26.根據(jù)權利要求25所述的改進焊槍組件，其中一條第四冷卻劑通路布置在所述熱交換器與所述缸的所述第二端之間，一個第三單向閥布置在所述第四冷卻劑通路中，并且僅允許所述冷卻劑在所述熱交換器與所述第二端之間流動。
27.根據(jù)權利要求19所述的改進焊槍組件，所述組件進一步包括一個可運動致動器，所述致動器的一端選擇性地可在一個停止位置與一個致動位置之間運動，當所述致動器從一個停止位置運動到一個致動位置時，所述閉環(huán)系統(tǒng)旁通所述熱源和所述熱交換器。
28.根據(jù)權利要求19所述的改進焊槍組件，其中所述冷卻劑泵包括一個彈性皮囊。
29.根據(jù)權利要求28所述的改進焊槍組件，其中第一單向閥布置在所述熱源與所述皮囊之間的所述冷卻劑管線中；及一個第二單向閥布置在所述熱源與所述熱交換器之間的所述冷卻劑管線內，當把熱量添加到所述熱源時，所述膨脹冷卻劑從所述熱源經(jīng)所述第一單向閥流到所述皮囊，并且選擇性地流到所述熱交換器。
30.根據(jù)權利要求29所述的改進焊槍組件，其中所述皮囊克服偏移膨脹，以容納來自所述膨脹冷卻劑的增大體積，當所述冷卻劑膨脹結束時，所述第一單向閥選擇性地關閉，并且所述第二單向閥選擇性地打開，以便隨著皮囊返回其原始外形，在來自所述皮囊的力作用下重新供給冷卻劑。
31.根據(jù)權利要求30所述的改進焊槍組件，其中所述熱源是所述組件的電極和所述變壓器之一。
32.根據(jù)權利要求31所述的改進焊槍組件，其中所述冷卻劑在膨脹熱狀態(tài)下是蒸氣狀的，而在冷卻狀態(tài)下是流體狀的。
33.一種用來向金屬工件提供改進焊接的方法，包括步驟當相對電極不與工件接觸時，通過一個焊接二級電路測量第一電阻；通過所述焊接二級電路測量第二電阻，所述電路與接觸所述工件的所述電極并聯(lián)；及至少計算工件的電阻。
34.根據(jù)權利要求33所述的方法，還包括如下步驟把所述計算電阻與預定標準相比較，所述預定標準包括在所述計算電阻與所述工件上的電極力之間的關系；及調節(jié)所述工件上的電極力，并且重新計算所述計算電阻，直到滿足所述預定標準。
35.根據(jù)權利要求34所述的方法，還包括如下步驟通過經(jīng)所述焊接電路測量第三電阻校準所述預定標準，以確定所述電極的狀態(tài)，所述焊接電路與彼此直接接觸的所述電極并聯(lián)。
36.根據(jù)權利要求35所述的方法，還包括如下步驟產(chǎn)生用于末端修整的請求。
37.根據(jù)權利要求34所述的方法，還包括如下步驟把電流施加到所述焊接二級電路上，并且同時測量所述第一電阻。
38.根據(jù)權利要求37所述的方法，還包括如下步驟把電流施加到所述焊接二級電路和工件上，并且同時測量所述第二電阻。
39.根據(jù)權利要求38所述的方法，還包括如下步驟電氣隔離一個在實際焊接操作期間用于所述第一和第二電阻的所述測量的基于電阻的力控制器。
40.一種借助于一個熱交換器冷卻在電焊系統(tǒng)中使用的改進焊槍組件的大電流元件的方法，包括如下步驟把一個機械、非電氣冷卻劑泵連接到一個用來提供焊接電極分離距離變化的致動器上；及借助于所述泵響應所述致動器的運動，在焊接電流熱源與熱交換器之間循環(huán)一種高傳導性冷卻劑。
41.根據(jù)權利要求40所述的方法，所述泵和所述致動器中的至少一個包括一個可在一個缸中運動的活塞。
42.一種借助于一個熱交換器冷卻在電焊系統(tǒng)中使用的改進焊槍組件的大電流元件的方法，包括如下步驟在所述焊接電流熱源與熱交換器之間的一根閉環(huán)冷卻劑管線內循環(huán)一種高傳導性冷卻劑；所述冷卻劑在添加熱量時膨脹，而在除去熱量時收縮；把加熱的冷卻劑存儲在一個彈性皮囊內，所述皮囊以原始非偏移外形膨脹，以容納來自所述膨脹冷卻劑的增大體積；及通過強迫所述冷卻劑穿過所述冷卻劑管線，使所述皮囊返回所述原始非偏移外形，從而所述皮囊起循環(huán)所述冷卻劑的機械、非電氣冷卻劑泵的作用。
43.一種改進的焊槍組件，包括諸電極臂，所述臂中的至少一個包括多個沿外表面的多個肋之一，諸肋限定在其間的通道和一個在所述臂內的開口，用于增大所述臂的總外表面面積，從而通過自然對流改進熱消散。
44.根據(jù)權利要求43所述的改進焊槍組件，其中所述臂包括所述肋和所述通道、及所述開口。
45.根據(jù)權利要求43所述的改進焊槍組件，其中所述電極臂中的每一個一般帶有相等的質量，以提供熱平衡。
46.根據(jù)權利要求45所述的改進焊槍組件，其中相鄰于適合保持電極的容器使每一個臂的所述質量最大。
47.根據(jù)權利要求43所述的改進焊槍組件，其中所述肋和所述開口豎直延伸。
48.一種包括相對電極臂的改進焊槍組件，所述臂中的每一個包括多個一般沿外表面豎直延伸的肋，該肋在其間限定通道，以通過自然對流改進熱消散，并且其中所述電極臂中的每一個一般具有相等的質量，以提供熱平衡，相鄰于適合保持配對電極的容器使所述質量外表面面積最大。
49.一種改進焊槍組件，僅依賴于電極臂材料傳導和來自所述電極臂外表面的自然對流來冷卻所述焊槍組件，所述焊槍組件使電極臂質量、和在相鄰于適合保持配對電極的容器的區(qū)域中的外表面面積最大。
全文摘要
一種在電焊系統(tǒng)中使用的、不需要工廠提供空氣和水冷卻循環(huán)系統(tǒng)的基于電阻焊的焊槍組件。其中,基于電阻的力控制器測量焊槍的二級電路的電阻、與當夾持在電極之間時由工件和相對電極形成的電路相并聯(lián)的二級電路的組合電阻,并計算工件的電阻。把測量電阻與預定電阻比較,并調節(jié)電極的夾持力,直到工件的電阻是可接受的。本發(fā)明還涉及帶有冷卻劑管線、包含在冷卻劑管線中的冷卻劑、熱交換器、及機械冷卻劑泵的閉環(huán)冷卻劑系統(tǒng)。
文檔編號B23K37/02GK1259416SQ99111968
公開日2000年7月12日 申請日期1999年8月5日 優(yōu)先權日1998年8月5日
發(fā)明者羅納德·C·布朗, 史蒂文·D·切西, 約瑟夫·L·米勒 申請人:Dct公司