本发明涉及用于测量焊接元件、尤其是焊销相对于工件表面的位置的装置和方法。
背景技术：
1、在电弧焊中，尤其是在销栓焊接中，待焊接到工件上的销在常规工艺过程中首先被放置到工件上。为了在工件与销之间产生电弧，销借助行程电磁铁克服弹簧力被抬离工件，同时在这些部件之间产生高电压。为了触发并执行这一运动，行程磁铁包括电磁线圈，其在通电状态下对其线圈芯施加磁力。通常为金属的线圈芯连接至销座，销座又暂时容纳焊销(也即“焊接元件”)。故当线圈通电时，焊销通过磁力从工件抬起。电弧在工件上形成熔池，焊销随后又回落到熔池中并在此与工件焊接在一起。此过程一般借助合适的控制装置全自动进行，其中，各工艺步骤在时间上相互优化协调。整个工艺过程仅持续不到一秒，例如不到50毫秒。随后能够利用新装入的焊销执行另一相同的工艺过程。
2、在手动销栓焊接中，焊枪的支承管以其敞开的前端被放置到工件上，其中，焊销可纵向移动地居中安置在支承管内且在焊接工艺开始前因所述弹簧力而被压向工件。
3、为了实现高质量的焊接连接，在手动销栓焊接中特别重要的是，在开始时将焊销垂直于工件表面取向，并且其前端与支承管前端位于同一高度，即处于工件表面上。这种情况发生在支承管完全垂直于工件表面取向时。而当支承管倾斜时，焊销从支承管伸出，其相对于支承管和行程磁铁的位置与理想的相对位置有所偏差，如图1所示。故在支承管斜立的情况下，用于产生电弧的行程增大，这对熔池质量产生不利影响，而销亦无法垂直焊接。
技术实现思路
1、本发明的任务是提供一种装置和一种方法，借此能以简单手段而无需附加传感器地确保焊枪在手动销栓焊接时竖直取向。
2、该任务通过一种根据权利要求1的方法和一种根据权利要求10的装置来完成。其它有利实施方式来自从属权利要求。
3、本发明源于以下认识：行程磁铁的线圈电感随着与焊销相连的线圈芯插入线圈的深度而变化。这是因为线圈芯伸入线圈越远，电感就越大。依据插入深度可以推断出焊销例如在焊接工艺开始时正确安放还是倾斜安放在工件上。在焊枪斜置的情况下，线圈芯伸入线圈中的深度较小，故其电感比焊枪垂直放置时更小。因此通过在焊接工艺开始时测量电感，可以查明线圈芯伸入线圈的程度，即，焊枪的焊销是否垂直安放到工件上。
4、故在本发明方法的最简单变型中规定，在方法循环开始时，借助自动控制装置来确定表征线圈电感的量值并与预定的可调目标值相比较。目标值也可以尤其是值域，在该值域内预期有按规定的焊接过程。以下，术语“目标值”应也涵盖作为容差范围的目标值域。如果该量值对应于目标值或位于由其限定的容差范围内，则可以进行焊接。故在最简单的情况下，本方法包括以下方法步骤：
5、(b)确定表征线圈电感的量值，
6、(c)依据表征线圈电感的量值与预定目标值之间的比较，自动控制焊接过程。
7、如果所确定的量值超出目标值域，则这可能意味着线圈电感小于在焊销正确插入时的线圈电感预期值，即，线圈芯连同安置在其上的焊销因为例如支承管斜置于工件上而从线圈突出过多。
8、在此情况下，根据本发明，自动控制装置可以中止原本正常的方法循环。为此，一种可能方式是线圈未被或不再施加足以使销从工件抬离的电压，和/或不产生电弧。替代地或补充地，可以通过由控制装置产生的光学或声学信号来指明焊枪未按规定安放。
9、本发明方法的特点也在于线圈电感的测量是在该方法期间内进行的，而且是在焊销明显位移或甚至形成电弧之前，即在方法开始后几毫秒内进行。如果该方法因为电感值不合适而应该中止，则根本就不发生销的抬起或电弧的产生。
10、优选可以如此启动一次方法循环，即，将焊枪的支承管按常规方式安放到工件上，随后操作焊枪上的操作柄。从现有技术中早就知道了这样的焊枪。操作柄的操作会触发自动控制装置，其通常对线圈施以电压，以克服弹簧力将销抬离工件，并且控制电弧的产生以及随后使销回落到熔池中。本发明的方法可以轻松整合到常见焊枪的使用中，因为在操作柄操作后，首先自动确定表征线圈电感的量值。通过提前进行根据本发明的目标值比较，于是可以自动判断正常的方法循环应该继续还是提前中止。
11、在前一次(成功或中止的)焊接过程之后，可以紧接着(在几秒内)继续另一方法循环，做法是在可能修正焊枪相对于工件的取向之后，再次操作操作柄。如果此时重新确定的电感量值对应于预定的目标值(因为焊枪正确取向而使焊销更深地伸入线圈中且导致电感相应足够高)，则控制装置可以触发用于销栓焊接的后续常规方法循环，即抬起销、形成电弧并正常进行和完成焊接过程。
12、根据本发明的一个有利实施方式，在确定表征线圈电感的量值之前，设有一个附加的方法步骤。对此规定如下方法步骤a)：
13、(a)在开始时刻(t0)向线圈(s)加载电压(u)，并且测量随时间(t)
14、变化的流过线圈的电流(i(t))，
15、设置该方法步骤的目的是借助加载于线圈的电压、流过线圈的电流以及线圈电阻来确定表征线圈电感的量值。
16、根据本发明，该方法步骤可整合到常见焊枪的常规工作中，因为在操作柄操作后，控制装置本就会向线圈加载电压以产生将焊销从工件抬离所需的电流。该电压、随时间变化的电流i(t)和线圈电阻r作为物理量被提供，用于确定表征线圈电感的值。电压可以假定为恒定。但优选的是，进行随时间的电压测量，以便能采用当前电压值并补偿波动。
17、根据本方法的一个有利实施方式，作为表征线圈电感的量值确定一个时变值f(t)并且以不同的方式处理，用于随后与目标值相比较。
18、根据本方法的第一变型，在第一时刻t1确定第一值f(t1)。可将第一值与在相应时刻t1所期望的相应预定的目标值相比较，以便能执行按规定的焊接过程。也可以在不同时刻确定多个测量值并且与各自对应的目标值相比较。在这种情况下，每次比较仅涉及一个值f(t)和对应的目标值。
19、但优选的是，研究表征线圈电感的量值f(t)的变化过程，以便能将其与相应的目标值相比较。为此，在多个不同时刻t1、t2、t3…测得多个测量值f(t)。从至少两个这种测量值可以按以下公式确定一个差商d：
20、
21、该差商对应于f(t)变化曲线在区间(t2－t1)内的斜率。
22、更优选的是，可以确定回归直线斜率df来代替简单的差商，该斜率基于更多的f(t)值和各自对应的时刻t来生成。差商d以及回归直线斜率df都是表征线圈电感的量值，其根据本发明可以通过与适当预定的目标值相比较而被考虑用来控制后续方法。
23、差商d或斜率df的生成适用于以下情况：紧接在电压加载后，线圈电流并未表现为恒定或线性，而是在不同时刻出现相应不同的电流i(t)。其具体解释如下：
24、在开始时刻t0向电阻为r的线圈加载电压u之后，因为线圈电感l的存在，线圈电流i(t)随时间t增大但有延迟：
25、
26、因为电流i(t)随时间变化，无法直接从中得出电感l的明确值。但是，可以从等式(1)中推导出一个随时间线性变化的函数f(t)。
27、故根据本方法的一个优选实施方式而规定，从变换后的公式(1)中得到时变值f(t)：
28、
29、其中，ln表示自然对数。量值u(t)或i(t)可以直接通过常见焊枪工作本就使用的控制单元来设定或测量，因为除了控制装置能够测量电压u(t)外，一般还安装有用于短路监测的电流测量机构。由于f(t)随时间呈线性变化，计算差商或回归直线斜率df就足以能够就线圈电感l和进而焊销相对于线圈的正确相对位置作出判断。
30、优选地，差商d或斜率df通过两个或更多个时刻t1、t2、t3…来生成，所述时刻全都位于以开始时刻t0开始的可预定的测量时间tm内。适当地如此选择测量时间，即，虽然电压u已加载于线圈，但焊销仍未从工件抬起，这是因为例如线圈电流i(t)尚不足够或销的惯性尚未被克服。在任何情况下如此选择测量时间tm，即，焊销尚未完成显著的相对于焊枪或支承管的运动，因为测量时间根据本发明主要或专门用于能在方法早期对线圈电感作出判断。
31、在一个实施例中，测量时间tm不长于10毫秒，或者例如从向线圈加载电压u的时刻t0起算不长于5毫秒。各自合适的测量时间tm取决于各种工作参数或所用焊枪，并且根据应用场合也可以比所述示例中更短或更长。
32、另一未知量值r(线圈电阻)也取决于多种参数，并且无法针对一系列连续的焊接过程或方法循环被假定为恒定，因为线圈例如由于多次方法循环而变热且由此改变其电阻。但是，从公式(1)中可以得出，从某个等候时间tr>>t0起，在常见焊枪中例如可以为10毫秒或更长，电感l的影响逐渐减小，并且电流i(t)趋于基本恒定的值i，故前述公式(1)简化为：
33、
34、故借助在例如10毫秒后测得的量值u和i，可以计算当前线圈电阻r。因为在该时刻，测量时间tm优选已结束，故当前线圈电阻r在当前方法循环中无法被用来确定时变值f(t)或差商。但由于线圈电阻r在两个前后紧密衔接的方法循环中没有明显改变，故根据本发明的另一有利实施方式，在当前方法循环vi中根据等式(2)确定所述值f(t)时可以考虑以下电阻值r，其在先前的、最好是上一方法循环vi-1中根据等式(3)在等候时间tr结束之后已被确定或可以从当时测得的电压u和电流i的值中确定。
35、为此，所述值u和i和/或根据等式(3)由此得出的量值r可以在先方法循环vi-1期间内或结束之后例如被存储在控制装置的存储器单元中，并且在随后的方法循环、尤其是下一方法循环vi中从中被读取并且被考虑用来计算所述值f(t)。随着每次新的完整方法循环，线圈电阻r的值可被持续更新并且供各自随后的方法循环所用。此实施方式考虑以下事实：线圈电阻可以依据焊接方法、工作持续时间、各种工作参数和环境参数改变。通过测量或计算非恒定线圈电阻，表征线圈电感的量值的确定可以得到明显改善，因此更可靠精确地就中止或继续方法循环而作出判断。
36、优选地，表征线圈电感的一个或多个量值在可预定的测量时间tm内的时刻t1、t2、t3…被确定，该测量时间从向线圈加载电压u的时刻t＝0起算。同样在时刻t＝0开始的且也可预定的等候时间tr至少与测量时间tm相等。在等候时间tr结束后，电感对线圈电流的影响基本消失，故从此时流经的线圈电流i和对应的电压u中可以足够精确地计算出当前线圈电阻，以便能将其值纳入考量，尤其用于随后的其他方法循环。
37、本发明方法的一个实施方式考虑前述多个方面并在一次方法循环vi中包括以下自动化方法步骤：
38、(a)在开始时刻t0开始将电压u(t)加载至线圈s，并且测量随时间t变化的流过线圈的电流i(t)；
39、该步骤例如可以通过操作焊枪上的操作柄被触发，使得相应的控制装置将电压u(t)接通至线圈并且测量随时间变化的流过线圈的电流。
40、(b)按照下述公式确定表征线圈s电感l的时变值f(t)：
41、
42、如前所述，该值也可以在多个不同时刻被确定并且被用来形成差商d或回归直线斜率df，
43、b1)其中，所述多个不同时刻全都应该在从开始时刻t0起算的可预定测量时间tm内，并且
44、b2)其中，作为电阻值r考虑以下值，其在方法循环vi之前的方法循环、优选是其上一方法循环vi-1中基于在从开始时刻t0
45、起算的可预定等候时间tr结束之后所测得的电压u(t)和电流i(t)的值按以下公式得到：
46、
47、该方法步骤例如可借助由该控制装置控制的处理器进行，其在设定或确定各时刻t1、t2、t3…的情况下将相应时刻起效的电压u、电流i和线圈电阻r的值纳入所述值f(t)或r的计算中。至少在测量时间tm内随时间变化的线圈电流i(t)可以例如通过也在常见的焊枪控制装置中配设的电流测量仪来测得并传输给处理器进行处理。在先前的方法循环中起效的、应该被考虑用于在当前方法循环中计算f(t)的线圈电阻r例如可以从存储器单元中被读取，它在早先的方法循环期间内或结束之后已被储存在存储器单元中。
48、该方法步骤优选在电压接通之后的几毫秒内结束。
49、(c)将所得值f(t)或差商d或斜率df与相应可预定的目标值(wa-b)相比较；
50、所述比较借助控制装置进行，优选也通过前述处理器完成。所述比较可以按照相应预定的目标值例如被如此执行，即，超出或低于目标值所确定的容差范围会导致焊接方法中止，但值在容差范围内则继续焊接方法。
51、(d)视比较而定，或是继续“包括将焊销以电磁方式从工件(k)抬起和产生电弧”的焊接方法，或是在不产生电弧的情况下结束焊接方法。
52、优选地，也可以根据比较结果输出声学信号或视觉信号，以便对操作者指明焊枪是否正确取向。
53、在该方法期间内设定的、测量的或以其它方式确定的物理量，例如可能包括线圈电压u(t)、线圈电流i(t)、线圈电阻r和时变值f(t)以及其它量值如差商d或斜率df，可以被存储在存储器单元中，存储器单元可以优选由控制装置来控制或读取。当然，视焊接方法、材料组合和其它边界条件的不同，可以设定不同的物理量以及目标值w、等候时间tr或测量时间tm，它们例如可被存储在可供控制装置访问的存储器单元内且根据方法被调用。能限定目标值域或容差范围的目标值可以被自动设定或由使用者设定，或者被存储在控制装置中。一个或多个目标值也可以借助按规定的首次焊接方法循环被确定，其中，在此针对f(t)、d、df所确定的值作为参考值被考虑用于一次、多次或后续每次焊接方法。在此，可以借助可预定的容差域围绕所得到的参考值形成目标值域，在后续焊接方法中重新确定的各相应值必须处于该目标值域内，否则将提前中止焊接方法。
54、优选地，部分或全部数据通过合适的接口可被传递至输出单元(屏幕、打印机等)或上级控制单元，例如通过有线或无线的局域网或广域网。接口可以设计成是双向的，以便接收数据并且能够将例如f(t)、d、df的参考值、目标值的容差值、测量时间tm或等候时间tr存储在控制装置中。输入单元为此可连接至网络或控制装置。还可以想到的是为了进一步处理、计算、显示或传输而以凭经验或以其它方式确定的修正系数或修正方法调整前述物理量，但为简化起见，本说明书中未对此进行描述。
55、一种用于执行本发明方法的装置尤其包括：
56、-焊枪，其具有支承管和按弹簧预紧方式保持在支承管内的焊接元件且尤其是焊销，
57、-由电磁线圈构成的行程磁铁，其中，与焊接元件相连的线圈芯至少部分伸入线圈内部，以及
58、-优选包括处理器的控制装置，其设计成在开始时刻t0给线圈施加电压u，由此产生线圈电流i(t)和作用于焊销以克服弹簧力的电磁力，其中，该控制装置设计成测量线圈电流i(t)并由此确定
59、-线圈电阻，和
60、-表征线圈电感的量值、尤其是前述时变值f(t)或差商或斜率df，以便根据所确定的值，要么继续或是结束该焊接方法。
61、“不带有用于确定线圈电阻r和电感量值的前述设计”的焊枪控制装置是实践中早就知道的。本发明对控制装置的改进优选无需附加传感器装置即可在所述已知焊枪中实现，只需要确定表征线圈电感的量值，通过将该量值与目标值相比较就能推断出焊枪或焊销的取向是否正确。为此可以利用例如在常见的焊枪中通常本来就已测量的线圈电流i。
62、前述方法不局限于利用支承管的销栓焊接工艺。相反，本发明的解决方案原则上适用于各种焊接工艺，其中，待焊接元件(焊销、接片、其它元件)相对于焊接装置或工件的位置或姿态在焊接过程之前或期间内需要被监测。这通常是指待焊接件被自动送入焊接装置的焊接工艺。由机器人操控的焊头也可以使用本发明方法，例如检查将焊接元件前移的装载销是否伸入或伸入深度如何，从而例如能确定焊销相对于焊头的突出量。
1.一种焊接方法，其设计成在焊接过程开始时借助电磁线圈(s)将焊接元件、尤其是焊销(b)从工件(k)抬起一段距离，以便因此在该焊接元件(b)与该工件(k)之间产生电弧，其中，该方法能按多次连续的循环(v1,v2…)执行并在一个循环(v1,v2…vi,…)中至少包括以下方法步骤：
2.根据权利要求1所述的方法，其特征是，在该方法步骤(b)之前执行以下方法步骤：
3.根据权利要求2所述的方法，其特征是，作为在权利要求1的方法步骤(b)中的所述表征该线圈(s)电感(l)的量值(f,d,df)，在至少一个第一时刻(t1)确定至少一个时变值(f(t))作为第一值(f(t1))，其中，
4.根据权利要求3所述的方法，其特征是，该时变值(f(t))基于以下公式来确定：
5.根据权利要求2至4之一所述的方法，其特征是，针对一个方法循环(vi)，按以下公式确定该线圈电阻(r)：
6.根据权利要求5所述的方法，其特征是，为了计算该线圈电阻(r)而考虑该电压(u(t))的或该电流(i(t))的如下值，其在从该开始时刻(t0)起算的可预定的等候时间(tr)结束后被设定或测量。
7.根据前述权利要求之一所述的方法，在一个方法循环(vi)中包括以下自动化方法步骤：
8.根据前一项权利要求所述的方法，其中，适用的是：
9.根据前述权利要求之一所述的方法，其特征是，从所述表征该线圈(s)电感(l)的量值(f)中推导出与该焊接元件相连的线圈芯(q)插入该线圈(s)中的插入深度值，以便存储该值或由其形成的值和/或显示给操作者和/或与目标值(w)相比较以用于进一步方法控制。
10.一种用于执行根据前述方法权利要求之一所述的焊接方法的装置，包括：
11.根据前一项权利要求所述的装置，其中，该控制装置(g)设计用于：
