本发明涉及一种使用焊丝，最好是保护型焊丝的电弧焊接系统。

保护型焊丝是包括适于焊接的金属材料的细长元件(也称作“焊 条”)。一般地，焊丝包括一金属芯，该金属芯由具有或不具有适于焊 接的保护气体(特别是惰性气体)的保护层或套管包围。

这种所谓的“保护型焊丝”例如可从LINCOLN-USA的参考资料 LINCOR33中得知。

另外，在US-A-4672173中公开了一种特别用于焊接铁轨或型钢的气 体保护电弧焊装置。

下面，术语“铁轨”用于限定任何可焊接的产品，包括火车、电车 可在上面驱动的铁轨或类似物体，或者任何与铁路有关的型钢。

该装置包括一焊炬单元，该焊炬单元装有焊丝，并可沿两个不同的 横向方向(一般是水平和垂直方向)移动。

该装置还包括可移动的固定装置，用于可移动地将焊接装置固定(或 者夹紧)到铁轨和类似物体上。

另外，还包括用于沿上述横向方向移动焊炬的焊炬移动装置，与焊 炬移动装置连接的控制装置(如X驱动块和Y驱动块)对焊炬单元在要 焊接的铁轨前面沿上述横向方向的移动进行控制。

尽管US-A-4672173中公开的焊接装置被描述为一全自动装置，但还 是可以对焊接工艺进行改进，从而以更高的效率进行焊接，特别是在铁 轨或类似物体上的焊接区位置，从而使焊接质量的好坏不再(或较少) 依赖于操作者的技能，且通过在焊接操作中更少地将操作者束缚在工作 上而使焊接时间更短。

因此，根据本发明的一个方面，上述控制装置(或控制单元)包括：

--第一控制装置，用于控制焊炬单元基本上在要焊接区域的周边(或 边缘)前方的第一移动，从而由与一存储单元连接的读取装置在上述区 域读取焊接几何位置，从而存储所记录的铁轨上的焊接几何位置；

--第二控制装置，用于在上述读数的范围内随着所存储的焊接几何 位置的变化自动控制焊炬单元在要焊接的区域前方的第二移动。

在用于获得最高效率的上述位置并以适当的速度，操作者能够预设 置和预调节焊炬单元的移动，从而完成焊接。另外，对上述几何位置读 数的存储及对相应数据的处理使操作者能够完全自动地获得相应的所需 焊接条件。

本发明的另一个目的是提供一种具有上述优点的焊接方法。

因此，根据本发明的一个方面，本发明的焊接方法包括下列步骤：

a)沿至少一个铁轨和类似物体设置一电弧焊接装置或机器人，它使 用适于维护或修理铁轨和类似物体的保护型导电焊丝，该装置包括一用 于焊接铁轨一个区域的焊炬单元、一控制单元、及用于可移动地将该装 置安装(或夹紧)到铁轨和类似物体上的固定装置；

b)初始地将该焊炬单元相对于要焊接区域设置在一参照(几何)位 置；

c)读取(或记录)上述区域的焊接几何特征，以获得读取(或记录) 数据；

d)将读取数据输入一存储单元；以及

e)根据上述输入的读取数据，起动一个确定的焊接程序，从而：

--在上述区域范围内根据所记录的其几何特征在要焊接的区域前方 移动焊炬单元；

--向该焊炬单元提供焊丝；以及

--根据上述确定的焊炬程序，向焊炬单元提供电能，用于对该铁轨 和类似物体进行焊接。

本发明解决的另一个问题涉及根据该区域中的真正和真实的情况确 定用于焊接的参数。

本发明中提出了两个可替换的或累积的方案：

--首先，在步骤e)之前，通过控制单元在不同的可替换的选择中选出 用于焊接操作的保护型焊丝的类型，然后该装置从中推导出：

·用于向焊炬单元输送上述保护型焊丝的输送速度；

·用于向上述焊炬单元供电的供电电源；以及

·至少在步骤e)过程中，在要焊接的区域范围内移动焊炬单元的移 动速度；

--和/或在步骤e)之前，通过控制单元在多种选择中确定将焊接的铁 轨的类型，然后根据铁轨的类型，该装置从上述选择中推导出：

·用于向焊炬单元输送上述保护型焊丝的输送速度；

·用于向上述焊炬单元供电的供电电源；以及

·在要焊接的区域范围内移动焊炬单元的移动速度。

应该理解，特别是根据铁轨类型(通常是铁轨中的含碳量)，改变 焊丝特征(物理化学特征，如其成分)及焊丝在焊炬单元中的输送速度 是很有用的。

本发明的另一个目的是在焊接方法的步骤c)中确定读取要焊接区域 几何特征的步骤。

推荐的方案如下：

--在步骤b)中，最好确定焊炬单元相对于要焊接的铁轨区域的角向位 置；

--在步骤c)中，沿焊接区域的边缘(或轮廓)移动焊炬单元，用于读 取焊接几何特征；

--然后，在步骤e)中，在上述参照位置对焊炬单元进行重定位之后， 根据焊接程序在焊接区域前方移动焊炬单元，从而将焊接材料沉积到上 述焊接区域上。

下面是参照附图对本发明进行的更详细的描述，其中：

图1是本发明机器人一实施例的总体透视图；

图2是用于可移动地将机器人保持在铁轨上的夹持装置的实施例的细 节；

图3是在焊炬单元附近的焊接机器人一部分的示意性透视图；

图4示意性示出焊炬单元的铰接和提升运动；

图5示意性示出控制单元的一实施例，其前部封盖设在一侧；

图6示意性示出在铁轨上限定的几何位置，用于根据读数移动该焊炬 单元；

图7示出可根据本发明使用的两个焊接图线(电弧电压(V)/电弧强 度(A))；

图8示意性示出一用于在铁轨或类似物体上驱动该机器人的轮子。

图1中，符号1总体表示根据本发明的电弧焊接机器人。

这是一种适于维护或维修铁轨或类似物体，特别是远离道岔的铁轨 的机器人。

机器人1包括一构架3和一焊接装置5，焊接装置5特别包括一焊炬单 元7和一焊接控制单元9。

构架3设有适于可移动地将构架3固定到一铁轨13上的固定装置。该 固定装置包括两个支承/夹持装置11a、11b，该支承/夹持装置11a、11b 用于夹持损坏的铁轨的上表面15，并通过在由于损坏而形成的孔16中向 铁轨提供确定数量的焊接金属而对铁轨进行修理。

孔16可能是一高速运动列车紧急停止后形成的。

支承/夹持装置11a、11b与铁轨13叠置，并略微向构架3的前面伸出， 而焊炬单元7基本与在上述支承/夹持装置之间延伸的轴线成直线地设 置，因而机器人是能够沿铁轨13的纵轴线使自己自定位的自定位机器 人。

图2中以放大比例示出一支承/夹持装置。

装置11a(另一装置与之相同)包括一具有钩形形状(包括一下部凸 缘17a)的前部17，该钩适于设置在铁轨13的扩大的顶部13a下面，顶部 13a位于铁轨较薄的中央肋13b正上方。一后壁19使上述钩形完整。

因而如图2所示，每个支承/夹持装置限定了一个钩，因而铁轨的头 部13a紧密配合在与两个夹持钳17和19侧向相邻的孔21中。

在该位置，保持凸缘17a固定地保持该构架，而支承表面23靠在铁轨 的上表面15上。

在该例子中，构架3的重量位于相对于支承/夹持装置11a、11b悬空 的位置，该支承/夹持装置11a、11b通过一夹持作用可移动地将机器人“锁 定”在铁轨上。

焊炬单元7设置在两支承/夹持装置11a、11b之间。

焊炬单元7安装到其支承件25上，并与包括一套筒28和一焊丝盘29的 保护型焊丝供给装置相连。电机30在管道内然后在焊炬单元内沿焊丝盘 驱动保护型焊丝。

图1和3示出在构架3外部位于其支承件25上的焊炬单元7。

支承件25包括一垂直打开的箱27和一板37，以29表示的箱27的前部 封闭部分设在一侧。

图3中可以看到，焊炬单元(是一直线管)被从内部供给保护型导电 焊丝31。在通过该焊炬单元之前，上述焊丝由两套压轮对33a、33b；35a、 35b拉直。

焊炬单元刚性固定到可移动地安装到板37上的箱27上。板37是一用 于将箱27固定到构架3上的连接元件。

板37包括一通过一槽39配合在构架中的水平板元件37a和一箱27固定 到其上的垂直板元件41。

用于这种固定的参照位置是焊炬处于垂直状态的位置。

优选地，箱27适于相对于其固定垂直元件41滑动，从而当机器人正 确设置在铁轨上时(图3中所示可变距离e)，焊炬单元7的焊接头7a的 垂直位置可相对于铁轨13很容易地改变。一旋钮43用于锁定焊接头7a的 提升高度。

焊炬7还能够可旋转地绕轴线44移动(见图4)，该轴线44平行于在 支承/夹持装置11a、11b之间延伸的轴线45。

如图4所示，焊炬单元可相对于铅垂面倾斜到最大约30°，因而更容 易靠近铁轨的侧边缘15a或15b进行焊接。

图4中可以注意到，图示的两个位置表示焊接头的旋转和可能的垂直 运动。

旋钮47用于固定该角向位置。

板37可平行于轴线45在水平槽39中移动。

另外，在该例子中，板37适于沿垂直于轴线45的水平方向51前后移 动。

上述两个方向分别用X和Y表示。

焊炬单元沿上述方向X和Y的运动是通过与一齿条齿轮系统相连的马 达(特别是电机)52实现的。

这种电机还可能驱动焊炬单元的垂直运动和/或其角定位(角α)。

如果焊炬单元可移动地安装到板37上，套筒28和焊丝盘29也可以这 样移动。

向焊丝盘29供应保护型焊丝，该保护型焊丝可具有卷状形状。

驱动和控制单元9对焊接进行控制。

单元9特别包括一与一键盘57连接的中央处理单元55，该键盘57包括 方向控制按钮61和如63表示的其它操作按钮(它可以是具有六个LEXAN 型的按钮或键的键盘)、以及一显示单元59。

由键盘57输入的数据产生指令并运行一由65表示的“焊接程序”。

该焊接程序是通过中央处理单元55和存储单元69运行的。

为了进行焊接，图5还示出电机52与驱动和控制单元9以及中央处理 单元55连接。

另外，上述中央处理单元还与一定位探测器71(也称作“用于记录 铁轨上焊接几何位置的读取装置”)相连。

定位探测器71与焊炬单元7和存储单元69连接，从而在进行焊接的“焊 接阶段”之前的预焊接(或初始)阶段读取(或记录)并存储铁轨上预 定的几何位置。

中央处理单元55还与向焊炬单元提供保护型焊丝的电机30连接，该 焊炬单元自身连接到一发电机73上，该发电机73适于在所要求的时间间 隔内产生电能(电压，强度)，以获得所需的焊接条件。

发电机73和计时器74由中央处理单元55控制。一电线72从发电机73 向焊炬单元供电(+极76；图4)。

利用这种控制/操作单元9，焊接工艺一般可以以下列方式进行：

首先，通过用支承/夹持装置11a、11b抓住上述铁轨而将机器人放置 在铁轨13上(见图2)。

这样，机器人沿轴线45(它是铁轨和支承/夹持装置11a、11b的纵轴 线)自定位，而焊炬单元7假定设置在其支承板37上。

在预操作阶段，操作者通过相应的控制按钮，如按钮63驱动连系装 置57，从而运行焊接程序65的上述“预操作阶段”，并开始读取焊接区 域的焊接几何数据(见图6)。

更精确地，程序65的流程图使操作者操作一以75示意性表示的第一 控制装置(连系装置)，这使操作者通过操作方向按钮61并借助于电机 52而自操作焊炬单元的位移。

图5中点划线77表示指定的“手动”操作。

最初，焊炬单元7位于其起始位置，称作“参照位置”A0。上述参 照位置可由操作者调节，因而上述位置是区域16的一典型位置，如图6 中所示的区域的角部。

一旦确定，在显示在屏幕59上的程序65请求之后，就由定位探测器71 记录该位置A0。记录的数据然后存储在存储单元69中。

从上述参照位置A0开始，操作者基本上在区域16的周缘(或周边) 前面移动焊炬单元。

建议通过沿轴线X(45)和Y(51)方向移动焊炬单元而对上述区域 进行标定。

因此，如图6所示，可以定位(或测定)三个基址A0、B0、C0，特 别是在沿轴线X和Y移动焊炬单元之后。

通过这样定位，所示平行四边形的四个角中的三个可以定位和存储 在机器人的存储单元中。

根据这三个基址，中央处理单元可以参考预定形状(平行四边形， 矩形，三角形…)计算将焊接的区域16的表面(面积)。

在上述预操作状态的最后，由探测器71定位的几何定位基址被存储 在存储单元69中。

然后，操作者可以起动程序65的下列步骤：在显示在显示屏69上的 数据请求之后，操作者可以特别起动有效焊接，也称作“可操作焊接阶 段”的下列步骤。

此时，如上所述，调节焊炬单元7的抬起(高度)和/或角向位置可 能是有用的。

一旦焊炬单元位于适当位置，在由操作者实施屏幕59上显示的程序65 的确定步骤之后，程序65通过操作以79表示的第二控制装置而自动运行 焊接操作阶段。

在程序步骤进行过程中，中央处理单元59连续将焊炬单元放置到其 初始参照位置A0，并以适当的焊接类型所要求的速度沿轴线X和Y移动 焊炬单元。此时，焊炬单元由发电机73提供电能，并被供应保护型焊丝。

根据编程的指令和数据(特别是在由探测器71获取读数之后存储在 存储单元69中的数据)，可用各种方式在将焊接的区域16表面前方移动 焊炬单元，如图6中以点划线表示的方式(在该例子中，焊炬单元在平 行四边形的范围内移动，该平行四边形的四个角中的三个与所读取和存 储的基址A0、B0、C0对应)。

由于存在多种焊接形式(例如所谓“TIG”焊接：以恒定电流强度 焊接，或者“MIG”焊接：以恒定电压焊接)，最初选择一种确定类 型的焊接用于运行程序65，如“MIG”焊接，图7中示出了其曲线(示 出作为电弧强度A的函数的电弧电压V，成一连续直线)。

一旦由焊炬单元“扫描”或扫过焊接表面16，上述焊炬单元的移动 就会停止(这种移动可能已经从基址A0到达基址C0)。

可以用不同的连续焊道来沉积焊接材料并填充检测区域16。

例如，可由程序自动操作两个连续焊道，包括一允许操作者清理焊 接区域并清理焊接材料突起的中间步骤。在第二焊道末端，对区域16的 完整的填充使铁轨基本成为平的和连续的表面，而不再有孔。

为了保护操作者，可用一可移动的盖(未示出)履盖焊炬单元和将 焊接的铁轨区域。

为了控制所产生的电弧，还建议向焊接装置提供一适于测量焊接电 压的第一附加电缆，及一适于测量(记录)在焊炬单元中循环的焊接电 流强度的第二附加电缆(电缆未示出)。

焊炬单元通过电线72(+)供电。

更精确地，一导电接触盘78连接到电线72上用于使金属保护型焊丝31 (也称作“焊条”)带电，该保护型焊丝31的头部31a伸到焊炬单元的 自由端7a外部。铁轨13是“地线”。然后对头部31a与铁轨之间的距离e 进行调节以产生电弧80，从而使焊条31的金属沉积到要填充的孔或槽16 中。

如上所述，事先已经将具体焊接特征(如例子中的“MIG”)输入 到存储单元中的焊接程序中。

在程序的一个确定步骤，可允许操作者在不同焊接类型中选择。

例如，可选择“TIG”类型的焊接操作，从而可操作图7中点划线表 示的程序V/A。

图5中，一“第三控制装置”81(设置在键盘57上并与中央处理单元 55相连接)示意性地示出了允许在不同类型焊接操作之间进行选择的连 系装置电路。

在向焊炬单元提供上述焊丝之前，可由操作者在各种保护型焊丝(例 如气体保护焊丝)之间进行选择。

图5中，参考数字83示意性地示出了能够使操作者向机器人提供数据 的第四控制装置，该数据表示他决定放入焊丝盘29中的保护型焊丝的类 型。

这种选择对于焊接一般由合金钢制成(化学或物理化学地与纵向铁 轨不同)的铁路道岔是很有用的。

与上述相关，可以决定进一步选择进行焊接操作的“铁轨或类似物 体”的类型。

这是“第五控制装置”85的目的，该第五控制装置85允许操作者向 机器人提供表示所确定的分程序的数据，该分程序将被运行而起动特别 适于所选择铁轨的相应焊接操作。

应该注意，对不同类型的保护型焊丝、不同类型的焊接操作(TIG, MIG)、不同类型的铁轨(由特种钢制造的纵向铁轨，由另一种钢制造 的铁路道岔…)进行的选择会引起用于操作电机30和/或电机52的操作程 序的改变，以及由中央处理单元55记录的数据的改变。但所有这些指令 和数据都是在焊接程序65中处理的。

特别是如果机器人经常沿铁轨或类似物体移动的话，可以考虑使构 架3机动化，并为机器人设置轮子(来代替钩11a,11b)。图8中的90示 意性地表示了解决方案，用于使构架沿铁轨滚动。

至少三个轮子是有用的：两个作为钩11a、11b替换物的轮子(从而 使两个轮子和焊炬单元7沿共同的轴线45基本对齐)及一个定位在位于 构架后部的轴(未示出)的自由端的第三轮子，使上述第三轮子设置在 机器人沿其设置的铁轨对的第二铁轨上(见图1中用91表示的铁轨)。

特别是为了修理铁路道岔，建议用适于沿上述轴线45驱动轮91的电 机93替换用于沿水平轴线45纵向移动焊炬单元的电机52。

为了驱动或控制电机93，图5中示出一个设置在中央处理单元55和电 机52之间的开关元件95(继电器)。响应自动显示在屏幕59上的程序65 的请求，开关95可操作地连接到由操作者通过键盘57操作的第六控制装 置97上。

因此，如果操作者回答上述提问并向机器人发出相应指令，控制连 系装置将开始沿纵向轴线45(X轴线)移动焊炬单元和构架，而电机52 仅沿轴线51(Y轴线)精确移动焊炬单元。这个过程在预操作阶段(读 取和存储焊接区域的周边界限或轮廓)以及随后的操作焊接阶段进行。

应该理解，可以将全部或部分“控制装置”75、79、81、83…97相 互组合在一起，以改进焊接条件(特别是焊炬单元移动速度、发出的电 压或电流强度、焊接时间、用保护型焊丝填充焊炬单元的速度)。

还应该理解，在焊接时读取大气温度是有用的。

因此，图5中示意性地示出了一大气温度探测器89。这样的温度读数 记录在存储器69中，焊接程序中预定的指令使用这些数据以改变由发电 机73发出的电能，这种改变是随着焊接时的外部气候条件而进行的(通 过该方法，送到焊炬单元的电能、向上述焊炬单元供应这种电能的时间、 以及焊炬的移动速度都可以进行调节)。

机器人还可以设置一个电子数据读取器101，该读取器101适于读取 例如登记在一适当支承件(例如固定到铁轨或类似物体上的板)上的条 形码。

对于有关这种电子数据读取器101(例如一光学笔)或者有关温度探 测器89的每个信息，可以参考FR-A-2572326(特别是第4页第24行至第5 页第28行)，其内容这里作为参考而被引入。

应该理解，本发明的机器人可用于各种铁轨，如铁路铁轨，地下铁 轨，有轨电车铁轨，…包括形状不同于所示形状的铁轨。

还应该理解，预操作(或初始)读取可能通过一特定的探测器或电 子读取器代替焊炬单元7和探测器71来进行。但是，不建议这种方案。

另外，为了用所要求数量的焊接材料填充区域16(这种操作经常称 作“再填充”)，可以在区域前方进行焊炬单元的不同移动，如纵向和 横向移动的组合。