(57)【要約】【課題】  付加製造のためのロケーションフィードバックを提供するシステムおよび方法を提供する。【解決手段】  ロボット溶接付加製造プロセス中に高さ誤差を補正するためのシステムおよび方法。現在の溶接層を作製する際のロボット溶接付加製造プロセス中、溶接出力電流およびワイヤ送給速度の一方または両方がサンプリングされる。溶接出力電流およびワイヤ送給速度の少なくとも一方または両方に基づいて複数の瞬時コンタクトチップ−母材間距離（ＣＴＷＤ）が決定される。複数の瞬時ＣＴＷＤに基づいて平均ＣＴＷＤが決定される。少なくとも平均ＣＴＷＤに基づいて、現在の溶接層の高さの任意の誤差を補償するために用いられる補正係数が生成される。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶接電力源を含む溶接システムであって、前記溶接電力源は、
３Ｄ母材部分の現在の溶接層を作製する間のロボット溶接付加製造プロセス中、瞬時パラメータ対をリアルタイムでサンプリングすることであって、前記瞬時パラメータ対の各瞬時パラメータ対は、溶接出力電流およびワイヤ送給速度を含む、サンプリングすることと、
前記現在の溶接層の作製中に各パラメータ対がサンプリングされるのに従い、前記瞬時パラメータ対の各パラメータ対について、かつ少なくとも各パラメータ対に基づいて、瞬時コンタクトチップ−母材間距離をリアルタイムで決定することと、
前記現在の溶接層の作製中に各瞬時コンタクトチップ−母材間距離が決定されるのに従い、各瞬時コンタクトチップ−母材間距離に基づいて移動平均コンタクトチップ−母材間距離をリアルタイムで決定することと、
少なくとも前記移動平均コンタクトチップ−母材間距離に基づいて、前記３Ｄ母材部分の前記現在の溶接層を作製する間、前記現在の溶接層のための所望の堆積レベルからの堆積レベルの逸脱を補償するためにリアルタイムで用いられる補正係数を生成することと
を行うように構成されている、溶接システム。
【請求項２】
前記瞬時コンタクトチップ−母材間距離は、溶接出力電圧、溶接電極の種類、溶接電極の直径、および用いられるシールドガスの１つ以上にさらに基づく、請求項１に記載の溶接システム。
【請求項３】
前記移動平均コンタクトチップ−母材間距離は、前記瞬時コンタクトチップ−母材間距離の単純な移動算術平均、または前記瞬時コンタクトチップ−母材間距離の重み付き移動平均の１つである、請求項１に記載の溶接システム。
【請求項４】
前記溶接電力源は、
少なくとも部分的に前記移動平均コンタクトチップ−母材間距離を目標値コンタクトチップ−母材間距離と比較することにより、前記補正係数を生成することと、
前記現在の溶接層の作製中に前記補正係数に応じて前記溶接システムの移動速度、溶接継続時間、またはワイヤ送給速度の１つ以上をリアルタイムで調整することと
を行うようにさらに構成されている、請求項１に記載の溶接システム。
【請求項５】
前記補正係数に応じて前記移動速度を調整することは、事前設定移動速度を考慮することを含み、
前記補正係数に応じて前記溶接継続時間を調整することは、事前設定溶接継続時間を考慮することを含み、および
前記補正係数に応じて前記ワイヤ送給速度を調整することは、事前設定ワイヤ送給速度を考慮することを含む、請求項４に記載の溶接システム。
【請求項６】
前記補正係数は、前記３Ｄ母材部分に対応する３Ｄモデルパラメータ、または前記現在の溶接層のための現在の溶接作業のためにロボットコントローラによって提供されたロボットパラメータの１つ以上にさらに基づく、請求項１に記載の溶接システム。
【請求項７】
前記３Ｄモデルパラメータおよびロボットパラメータは、前記現在の溶接層の指定高さ、または前記現在の溶接層のための溶接工具の指定位置の１つ以上を含む、請求項６に記載の溶接システム。
【請求項８】
前記溶接電力源と動作可能に通信するように構成されたロボットコントローラを有するロボットをさらに含む、請求項１に記載の溶接システム。
【請求項９】
前記ロボットに動作可能に接続された溶接工具をさらに含む、請求項８に記載の溶接システム。
【請求項１０】
前記溶接工具および前記溶接電力源に動作可能に接続されたワイヤ送給装置をさらに含む、請求項９に記載の溶接システム。
【請求項１１】
溶接電力源を含む溶接システムであって、前記溶接電力源は、
３Ｄ母材部分の現在の溶接層を作製する間のロボット溶接付加製造プロセス中、瞬時パラメータ対をリアルタイムでサンプリングすることであって、前記瞬時パラメータ対の各瞬時パラメータ対は、溶接出力電流およびワイヤ送給速度を含む、サンプリングすることと、
前記現在の溶接層の作製中に各パラメータ対がサンプリングされるのに従い、前記瞬時パラメータ対の各パラメータ対について、かつ少なくとも各パラメータ対に基づいて、瞬時コンタクトチップ−母材間距離をリアルタイムで決定することと、
前記現在の溶接層の作製中に各瞬時コンタクトチップ−母材間距離が決定されるのに従い、各瞬時コンタクトチップ−母材間距離に基づいて移動平均コンタクトチップ−母材間距離をリアルタイムで決定することと、
前記現在の溶接層全体にわたって決定された各瞬時コンタクトチップ−母材間距離に基づいて総平均コンタクトチップ−母材間距離を決定することと、
前記現在の溶接層の作製中に前記移動平均コンタクトチップ−母材間距離に応じて前記溶接システムの溶接継続時間、移動速度、またはワイヤ送給速度の１つ以上をリアルタイムで調整することと、
少なくとも前記総平均コンタクトチップ−母材間距離に基づいて前記３Ｄ母材部分の次の溶接層を作製する際に用いられる補正係数を生成することと
を行うように構成されている、溶接システム。
【請求項１２】
前記溶接電力源は、コントローラを含み、前記コントローラは、
前記瞬時コンタクトチップ−母材間距離を決定することと、
前記移動平均コンタクトチップ−母材間距離を決定することと、
前記総平均コンタクトチップ−母材間距離を決定することと、
前記現在の溶接層の前記作製中に前記溶接継続時間、前記移動速度、または前記ワイヤ送給速度の１つ以上を調整することと、
前記次の溶接層を作製する際に用いられる前記補正係数を生成することと
を行うように構成されている、請求項１１に記載の溶接システム。
【請求項１３】
前記瞬時コンタクトチップ−母材間距離は、溶接出力電圧、溶接電極の種類、溶接電極の直径、および用いられるシールドガスの１つ以上にさらに基づく、請求項１１に記載の溶接システム。
【請求項１４】
前記移動平均コンタクトチップ−母材間距離に応じて前記移動速度を調整することは、事前設定移動速度を考慮することを含み、
前記移動平均コンタクトチップ−母材間距離に応じて前記溶接継続時間を調整することは、事前設定溶接継続時間を考慮することを含み、および
前記移動平均コンタクトチップ−母材間距離に応じて前記ワイヤ送給速度を調整することは、事前設定ワイヤ送給速度を考慮することを含む、請求項１１に記載の溶接システム。
【請求項１５】
前記補正係数は、前記３Ｄ母材部分に対応する３Ｄモデルパラメータ、または前記次の溶接層のための次の溶接作業のためにロボットコントローラによって提供されたロボットパラメータの１つ以上にさらに基づく、請求項１１に記載の溶接システム。
【請求項１６】
前記３Ｄモデルパラメータおよびロボットパラメータは、前記次の溶接層の指定高さ、または前記次の溶接層のための溶接工具の指定位置の１つ以上を含む、請求項１５に記載の溶接システム。
【請求項１７】
前記総平均コンタクトチップ−母材間距離は、前記現在の溶接層全体にわたって決定された前記瞬時コンタクトチップ−母材間距離の単純な算術平均、前記現在の溶接層全体にわたって決定された前記瞬時コンタクトチップ−母材間距離の重み付き平均、または前記現在の溶接層全体にわたって決定された前記瞬時コンタクトチップ−母材間距離の移動平均の１つである、請求項１１に記載の溶接システム。
【請求項１８】
前記溶接電力源と動作可能に通信するように構成されたロボットコントローラを有するロボットをさらに含む、請求項１１に記載の溶接システム。
【請求項１９】
前記ロボットに動作可能に接続された溶接工具をさらに含む、請求項１８に記載の溶接システム。
【請求項２０】
前記溶接工具および前記溶接電力源に動作可能に接続されたワイヤ送給装置をさらに含む、請求項１９に記載の溶接システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本米国特許出願は、２０１３年１０月２２日に出願された米国仮特許出願第６１／８９４，０３５号明細書の利益およびそれに対する優先権を主張する２０１３年１２月１９日に出願された米国特許出願第１４／１３４，１８８号明細書の一部継続（ＣＩＰ）である。これらの両方の出願は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。
【０００２】
本発明の特定の実施形態は、アーク溶接に関する。より詳細には、本発明の特定の実施形態は、ロボット溶接付加製造プロセスのためのロケーションフィードバックを提供するシステムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
ロボット溶接付加製造プロセス中、母材部分を作製するために金属材料の連続層が構築される。ロボット溶接ユニットが、ロボット溶接ユニットのロボットコントローラによって指令されたとおりに母材部分を経時的に層ごとに構築するために用いられる。ロボットコントローラは、付加（層ごとの）製造プロセスを用いて作製される母材部分の３Ｄモデルを読み込むソフトウェアを含み得る。ロボットコントローラは３Ｄモデルを複数の層にプログラムで分割し、部分の構築を遂行するために個々の層の各々の溶接経路を計画する。層ごとに期待溶接堆積が決定され、その結果、堆積された層ごとの期待高さが得られる。しかし、実際の層ごとの溶接が進行するのに従い、任意の所与の層について実際に得られた高さは、例えば、母材部分基板の表面条件（例えば、基板上の温度または位置）、および特定の溶接パラメータが制御され得る精度などの因子のため、期待または所望される高さから逸脱し得る。
【０００４】
このようなシステムおよび方法と、本出願の残りの部分において図面を参照して説明されているとおりの本発明の実施形態との比較を通じて、従来の、伝統的な、および提案されているアプローチのさらなる限界および不利点が当業者に明らかになるであろう。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第６，７７２，９３２号
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
ロボット溶接付加製造プロセス中に高さ誤差を補正するためのシステムおよび方法が提供される。現在の溶接層を作製する際のロボット溶接付加製造プロセス中、溶接出力電流およびワイヤ送給速度の一方または両方がサンプリングされる。溶接出力電流およびワイヤ送給速度の少なくとも一方または両方に基づいて複数の瞬時コンタクトチップ−母材間距離（ＣＴＷＤ）が決定される。複数の瞬時ＣＴＷＤに基づいて平均ＣＴＷＤが決定される。少なくとも平均ＣＴＷＤに基づいて、現在の溶接層および／または次の溶接層の高さの任意の誤差を補償するために用いられる補正係数が生成される。
【０００７】
一実施形態では、溶接電力源を有する溶接システムが提供される。溶接電力源は、３Ｄ母材部分の現在の溶接層を作製する間のロボット溶接付加製造プロセス中、瞬時パラメータ対をリアルタイムでサンプリングするように構成されている。瞬時パラメータ対の各瞬時パラメータ対は、溶接出力電流およびワイヤ送給速度を含む。溶接電力源はまた、現在の溶接層の作製中に各パラメータ対がサンプリングされるのに従い、瞬時パラメータ対の各パラメータ対について、かつ少なくとも各パラメータ対に基づいて、瞬時コンタクトチップ−母材間距離をリアルタイムで決定するように構成されている。溶接電力源は、現在の溶接層の作製中に各瞬時コンタクトチップ−母材間距離が決定されるのに従い、各瞬時コンタクトチップ−母材間距離に基づいて移動平均コンタクトチップ−母材間距離をリアルタイムで決定するようにさらに構成されている。溶接電力源はまた、補正係数を生成するように構成されている。補正係数は、少なくとも移動平均コンタクトチップ−母材間距離に基づき、かつ３Ｄ母材部分の現在の溶接層を作製する間、現在の溶接層のための所望の堆積レベルからの堆積レベルの逸脱を補償するためにリアルタイムで用いられるものである。一実施形態では、瞬時コンタクトチップ−母材間距離は、溶接出力電圧、溶接電極の種類、溶接電極の直径、または用いられるシールドガスの１つ以上にさらに基づき得る。移動平均コンタクトチップ−母材間距離は、瞬時コンタクトチップ−母材間距離の単純な移動算術平均または重み付き平均の１つであり得る。一実施形態では、溶接電力源は、少なくとも部分的に移動平均コンタクトチップ−母材間距離を目標値コンタクトチップ−母材間距離と比較することにより、補正係数を生成するように構成されている。溶接電力源はまた、現在の溶接層の作製中に補正係数に応じて溶接システムの移動速度、溶接継続時間、またはワイヤ送給速度の１つ以上をリアルタイムで調整するように構成され得る。補正係数に応じて移動速度を調整することは、事前設定移動速度を考慮することを含み得る。補正係数に応じて溶接継続時間を調整することは、事前設定溶接継続時間を考慮することを含み得る。補正係数に応じてワイヤ送給速度を調整することは、事前設定ワイヤ送給速度を考慮することを含み得る。一実施形態では、補正係数は、３Ｄ母材部分に対応する３Ｄモデルパラメータ、または現在の溶接層のための現在の溶接作業のためにロボットコントローラによって提供されたロボットパラメータの１つ以上にさらに基づく。３Ｄモデルパラメータおよびロボットパラメータは、現在の溶接層の指定高さ、または現在の溶接層のための溶接工具の指定位置の１つ以上を含み得る。一実施形態では、溶接システムは、溶接電力源と動作可能に通信するように構成されたロボットコントローラを有するロボットを含む。一実施形態では、溶接システムは、ロボットに動作可能に接続された溶接工具を含む。一実施形態では、溶接システムは、溶接工具および溶接電力源に動作可能に接続されたワイヤ送給装置を含む。
【０００８】
一実施形態では、溶接電力源を有する溶接システムが提供される。溶接電力源は、３Ｄ母材部分の現在の溶接層を作製する間のロボット溶接付加製造プロセス中、瞬時パラメータ対をリアルタイムでサンプリングするように構成されている。瞬時パラメータ対の各瞬時パラメータ対は、溶接出力電流およびワイヤ送給速度を含む。溶接電力源はまた、現在の溶接層の作製中に各パラメータ対がサンプリングされるのに従い、瞬時パラメータ対の各パラメータ対について、かつ少なくとも各パラメータ対に基づいて、瞬時コンタクトチップ−母材間距離をリアルタイムで決定するように構成されている。溶接電力源は、現在の溶接層の作製中に各瞬時コンタクトチップ−母材間距離が決定されるのに従い、各瞬時コンタクトチップ−母材間距離に基づいて移動平均コンタクトチップ−母材間距離をリアルタイムで決定するようにさらに構成されている。溶接電力源はまた、現在の溶接層全体にわたって決定された各瞬時コンタクトチップ−母材間距離に基づいて総平均コンタクトチップ−母材間距離を決定するように構成されている。溶接電力源は、現在の溶接層の作製中に移動平均コンタクトチップ−母材間距離に応じて溶接システムの溶接継続時間、移動速度、またはワイヤ送給速度の１つ以上をリアルタイムで調整するようにさらに構成されている。溶接電力源はまた、少なくとも総平均コンタクトチップ−母材間距離に基づいて３Ｄ母材部分の次の溶接層を作製する際に用いられる補正係数を生成するように構成されている。一実施形態によれば、溶接電力源は、瞬時コンタクトチップ−母材間距離を決定することと、移動平均コンタクトチップ−母材間距離を決定することと、総平均コンタクトチップ−母材間距離を決定することと、現在の溶接層の作製中に溶接継続時間、移動速度、またはワイヤ送給速度の１つ以上を調整することと、次の溶接層を作製する際に用いられる補正係数を生成することとを行うように構成されたコントローラを含む。一実施形態では、瞬時コンタクトチップ−母材間距離は、溶接出力電圧、溶接電極の種類、溶接電極の直径、または用いられるシールドガスの１つ以上にさらに基づく。一実施形態では、移動平均コンタクトチップ−母材間距離に応じて移動速度を調整することは、事前設定移動速度を考慮することを含む。移動平均コンタクトチップ−母材間距離に応じて溶接継続時間を調整することは、事前設定溶接継続時間を考慮することを含む。移動平均コンタクトチップ−母材間距離に応じてワイヤ送給速度を調整することは、事前設定ワイヤ送給速度を考慮することを含む。一実施形態では、補正係数は、３Ｄ母材部分に対応する３Ｄモデルパラメータ、または次の溶接層のための次の溶接作業のためにロボットコントローラによって提供されたロボットパラメータの１つ以上にさらに基づく。３Ｄモデルパラメータおよびロボットパラメータは、次の溶接層の指定高さ、または次の溶接層のための溶接工具の指定位置の１つ以上を含み得る。総平均コンタクトチップ−母材間距離は、現在の溶接層全体にわたって決定された瞬時コンタクトチップ−母材間距離の単純な算術平均、現在の溶接層全体にわたって決定された瞬時コンタクトチップ−母材間距離の重み付き平均、または現在の溶接層全体にわたって決定された瞬時コンタクトチップ−母材間距離の移動平均の１つである。一実施形態では、溶接システムは、溶接電力源と動作可能に通信するように構成されたロボットコントローラを有するロボットと、ロボットに動作可能に接続された溶接工具と、溶接工具および溶接電力源に動作可能に接続されたワイヤ送給装置とを含む。
【０００９】
本発明の例示された実施形態の詳細は、以下の説明および図面からより詳細に理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】ロボット溶接セルユニットの例示的な実施形態を示す。
【図２】消耗溶接電極および母材部分に動作可能に接続された図１のロボット溶接セルユニットの溶接電力源の例示的な実施形態の概略ブロック図を示す。
【図３】付加製造アーク溶接プロセス中に母材部分と相互作用する溶接ワイヤ電極を提供する、図１のロボット溶接セルユニットの溶接ガンの一部分の例示的な実施形態の図を示す。
【図４Ａ−４Ｂ】アークの存在を伴うおよびそれを伴わないコンタクトチップ−母材間距離（ＣＴＷＤ）の概念である。
【図５】特定の種類の溶接ガスが用いられる場合の所与のワイヤ送給速度におけるアーク溶接プロセスについての、同じ種類のものであるが、２つの異なるサイズのものである、２つの異なる溶接ワイヤのためのＣＴＷＤと溶接出力電流（アンペア数）との間の関係を示す２つのプロットを有する２次元グラフの例示的な実施形態を示す。
【図６】特定の種類の溶接ガスが提供される場合のアーク溶接プロセスについての、特定の種類およびサイズのものであるＣＴＷＤと、溶接出力電流（アンペア数）と、ワイヤ送給速度との間の関係を示す３次元グラフの例示的な実施形態を示す。
【図７】実際の瞬時ＣＴＷＤを決定するように構成された図２の溶接電力源のコントローラの一部分の例示的な実施形態を示す。
【図８】瞬時ＣＴＷＤから経時的な平均ＣＴＷＤを決定し、補正係数を計算するように構成された図２の溶接電力源のコントローラの一部分の例示的な実施形態を示す。
【図９】ロボット溶接付加製造プロセス（ＲＷＡＭＰ）中、付加製造の高さ誤差を層ごとに補正するための方法の一実施形態のフローチャートを示す。
【図１０】図９の方法を採用したロボット溶接付加製造プロセスの一例を示す。
【図１１】現在の溶接層のための所望の堆積レベルからの堆積レベルの逸脱を補償するための、図２の溶接電力源のコントローラの一部分の例示的な実施形態を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
下記のものは、本開示で用いられる場合がある例示的な用語の定義である。全ての用語の単数形および複数形の両方が各々の意味の範囲に含まれる。
【００１２】
「ソフトウェア」または「コンピュータプログラム」は、本明細書で使用するとき、限定するものではないが、コンピュータまたは他の電子デバイスに機能、アクションを遂行させ、および／または所望の方法で挙動させる１つ以上のコンピュータ可読および／または実行可能命令を含む。命令は、動的にリンクされたライブラリからの別個のアプリケーションまたはコードを含む、ルーチン、アルゴリズム、モジュールまたはプログラムなどの様々な形態で具体化され得る。ソフトウェアはまた、独立型プログラム、関数呼び出し、サーブレット、アプレット、アプリケーション、メモリ内に記憶された命令、オペレーティングシステムの一部、または他の種類の実行可能命令などの様々な形態で実装され得る。ソフトウェアの形態は、例えば、所望のアプリケーションの要求事項、アプリケーションが実行する環境、および／または設計者／プログラマの希望、あるいは同様のものに依存することが当業者によって理解されるであろう。
【００１３】
「コンピュータ」または「処理要素」または「コンピュータデバイス」は、本明細書で使用するとき、限定するものではないが、データを記憶し、取り込み、処理することができる任意のプログラムされたまたはプログラム可能な電子デバイスを含む。「非一時的コンピュータ可読媒体」としては、限定するものではないが、ＣＤ−ＲＯＭ、着脱式フラッシュメモリカード、ハードディスクドライブ、磁気テープ、およびフロッピーディスクが挙げられる。
【００１４】
「溶接工具」は、本明細書で使用するとき、限定するものではないが、溶接ガン、溶接トーチ、または溶接電力源によって提供された電力を消耗溶接ワイヤに印加する目的で消耗溶接ワイヤを受け入れる任意の溶接デバイスを指す。
【００１５】
「溶接出力回路経路」は、本明細書で使用するとき、溶接電力源の溶接出力の第１の側から第１の溶接ケーブル（または溶接ケーブルの第１の側）を通して溶接電極へ至り、母材へ（溶接電極と母材との間の短絡またはアークのいずれかを通して）至り、第２の溶接ケーブル（または溶接ケーブルの第２の側）を通して溶接電力源の溶接出力の第２の側へ戻る電気経路を指す。
【００１６】
「溶接ケーブル」は、本明細書で使用するとき、溶接電極と母材との間にアークを作り出すための電力を提供するための、溶接電力源と溶接電極および母材との間に（例えば、溶接ワイヤ送給装置を通して）接続され得る電気ケーブルを指す。
【００１７】
「溶接出力」は、本明細書で使用するとき、溶接電力源の電気出力回路機構または出力ポートもしくは端子、あるいは溶接電力源の電気出力回路機構または出力ポートによって提供される電力、電圧、または電流を指し得る。
【００１８】
「コンピュータメモリ」は、本明細書で使用するとき、コンピュータまたは処理要素によって取得され得るデジタルデータまたは情報を記憶するように構成された記憶デバイスを指す。
【００１９】
「コントローラ」は、本明細書で使用するとき、溶接電力源または溶接ロボットを制御することに関与する論理回路機構および／または処理要素、ならびに関連ソフトウェアまたはプログラムを指す。
【００２０】
用語「信号」、「データ」、および「情報」は本明細書において交換可能に用いられ得、デジタルまたはアナログ形式のものであり得る。
【００２１】
用語「溶接パラメータ」は本明細書において広く用いられ、溶接出力電流波形の一部分の特徴（例えば、振幅、パルス幅もしくは継続時間、勾配、電極極性）、溶接プロセス（例えば、ショートアーク溶接プロセスもしくはパルス溶接プロセス）、ワイヤ送給速度、変調周波数、または溶接移動速度を指し得る。
【００２２】
図１を参照すると、ロボット溶接セルユニット１０は、概して、フレーム１２、フレーム内に配置されたロボット１４、およびフレーム内に同様に配置された溶接台１６を含む。ロボット溶接セルユニット１０は、本明細書でにおいて以下でより詳細に説明されるように、付加製造プロセスを通じて基板上に母材部分２２を構築するために有用である。
【００２３】
図示の実施形態では、フレーム１２は、ロボット１４および溶接台１６を囲うための複数の側壁およびドアを含む。実質的に長方形の構成が平面図で示されているが、フレーム１２、およびユニット１０は多くの構成を取ることができる。
【００２４】
フレームの内部へのアクセスを提供するためのフロントアクセスドア２６がフレーム１２に装着されている。同様に、リアアクセスドア２８が同じくフレーム１２に装着されている。いずれのドア上にも窓３２を設けることができる（フロントドア２６上にのみ図示されている）。窓は、当技術分野において知られている色付き安全スクリーンを含むことができる。
【００２５】
制御パネル４０がフレーム１２上にフロントドア２６に隣接して設けられている。制御パネル４０上に設けられた制御ノブおよび／またはスイッチは、フレーム１２に同様に装着された制御装置密閉箱４２内に収容された制御装置と通信する。制御パネル４０上の制御装置は、ユニット１０において遂行される作業を、周知の溶接セルユニットとともに用いられる制御装置と同様の方法で制御するために用いることができる。
【００２６】
一実施形態によれば、ロボット１４は、支持体（図示せず）上に装着された台座上に装着されている。図示の実施形態において用いられるロボット１４は、ＦＡＮＵＣ  Ｒｏｂｏｔｉｃｓ  Ａｍｅｒｉｃａ，Ｉｎｃ．から入手可能なＡＲＣ  Ｍａｔｅ（登録商標）１００／Ｂｅロボットであることができる。他の同様のロボットを用いることもできる。図示の実施形態におけるロボット１４は溶接台１６に対して位置決めされており、１１個の運動軸を含む。必要に応じて、台座（図示せず）は、ターレットと同様に支持体（図示せず）に対して回転することができる。したがって、何らかの駆動機構、例えば、モータおよび動力伝達装置（図示せず）が、ロボット１４を回転させるために台座および／または支持体内に収容され得る。
【００２７】
溶接ガン６０がロボットアーム１４の遠位端部に取り付けられている。溶接ガン６０は、当技術分野において知られているものと同様であることができる。可撓管または導管６２が溶接ガン６０に取り付けられている。容器６６内に蓄えられ得る消耗溶接電極ワイヤ６４が導管６２を通して溶接ガン６０へ送達される。例えば、Ｔｈｅ  Ｌｉｎｃｏｌｎ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｃｏｍｐａｎｙから入手可能なＰＦ１０  Ｒ−ｌｌワイヤ送給装置であり得るワイヤ送給装置６８が、溶接ガン６０への溶接ワイヤ６４の送達を促進するためにフレーム１２に取り付けられている。
【００２８】
ロボット１４は、フレーム１２の基部または下部に装着されるように示されているが、必要に応じて、ロボット１４は、（特許文献１）に開示されているロボットと同様の方法で装着され得る。すなわち、ロボットはフレームの上部構造に装着され、セルユニット１０内へと下方へ延在することができる。
【００２９】
図１に示される実施形態を再び参照すると、溶接作業のための溶接電力源７２がフレーム１２に接続され、その一部であり得るプラットフォーム７４に装着され、その上に載置されている。図示の実施形態における溶接電力源７２は、Ｔｈｅ  Ｌｉｎｃｏｌｎ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｃｏｍｐａｎｙから入手可能なＰＷ４５５Ｍ（非ＳＴＴ）である。しかし、他の好適な電力源を溶接作業のために用いることもできる。ロボット１４を制御するロボットコントローラ７６が同じくプラットフォーム７４上に載置され、装着されている。ロボットコントローラは、通例、ロボット１４に付随している。
【００３０】
ロボット溶接セルユニット１０はまた、シールドガス供給部（図示せず）を含み得る。動作中、ワイヤ送給装置６８、溶接ガン６０、シールドガス供給部、および溶接電力源７２は動作可能に接続され、当技術分野においてよく知られているように、溶接層を作製するために電気アークが溶接ワイヤと母材部分２２との間に作り出されることを可能にする。一実施形態によれば、ガスメタルアーク溶接（ＧＭＡＷ）プロセス中、溶接領域を、例えば、酸素または窒素などの大気気体から保護するためにシールドガスが用いられ得る。このような大気気体は、例えば、融合不良、脆化、および多孔性などの様々な溶接金属欠陥を生じさせ得る。
【００３１】
用いられるシールドガスまたはシールドガスの組み合わせの種類は、溶接される材料および溶接プロセスに依存する。提供されるシールドガスの流量は、シールドガスの種類、移動速度、溶接電流、溶接形状、および溶接プロセスの金属移行モードに依存する。不活性シールドガスはアルゴンおよびヘリウムを含む。しかし、例えば、二酸化炭素（ＣＯ２）および酸素などの他のシールドガスまたはガスの組み合わせを用いることが望ましい状況が存在し得る。一実施形態によれば、シールドガスはアーク溶接プロセス中に溶接工具へ供給されてもよく、それにより、溶接工具は溶接プロセス中にシールドガスを溶接領域へ分散させる。
【００３２】
溶接ワイヤまたは電極の選択は、付加的に溶接される母材部分の組成、溶接プロセス、溶接層の構成、および母材部分基板の表面条件に依存する。溶接ワイヤの選択は、得られた溶接層の機械的特性に大きく影響し得、溶接層の品質の主要な決定要因になり得る。得られた溶接金属層は、不連続、汚染物、または多孔性などの欠陥を有しない、ベース基板材料のもののような機械的特性を有することが望まれ得る。
【００３３】
既存の溶接ワイヤ電極は、多くの場合、酸素多孔性を防止することを促進するために、ケイ素、マンガン、チタン、およびアルミニウムなどの脱酸金属を比較的小さい割合で含有する。一部の電極は、窒素多孔性を回避するために、チタンおよびジルコニウムなどの金属を含有する場合がある。溶接プロセス、および上で溶接が行われるベース基板材料に依存して、ガスメタルアーク溶接（ＧＭＡＷ）において用いられる電極の直径は、通例、０．０２８〜０．０９５インチに及ぶが、０．１６インチという大きさにもなり得る。直径が概ね最大０．０４５インチの最も小さい電極は、短絡金属移行プロセスに関連付けることができ、一方でスプレー移行プロセスのために用いられる電極は、直径が少なくとも０．０３５インチであり得る。
【００３４】
図２は、消耗溶接電極６４および母材部分２２に動作可能に接続された図１のロボット溶接セルユニット１０の溶接電力源７２の例示的な実施形態の概略ブロック図を示す。溶接電力源７２は、溶接電極６４と母材部分２２との間の溶接出力電力を提供する電力変換回路１１０およびブリッジスイッチング回路１８０を有するスイッチング電源１０５を含む。電力変換回路１１０は、半ブリッジ出力トポロジを有する変圧器ベースのものであり得る。例えば、電力変換回路１１０は、例えば、溶接変圧器のそれぞれ一次側および二次側によって線引きされるとおりの入力電力側および出力電力側を含むインバータ型のものであり得る。例えば、ＤＣ出力トポロジを有するチョッパ型など、他の種類の電力変換回路も同様に可能である。電力源７２はまた、電力変換回路１１０に動作可能に接続されており、（例えば、ＡＣ溶接のための）溶接出力電流の極性の方向を切り替えるように構成されたブリッジスイッチング回路１８０を含む。
【００３５】
電力源７２は、波形生成器１２０およびコントローラ１３０をさらに含む。波形生成器１２０は、コントローラ１３０の指令により溶接波形を生成する。波形生成器１２０によって生成された波形は、電力変換回路１１０の出力を変調し、電極６４と母材部分２２との間の溶接出力電流をもたらす。コントローラ１３０はまた、ブリッジスイッチング回路１８０の切り替えを指令し、制御コマンドを電力変換回路１１０へ提供し得る。
【００３６】
溶接電力源７２は、電極６４と母材部分２２との間の溶接出力電圧および電流を監視し、監視された電圧および電流をコントローラ１３０へ返すための電圧フィードバック回路１４０および電流フィードバック回路１５０をさらに含む。フィードバック電圧および電流は、例えば、コントローラ１３０により、波形生成器１２０によって生成される溶接波形を変更することに関する決定を行い、および／または電力源７２の動作に影響を与える他の決定を行うために用いられ得る。一実施形態によれば、コントローラ１３０は、本明細書において後により詳細に説明されるように、溶接プロセス中のＣＴＷＤを決定し、ＣＴＷＤを用いて溶接継続時間（ＷＴＤ）および／またはワイヤ送給速度（ＷＦＳ）を調整するために用いられる。
【００３７】
一実施形態によれば、スイッチング電源１０５、波形生成器１２０、コントローラ１３０、電圧フィードバック回路１４０、および電流フィードバック回路１５０で溶接電力源７２を構成する。ロボット溶接セルユニット１０はまた、消耗ワイヤ溶接電極６４を、溶接ガン（溶接工具）６０を通して母材部分２２へ向けて、選択されたワイヤ送給速度（ＷＦＳ）で送給するワイヤ送給装置６８を含む。ワイヤ送給装置６８、消耗溶接電極６４、および母材部分２２は、溶接電力源７２の部分ではないが、１つ以上の溶接出力ケーブルを介して溶接電力源７２に動作可能に接続され得る。
【００３８】
図３は、付加製造アーク溶接プロセス中に母材部分２２と相互作用する溶接ワイヤ電極６４を提供する、図１のロボット溶接セルユニット１０の溶接ガン６０の一部分の例示的な実施形態の図を示す。溶接ガン６０は、絶縁導線管６１、電極導管６３、ガスディフューザ６５、コンタクトチップ６７、およびガン６０を通して送給するワイヤ電極６４を有し得る。制御スイッチまたはトリガ（図示せず）は、ロボット１４によって起動されると、ワイヤ送給、電力、およびシールドガスの流れを開始し、電極６４と母材部分２２との間に電気アークを確立させる。コンタクトチップ６７は導電性であり、溶接ケーブルを通じて溶接電力源７２に接続されており、電極６４を母材部分２２に向けて誘導しつつ、電気エネルギーを電極６４へ伝える。コンタクトチップ６７は、電極６４が電気接触を維持しつつ通過することを可能にするよう固定され、サイズ設定されている。
【００３９】
ワイヤ送給装置６８は、導管６２を通してコンタクトチップ６７まで電極６４を駆動し、電極６４を母材部分２２へ供給する。ワイヤ電極６４は一定の送給速度で送給され得るか、または送給速度はアーク長および溶接電圧に基づいて変更され得る。ワイヤ送給装置によっては、１２００ｉｎ／ｍｉｎという高さの送給速度に達することができるが、半自動式ＧＭＡＷのための送給速度は、通例、７５〜４００ｉｎ／ｍｉｎに及ぶ。
【００４０】
コンタクトチップ６７へ向かう途中、ワイヤ電極６４は、よじれの防止を促進し、ワイヤ電極６４の途切れない送給を維持する電極導管６３によって保護され、案内される。ガスディフューザ６５は、シールドガスを溶接区域内へ均一に誘導する。シールドガスのタンクからのガスホースがガスをガスディフューザ６５へ供給する。
【００４１】
図４Ａおよび図４Ｂは、アークの存在を伴うおよびそれを伴わないコンタクトチップ−母材間距離（ＣＴＷＤ）の概念である。図４Ａでは、ＣＴＷＤは、電極６４と母材部分２２との間にアークが確立されていない状態での、コンタクトチップ６７の端部と母材部分２２の最上層との間の距離として示されている。図４Ｂでは、ＣＴＷＤは、電極６４と母材部分２２との間にアークが確立された状態での、コンタクトチップ６７の端部と母材部分２２の最上層との間の距離として示されている。この場合も先と同様に、溶接プロセス中に一貫した所望のコンタクトチップ−母材間距離（ＣＴＷＤ）を保つことが重要である。概して、ＣＴＷＤが増大するにつれて、溶接電流は減少する。過度に長いＣＴＷＤは、溶接電極が過度に熱くなる原因となり得、またシールドガスも浪費し得る。さらに、所望のＣＴＷＤは溶接プロセスによって異なり得る。
【００４２】
一実施形態によれば、母材部分２２は、ロボットコントローラ７６によって指令されたとおりに経時的に層ごとに構築される。ロボットコントローラ７６は、付加（層ごとの）製造プロセスを用いて作製される母材部分２２の３Ｄモデルを読み込むソフトウェアを含む。ロボットコントローラ７６は３Ｄモデルを複数の層にプログラムで分割し、部分２２の構築を遂行するために個々の層の各々の溶接経路を計画する。層ごとに期待溶接堆積が決定され、その結果、堆積された層ごとの期待高さが得られる。しかし、実際の層ごとの溶接が進行するのに従い、任意の所与の層について実際に得られた高さは、例えば、母材部分基板の表面条件、および特定の溶接パラメータが制御され得る精度などの因子のため、期待または所望される高さから逸脱し得る。したがって、一実施形態によれば、本明細書において詳細に後述されるように、ＣＴＷＤが溶接プロセス中に層ごとに監視され、高さ寸法の誤差を補償するために用いられる。
【００４３】
図５は、特定の種類の溶接ガスが用いられる場合のアーク溶接プロセスについての、同じ種類のものであり、同じ固定速度で送給されるが、２つの異なる直径のものである、２つの異なる溶接ワイヤのためのＣＴＷＤと溶接出力電流（アンペア数）との間の関係を示す２つのプロット５１０および５２０を有する２次元グラフ５００の例示的な実施形態を示す。一実施形態によれば、溶接プロセス中の実際の瞬時ＣＴＷＤは、コントローラ１３０により、溶接出力電流（アンペア数）、溶接電極の種類、溶接電極の直径、ワイヤ送給速度（ＷＦＳ）、および用いられるシールドガスに基づいてリアルタイムで決定され得る。ＣＴＷＤが溶接プロセス中にリアルタイムで変化するのに従い、溶接出力電流（アンペア数）は、その変化を、該当するプロット（例えば、５１０または５２０）によって規定されるとおりにリアルタイムで反映することになる。実際のＣＴＷＤが溶接プロセス中にリアルタイムで変化するのに従い、コントローラ１３０は、電流フィードバック回路１５０からフィードバックされた溶接出力電流値を受信し、選択されたワイヤ電極の種類／直径、シールドガス混合物、およびワイヤ送給速度をあらかじめ知っていることで実際のＣＴＷＤを決定する。
【００４４】
一実施形態によれば、プロット５１０は、９０％のアルゴンシールドガスおよび１０％の二酸化炭素シールドガスの混合物を提供する溶接プロセスにおいて用いられる、０．０４５インチの直径を有し、軟鋼、銅被覆型のものである溶接ワイヤ電極に対応する。さらに、一実施形態によれば、プロット５２０は、９０％のアルゴンシールドガスおよび１０％の二酸化炭素シールドガスの同じ混合物を提供する溶接プロセスにおいて用いられる、０．０５２インチの直径を有し、同じ軟鋼、銅被覆型のものである溶接ワイヤ電極に対応する。図５から分かるように、同じ種類の溶接ワイヤの直径が、増大した直径に変更されるのに従い、ＣＴＷＤ対アンペア数の関係を表現するプロットは、グラフ５００の原点から外方へ移動する。
【００４５】
様々な実施形態によれば、溶接電極の種類、溶接電極の直径、ワイヤ送給速度、および用いられるシールドガスの組み合わせについてのＣＴＷＤとアンペア数との間の関係は、実験的にまたは理論に基づく分析を通じて決定され得る。このような関係が決定されると、関係は、コントローラ１３０内において、例えば、ルックアップテーブル（ＬＵＴ）として、または数学伝達関数もしくはアルゴリズムとして表されるかまたは記憶され得る。
【００４６】
代替実施形態によれば、ワイヤ送給速度（ＷＦＳ）は、溶接プロセス中、（例えば、アーク長および溶接電圧に基づいて）変動し得、したがって、ＬＵＴまたは数学伝達関数は、ＣＴＷＤに対する変化するワイヤ送給速度の効果を反映し得る。例えば、図６は、特定の種類の溶接ガスが提供される場合のアーク溶接プロセスについての、特定の種類およびサイズのものであるＣＴＷＤと、溶接出力電流（アンペア数）と、溶接ワイヤのためのワイヤ送給速度（ＷＦＳ）との間の関係を示す３次元グラフ６００の例示的な実施形態を示す。グラフ６００上のプロット６１０は面を形成する。一実施形態によれば、溶接プロセス中の実際の瞬時ＣＴＷＤは、コントローラ１３０により、溶接出力電流（アンペア数）、ワイヤ送給速度、溶接電極の種類、溶接電極の直径、および用いられるシールドガスに基づいてリアルタイムで決定され得る。
【００４７】
実際のＣＴＷＤが溶接プロセス中にリアルタイムで変化するのに従い、対をなす溶接出力電流（アンペア数）およびＷＦＳ（パラメータ対）は、その変化を、グラフ６００の面プロット６１０によって規定されるとおりにリアルタイムで反映することになる。さらに、実際のＣＴＷＤが溶接プロセス中にリアルタイムで変化するのに従い、コントローラ１３０は、電流フィードバック回路１５０からフィードバックされた溶接出力電流（アンペア数）値、およびワイヤ送給装置６８からフィードバックされたＷＦＳ値を受信し、選択されたワイヤ電極の種類／直径、およびシールドガス混合物をあらかじめ知っていることで実際のＣＴＷＤを決定する。図６は、グラフ６００の面プロット６１０によって決定されるとおりの実際のＣＴＷＤ値６１２に対応するアンペア数／ＷＦＳパラメータ対６１１の一例を示す。溶接電極の種類、溶接電極の直径、および用いられるシールドガスの他の組み合わせについては、他の面のプロットがＣＴＷＤ、ＷＦＳ、およびアンペア数の関係を規定することになる。代替実施形態によれば、電圧フィードバック回路１４０からコントローラ１３０へフィードバックされたとおりの溶接出力電圧を考慮することは、実際の瞬時ＣＴＷＤのより正確な決定をもたらし得る。
【００４８】
様々な実施形態によれば、溶接電極の種類、溶接電極の直径、および用いられるシールドガスの組み合わせについてのＣＴＷＤと、ＷＦＳと、アンペア数との間の関係は、実験的にまたは理論に基づく分析を通じて決定され得る。このような関係が決定されると、関係は、コントローラ１３０内において、例えば、ルックアップテーブル（ＬＵＴ）として、またはソフトウェアで表された数学伝達関数として表されるかまたは記憶され得る。
【００４９】
図７は、実際の瞬時ＣＴＷＤを決定するように構成された図２の溶接電力源７２のコントローラ１３０の一部分７００の例示的な実施形態を示す。図７の実施形態において示されるように、入力７１１（ＷＦＳ、ワイヤの種類、ワイヤのサイズ、アンペア数、電圧、およびシールドガス）と出力７１２（実際のＣＴＷＤ）との間の関係を実装するためにＬＵＴ７１０が用いられる。ＬＵＴ７１０は、ファームウェアで、例えば、ＥＥＰＲＯＭとして実装され得る。実施形態によっては、溶接出力電圧またはシールドガスの入力は用いられなくてもよい。入力７１１の任意の特定の組み合わせに対して、実際の瞬時ＣＴＷＤをリアルタイムで表現する出力７１２が生成される。
【００５０】
図８は、ＬＵＴ７１０から出たＣＴＷＤ７１２から経時的な平均ＣＴＷＤ８１２を決定し、補正係数を計算するように構成された図２の溶接電力源７２のコントローラ１３０の一部分８００の例示的な実施形態を示す。補正係数は、溶接継続時間８２２、ワイヤ送給速度（ＷＦＳ）８２４、またはその両方の形式を取ることができる。図８はまた、溶接電力源７２のコントローラ１３０の部分８００と通信可能にインターフェースを取るロボットコントローラ７６を示す。任意選択的にまたは代替的に、補正係数は、溶接ガンの移動速度の形式を取ることができる。
【００５１】
一実施形態によれば、母材部分２２上の現在の位置において現在の溶接層を作製するための現在の溶接作業が遂行されている際、現在の溶接作業中に複数の瞬時ＣＴＷＤ７１２が決定され、平均化モジュール８１０によって現在の溶接層についての複数の瞬時ＣＴＷＤ７１２から平均ＣＴＷＤ８１２が計算される。補正係数モジュール８２０により、平均ＣＴＷＤ８１２に基づいて、およびコントローラ１３０によってロボットコントローラ７６から受信された次の溶接作業に対応する３Ｄモデル／ロボットパラメータにさらに基づいて、次の溶接作業のための補正係数（例えば、溶接継続時間８２２、ＷＦＳ８２４、またはその両方）が計算される。補正係数は、溶接電力源７２により、次の溶接作業中に次の母材部分の位置（例えば、次の溶接層に対応する次の高さ位置）において次の溶接層を生成するために用いられる。
【００５２】
一実施形態によれば、平均ＣＴＷＤは瞬時ＣＴＷＤの単純な算術平均であることができる。別の実施形態では、平均ＣＴＷＤは重み付き平均であることができる。例えば、後の瞬時ＣＴＷＤ（例えば、場合により１０のうちの最後の４つ）により大きい重みが与えられてもよい。さらに別の実施形態によれば、平均ＣＴＷＤは移動平均であることができる。ここで、瞬時ＣＴＷＤの総サンプル数は層ごとに変動し得る。異なる付加製造の適用のために良好に機能する、平均ＣＴＷＤを決定する他の方法も同様に可能であり得る。したがって、用語「平均ＣＴＷＤ」は本明細書において広い意味で用いられる。
【００５３】
一実施形態によれば、３Ｄモデル／ロボットパラメータは、次の溶接層の指定高さおよび溶接ガン６０の指定位置の１つ以上を含み得る。次の溶接層のための３Ｄモデル／ロボットパラメータ、および現在の溶接層からの平均ＣＴＷＤを知ることにより、次の溶接層を生成するための次の溶接作業のために溶接継続時間および／またはＷＦＳを増大または減少させることができる。平均化モジュール８１０および補正係数モジュール８２０は、様々な実施形態によれば、コントローラ１３０内においてソフトウェアおよび／またはハードウェアとして実装され得る。例えば、プロセッサ上で実行するソフトウェアとしてまたはファームウェア（例えば、プログラム済みＥＥＰＲＯＭ）としての実装が企図される。他の実装された実施形態も同様に可能である（例えば、デジタル信号プロセッサ）。
【００５４】
例えば、現在の溶接層についての平均ＣＴＷＤ８１２が、３Ｄモデル／ロボットパラメータに基づいて期待されるよりも長い場合、これは、得られた現在の溶接層の高さが短すぎること（例えば、この層のための指定高さに達するのに十分な溶接材料が堆積されなかったこと）の指示であり得る。したがって、現在の溶接層の短い高さを補償するため、次の溶接層のためにより多くの溶接材料を堆積させるように、次の溶接作業のための溶接継続時間および／またはＷＦＳを増大させることができる。
【００５５】
同様に、現在の溶接層についての平均ＣＴＷＤが期待されるよりも短い場合、これは、得られた現在の溶接層が高すぎること（例えば、過度に多くの溶接材料が堆積され、この層のための指定高さを行き過ぎたこと）の指示であり得る。したがって、現在の溶接層を補償するため、次の溶接層のためにより少量の溶接材料を堆積させるように、次の溶接作業のための溶接継続時間および／またはＷＦＳを減少させることができる。このように、次の溶接層が現在の溶接層を補償することを可能にすることにより、全ての溶接層が生成された後の特定のロケーションにおける母材部分の得られた全高の任意の誤差が最小限に抑えられ得る。代替実施形態によれば、現在の溶接層の補償を促進するために次の溶接層のための溶接ガンの移動速度が調整され得る（増大または減少され得る）。
【００５６】
次の溶接層のための溶接継続時間（および／またはワイヤ送給速度）と、平均ＣＴＷＤとの間の関係は、様々な実施形態によれば、実験的にまたは理論に基づく分析を通じて決定され得る。概して、ＣＴＷＤの決定は、ＣＴＷＤの所与の変化に対して、より大きいアンペア数変化をもたらす領域内でより正確となる（例えば、図５参照）。
【００５７】
図９は、ロボット溶接付加製造プロセス（ＲＷＡＭＰ）中に付加製造の高さ誤差を層ごとに補正するための方法９００の一実施形態のフローチャートを示す。ステップ９１０において、現在の溶接層を作製するためのロボット溶接付加製造プロセス中に溶接出力電流およびワイヤ送給速度の一方または両方をサンプリングする。ステップ９２０において、溶接出力電流およびワイヤ送給速度の一方または両方、ならびに溶接ワイヤの種類、溶接ワイヤのサイズ、および任意選択的に、ロボット溶接付加製造プロセス中に用いられる溶接ガスの種類、および／または溶接出力電圧に基づいて、複数の瞬時コンタクトチップ−母材間距離を決定する。ステップ９３０において、現在の溶接層のためのロボット溶接付加製造プロセス中に決定された複数の瞬時ＣＴＷＤに基づいて平均ＣＴＷＤを決定する。ステップ９４０において、平均ＣＴＷＤ、およびロボット溶接付加製造プロセスを制御するために用いられるロボットコントローラからの１つ以上のパラメータに基づいて、次の溶接層を生成する際に用いられる補正係数を生成する。
【００５８】
図１０は、図９の方法９００を採用したロボット溶接付加製造プロセスの一例を示す。図１０のプロセスにおいて、溶接材料の各層は、母材基板上の指定位置におけるｚ方向に沿った高さが５０ミルであるように指定されている。ここで、１ミルは１インチの１０００分の１である。指定位置における各層の堆積中、瞬時ＣＴＷＤのおよそ１０個のサンプルが、層ごとの溶接継続時間中に本明細書において説明されたように決定される。さらに、平均ＣＴＷＤが瞬時ＣＴＷＤの１０個のサンプルから決定される。一実施形態によれば、層のための補正係数は、その層にわたる指定位置が変化するのに従って変化または変動し得る。
【００５９】
図１０の例では、層Ｎについての平均ＣＴＷＤは、期待されたよりも長いと決定され、層Ｎの高さは、所望の５０ミルではなく、４０ミルとなった。その結果、本明細書において説明されているプロセスを用いて、少なくとも層Ｎについての平均ＣＴＷＤに基づいて次の層Ｎ＋１のための補正係数が決定された。ここで、溶接継続時間およびワイヤ送給速度は、それぞれ層Ｎの高さ不足を補償するために決定された量だけ増大された。その結果、層Ｎ＋１の高さは６０ミルになり、所望どおり層Ｎの最低部から層Ｎ＋１の最上部まで１００ミルの全高を生じさせた。プロセスは指定位置において全ての層のために同様の方法で進行し得、その結果、その指定位置における高さの許容誤差は最小限に抑えられる。この場合も先と同様に、一実施形態によれば、溶接継続時間およびワイヤ送給速度に加えて（またはその代替として）、移動速度が現在の層を補償するために調整され得る。すなわち、次の層のための溶接継続時間、ワイヤ送給速度、または移動速度の任意の１つ以上が現在の層を補償するために調整され得る。
【００６０】
代替例として、現在の溶接層のために補正係数をリアルタイムで生成することができる。例えば、現在の層のための溶接プロセス中に瞬時ＣＴＷＤの移動平均が計算され得る。移動平均が監視されるのに従い、移動平均ＣＴＷＤに基づいて、溶接継続時間、移動速度、電力源出力、および／またはワイヤ送給速度の調整が現在の溶接層のためにリアルタイムで行われ得る。
【００６１】
図１１は、現在の溶接層のための所望の堆積レベル（所望の高さ）からの堆積レベル（高さ）の逸脱を補償するための、図２の溶接電力源７２のコントローラ１３０の一部分１１００の例示的な実施形態を示す。図１１に示されるように、コントローラ１３０の部分１１００は、現在の層のための調整された移動速度、調整された溶接継続時間、調整されたワイヤ送給速度（ＷＦＳ）、および調整された電力源出力を生成するように構成されている。一実施形態によれば、溶接電力源７２のコントローラ１３０は、調整された移動速度をロボットコントローラ７６へ通信し、それにより、ロボットコントローラ７６は、ロボット１４を、溶接ガン６０を調整された移動速度で動かすように駆動することができる。同様に、溶接電力源７２のコントローラ１３０は、調整されたＷＦＳをワイヤ送給装置６８へ通信し、それにより、ワイヤ送給装置６８は、溶接電極（ワイヤ）を調整されたＷＦＳで駆動することができる。
【００６２】
図１１を再び参照すると、現在の溶接層の堆積中に移動平均（ＲＡ）ＣＴＷＤが生成されていくのに従い、移動平均ＣＴＷＤは比較器１１１０によってＣＴＷＤ目標値と比較される。ＣＴＷＤ目標値は、所望のＣＴＷＤを表現する数値である。比較器１１１０の出力は補正係数である。補正係数は、一実施形態によれば、移動平均ＣＴＷＤとＣＴＷＤ目標値との差であり得る。別の実施形態によれば、比較器１１１０は、より複雑である出力（補正係数）と入力（ＲＡ  ＣＴＷＤおよびＣＴＷＤ目標値）との間の関係を提供するＬＵＴ（またはプロセッサによって実行される関数／アルゴリズム）によって置換され得る。
【００６３】
一実施形態によれば、補正係数は３つのＬＵＴ（またはプロセッサによって実行される関数／アルゴリズム）１１２０、１１３０、および１１４０に入力される。また、事前設定移動速度が第１のＬＵＴ１１２０に入力され、事前設定溶接継続時間が第２のＬＵＴ１１３０に入力され、事前設定作業点が第３のＬＵＴ１１４０に入力される。一実施形態によれば、事前設定作業点はワイヤ送給速度（ＷＦＳ）および溶接波形パラメータを含む。溶接波形パラメータは、例えば、ピーク電圧、ピーク電流、電力、パルス継続時間、背景振幅、または周波数の１つ以上を含み得る。溶接波形パラメータは、一実施形態によれば、ＷＦＳで動作するように構成されている。
【００６４】
第１のＬＵＴ１１２０の出力は、調整された移動速度であり、第２のＬＵＴ１１３０の出力は、調整された溶接継続時間である。第３のＬＵＴ１１４０の出力は、調整されたＷＦＳおよび調整された電力源出力である。調整された電力源出力は、例えば、溶接出力電圧または溶接出力電流の１つ以上を含み得る。調整されたパラメータは、現在の溶接層が堆積されていくのに従い、複数の位置の各々における現在の溶接層のための所望の堆積レベル（所望の高さ）からの堆積レベル（高さ）の逸脱を補償する。ＬＵＴ（またはプロセッサによって実行される関数／アルゴリズム）の入力と出力との間の関係は、実験的にまたは理論に基づく分析を通じて決定される。補償は、現在の溶接層上の各ロケーションにおいてリアルタイムで遂行される。
【００６５】
このように、堆積の細かい補正が現在の溶接層のためにリアルタイムで達成され得る。
【００６６】
別の実施形態によれば、２つのアプローチ（すなわち、現在の溶接層のための補正をリアルタイムで行うこと、および現在の溶接層に基づいて次の溶接層のための補正を行うこと）の複合を実施することができる。このような複合されたアプローチは、層の高さを互いにより一貫したものに保つことを促進する、粗い補正と細かい補正との複合をもたらし得る。例えば、一実施形態では、現在の溶接層上におけるリアルタイムの補正のアプローチは、現在の溶接層上の多くの異なる位置における細かい補正を提供し得、次の溶接層上における補正のアプローチは、次の溶接層のための単一の粗い補正を提供し得る。しかし、次の溶接層が現在の溶接層になると、細かい補正が再び適用され得る。
【００６７】
例えば、一実施形態では、溶接電力源７２を有する溶接システムが提供される。溶接電力源７２は、３Ｄ母材部分の現在の溶接層を作製する間のロボット溶接付加製造プロセス中、瞬時パラメータ対をリアルタイムでサンプリングするように構成されている。瞬時パラメータ対の各瞬時パラメータ対は、溶接出力電流およびワイヤ送給速度を含む。溶接電力源７２はまた、現在の溶接層の作製中に各パラメータ対がサンプリングされるのに従い、瞬時パラメータ対の各パラメータ対について、かつ少なくとも各パラメータ対に基づいて、瞬時コンタクトチップ−母材間距離をリアルタイムで決定するように構成されている。
【００６８】
溶接電力源７２は、現在の溶接層の作製中に各瞬時コンタクトチップ−母材間距離が決定されるのに従い、各瞬時コンタクトチップ−母材間距離に基づいて移動平均コンタクトチップ−母材間距離をリアルタイムで決定するようにさらに構成されている。溶接電力源７２はまた、現在の溶接層全体にわたって決定された各瞬時コンタクトチップ−母材間距離に基づいて総平均コンタクトチップ−母材間距離を決定するように構成されている。総平均コンタクトチップ−母材間距離は、現在の溶接層全体にわたって決定された瞬時コンタクトチップ−母材間距離の単純な算術平均、または現在の溶接層全体にわたって決定された瞬時コンタクトチップ−母材間距離の重み付き平均であり得る。
【００６９】
溶接電力源７２は、現在の溶接層の作製中に移動平均コンタクトチップ−母材間距離に応じて溶接システムの溶接継続時間、移動速度、またはワイヤ送給速度をリアルタイムで調整するようにさらに構成されている。溶接電力源はまた、少なくとも総平均コンタクトチップ−母材間距離に基づいて３Ｄ母材部分の次の溶接層を作製する際に用いられる補正係数を生成するように構成されている。
【００７０】
一実施形態によれば、溶接電力源は、瞬時コンタクトチップ−母材間距離を決定することと、移動平均コンタクトチップ−母材間距離を決定することと、総平均コンタクトチップ−母材間距離を決定することとを行うように構成されたコントローラ１３０を含む。コントローラ１３０はまた、現在の溶接層の作製中に溶接継続時間、移動速度、またはワイヤ送給速度の１つ以上を調整することと、次の溶接層を作製する際に用いられる補正係数を生成することとを行うように構成されている。一実施形態では、瞬時コンタクトチップ−母材間距離は、溶接出力電圧、溶接電極の種類、溶接電極の直径、または用いられるシールドガスの１つ以上にさらに基づく。
【００７１】
一実施形態では、移動平均コンタクトチップ−母材間距離に応じて移動速度を調整することは、事前設定移動速度を考慮することを含む。移動平均コンタクトチップ−母材間距離に応じて溶接継続時間を調整することは、事前設定溶接継続時間を考慮することを含む。移動平均コンタクトチップ−母材間距離に応じてワイヤ送給速度を調整することは、事前設定ワイヤ送給速度を考慮することを含む。
【００７２】
一実施形態では、溶接システムは、溶接電力源７２と動作可能に通信するように構成されたロボットコントローラ７６を有するロボット１４と、ロボット１４に動作可能に接続された溶接工具６０と、溶接工具６０および溶接電力源７２に動作可能に接続されたワイヤ送給装置６８とを含む。一実施形態では、補正係数は、３Ｄ母材部分に対応する３Ｄモデルパラメータ、および／または次の溶接層のための次の溶接作業のためにロボットコントローラ７６によって提供されたロボットパラメータにさらに基づく。３Ｄモデルパラメータおよびロボットパラメータは、次の溶接層の指定高さ（指定堆積レベル）、または次の溶接層のための溶接工具の指定位置の１つ以上を含み得る。
【００７３】
このように、付加的に製造されている３Ｄ母材部分の、それぞれ現在の溶接層および次の溶接層のための堆積レベルの複合された細かい補償および粗い補償を達成することができる。
【００７４】
一実施形態では、溶接電力源を有する溶接システムが提供される。溶接電力源は、３Ｄ母材部分の現在の溶接層を作製するためのロボット溶接付加製造プロセス中、溶接出力電流およびワイヤ送給速度の瞬時パラメータ対をリアルタイムでサンプリングすることと、現在の溶接層の作製中にサンプリングされた瞬時パラメータ対の各パラメータ対について、かつ少なくとも各パラメータ対に基づいて、瞬時コンタクトチップ−母材間距離を決定することと、現在の溶接層について決定された各瞬時コンタクトチップ−母材間距離に基づいて平均コンタクトチップ−母材間距離を決定することと、少なくとも平均コンタクトチップ−母材間距離に基づいて３Ｄ母材部分の次の溶接層を作製する際に用いられる補正係数を生成することとを行うように構成されている。各瞬時コンタクトチップ−母材間距離は、リアルタイムで決定され得、溶接電力源は、現在の溶接層の作製中に各瞬時コンタクトチップ−母材間距離が決定されるのに従い、コンタクトチップ−母材間距離の移動平均をリアルタイムで決定することと、現在の溶接層の作製中にコンタクトチップ−母材間距離の移動平均に応じて溶接継続時間またはワイヤ送給速度の１つ以上をリアルタイムで調整することとを行うようにさらに構成され得る。瞬時コンタクトチップ−母材間距離は、溶接出力電圧、溶接電極の種類、溶接電極の直径、および用いられるシールドガスの１つ以上にさらに基づき得る。補正係数は、次の溶接層のための溶接継続時間、ワイヤ送給速度、または移動速度の１つ以上に影響を与え得る。補正係数は、３Ｄ母材部分に対応する３Ｄモデルパラメータ、または次の溶接層のための次の溶接作業のためにロボットコントローラによって提供されたロボットパラメータの１つ以上にさらに基づき得る。３Ｄモデルパラメータおよびロボットパラメータは、次の溶接層の指定高さ、または次の溶接層のための溶接工具の指定位置の１つ以上を含み得る。平均コンタクトチップ−母材間距離は、現在の溶接層について決定された瞬時コンタクトチップ−母材間距離の単純な算術平均、現在の溶接層について決定された瞬時コンタクトチップ−母材間距離の重み付き平均、または現在の溶接層について決定された瞬時コンタクトチップ−母材間距離の移動平均の１つであり得る。溶接システムは、溶接電力源と動作可能に通信するように構成されたロボットコントローラを有するロボットを含み得る。溶接システムは、ロボットに動作可能に接続された溶接工具を含み得る。溶接システムは、溶接工具および溶接電力源に動作可能に接続されたワイヤ送給装置を含み得る。
【００７５】
一実施形態では、溶接電力源を有する溶接システムが提供される。溶接電力源は、３Ｄ母材部分の現在の溶接層を作製するためのロボット溶接付加製造プロセス中、溶接出力電流およびワイヤ送給速度の瞬時パラメータ対をリアルタイムでサンプリングすることと、現在の溶接層の作製中にサンプリングされた瞬時パラメータ対の各パラメータ対について、かつ少なくとも各パラメータ対に基づいて、瞬時コンタクトチップ−母材間距離をリアルタイムで決定することと、現在の溶接層の作製中に各瞬時コンタクトチップ−母材間距離が決定されるのに従い、コンタクトチップ−母材間距離の移動平均をリアルタイムで決定することと、現在の溶接層の作製中にコンタクトチップ−母材間距離の移動平均に応じて溶接継続時間またはワイヤ送給速度の１つ以上をリアルタイムで調整することとを行うように構成されている。溶接電力源は、現在の溶接層について決定された各瞬時コンタクトチップ−母材間距離に基づいて平均コンタクトチップ−母材間距離を決定することと、少なくとも平均コンタクトチップ−母材間距離に基づいて３Ｄ母材部分の次の溶接層を作製する際に用いられる補正係数を生成することとを行うようにさらに構成され得る。瞬時コンタクトチップ−母材間距離は、溶接出力電圧、溶接電極の種類、溶接電極の直径、および用いられるシールドガスの１つ以上にさらに基づき得る。補正係数は、次の溶接層のための溶接継続時間、ワイヤ送給速度、または移動速度の１つ以上に影響を与え得る。補正係数は、３Ｄ母材部分に対応する３Ｄモデルパラメータ、または次の溶接層のための次の溶接作業のためにロボットコントローラによって提供されたロボットパラメータの１つ以上にさらに基づき得る。３Ｄモデルパラメータおよびロボットパラメータは、次の溶接層の指定高さ、または次の溶接層のための溶接工具の指定位置の１つ以上を含み得る。溶接システムは、溶接電力源と動作可能に通信するように構成されたロボットコントローラを有するロボットを含み得る。溶接システムは、ロボットに動作可能に接続された溶接工具をさらに含み得る。溶接システムはまた、溶接工具および溶接電力源に動作可能に接続されたワイヤ送給装置を含み得る。
【００７６】
要約すれば、ロボット溶接付加製造プロセス中に高さ誤差を補正するためのシステムおよび方法が提供される。現在の溶接層を作製する際のロボット溶接付加製造プロセス中、溶接出力電流およびワイヤ送給速度の一方または両方がサンプリングされる。溶接出力電流およびワイヤ送給速度の少なくとも一方または両方に基づいて複数の瞬時コンタクトチップ−母材間距離（ＣＴＷＤ）が決定される。複数の瞬時ＣＴＷＤに基づいて平均ＣＴＷＤが決定される。少なくとも平均ＣＴＷＤに基づいて、現在の溶接層および／または次の溶接層の高さの任意の誤差を補償するために用いられる補正係数が生成される。
【００７７】
添付の請求項において、用語「包含する」および「有する」は、用語「含む」の通常語の同義語として用いられ、用語「それにおいて」は「ここで」と同義である。さらに、添付の請求項において、用語「第１」、「第２」、「第３」、「上部」、「下部」、「最低部」、「最上部」などは単に標識として用いられているにすぎず、それらの対象に数値的または位置的要求を課すことを意図されているわけではない。さらに、添付の請求項の限定は、ミーンズプラスファンクション形式で書かれておらず、このような請求項の限定が、語句「〜のための手段」、およびそれに続く、さらなる構造がない機能の陳述を明示的に用いない限り、またこれを明示的に用いるまで、米国特許法第１１２条、第６段落に基づいて解釈されることを意図されていない。本明細書で使用するとき、単数形で記載され、単語「１つの（ａ）」または「１つの（ａｎ）」に続く要素またはステップは、複数形の除外が明記されていない限り、述べられた要素またはステップの複数形を除外しないと理解されるべきである。さらに、本発明の「一実施形態」への言及は、記載された特徴を同様に組み込む追加の実施形態の存在を除外すると解釈されることを意図されていない。さらに、特に反対に断りのない限り、特定の特性を有する１つの要素または複数の要素を「含む」、「包含する」、または「有する」実施形態は、その特性を有しない追加のこのような要素を含み得る。さらに、一部の実施形態は、同様または類似の要素を有するように示されている場合があるが、これは単に例示目的のためにすぎず、のような実施形態は、請求項において指定されない限り、必ずしも同じ要素を有する必要はない。
【００７８】
本明細書で使用するとき、用語「〜し得る」および「〜であり得る」は、一連の状況内の生起、指定された特性、特徴もしくは機能を有することの実現性を指示し、および／または修飾された動詞に関連付けられた可能性、能力、もしくは実現性の１つ以上を表すことにより、別の動詞を修飾する。したがって、「〜し得る」および「〜であり得る」の使用は、修飾された用語は、指示された能力、機能、または用法のために明らかに適切であるか、可能であるか、または好適であることを指示するが、一方で状況によっては、修飾された用語は、ときとして適切でないか、可能でないか、または好適でない場合があることを考慮する。例えば、状況によっては、事象または能力を期待することができるが、一方で他の状況では、その事象または能力は生起し得ない  −  この区別が用語「〜し得る」および「〜であり得る」によって取り込まれる。
【００７９】
本明細書は、例を用いて、最良の形態を含む本発明を開示し、また、デバイスまたはシステムを作製し、使用すること、ならびに任意の組み込まれた方法を遂行することなど、当業者が本発明を実施することを可能にする。本発明の特許可能な範囲は、請求項によって定義され、当業者が想到する他の例を含み得る。こうした他の例は、請求項の文言と異ならない構造要素を有する場合、または請求項の文言とごくわずかな相違のみがある均等な構造要素を含む場合、請求項の範囲に入ることが意図されている。
【００８０】
本出願の特許請求される主題が特定の実施形態を参照して説明されたが、特許請求される主題の範囲から逸脱することなく様々な変更形態がなされ得、均等物が置換され得ることが当業者によって理解されるであろう。加えて、特定の状況または材料を、特許請求される主題の教示に適合させるために、その範囲から逸脱することなく多くの変更形態がなされ得る。したがって、特許請求される主題は、開示されている特定の実施形態に限定されず、特許請求される主題は、添付の請求項の範囲に含まれる全ての実施形態を含むことが意図されている。
【符号の説明】
【００８１】
１０  ロボット溶接セルユニット
１２  フレーム
１４  ロボット
１６  溶接台
２２  母材部分
２６  フロントアクセスドア
２８  リアアクセスドア
３２  窓
４０  制御パネル
４２  制御装置密閉箱
６０  溶接ガン
６１  絶縁導線管
６２  導管
６３  電極導管
６４  消耗溶接電極ワイヤ
６５  ガスディフューザ
６６  容器
６７  コンタクトチップ
６８  ワイヤ送給装置
７２  溶接電力源
７４  プラットフォーム
７６  ロボットコントローラ
１０５  スイッチング電源
１１０  電力変換回路
１２０  波形生成器
１３０  コントローラ
１４０  電圧フィードバック回路
１５０  電流フィードバック回路
１８０  ブリッジスイッチング回路
５００  グラフ
５１０  プロット
５２０  プロット
６００  グラフ
６１０  プロット
６１１  パラメータ対
６１２  実際のＣＴＷＤ値
７００  コントローラの一部分
７１０  ＬＵＴ
７１１  入力
７１２  出力
８００  コントローラの一部分
８１０  平均化モジュール
８１２  平均ＣＴＷＤ
８２０  補正係数モジュール
８２２  溶接継続時間
８２４  ワイヤ送給速度
９１０  ステップ
９２０  ステップ
９３０  ステップ
９４０  ステップ
１１００  コントローラの一部分
１１１０  比較器
１１２０  第１のＬＵＴ
１１３０  第２のＬＵＴ
１１４０  第３のＬＵＴ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ−４Ｂ】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【外国語明細書】
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