(57)【要約】【課題】立体的ビード可視化に基づく溶接パラメータを調節するシステムを提供すること。【解決手段】一実施形態では、システム（２００）は、溶着ゾーン（１０７）に向けて配向される複数の観測点から画像を受け取るよう構成された溶接コントローラ（１１８）を含む。溶接コントローラ（１１８）はまた、画像の差分分析に基づいて、溶着に影響を及ぼすパラメータを制御するよう構成される。【選択図】      図１
2011005550.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ワーク（１０２）上に溶接ビード（１０６）を溶着させるよう構成された溶接機（１０４）と、
前記溶接ビード（１０６）に向けて配向され且つ各々複数の画像を生成するよう構成された複数のカメラ（１０８、１１０）と、
前記複数の画像から前記溶接ビード（１０６）の立体画像を生成し、前記立体画像に基づいて溶接ビード溶着のパラメータを調整するよう構成されたコントローラ（１１８）と
を備えるシステム（１００）。
【請求項２】
前記溶接ビード（１０６）に向けて配向された光源（１１２）を更に備える、請求項１記載のシステム（１００）。
【請求項３】
前記溶接機（１０４）が溶接レーザ（１２０）を備える、請求項１記載のシステム（１００）。
【請求項４】
前記溶接レーザ（１２０）からのレーザ放射線及び前記光源（１１２）からの光を前記溶接ビード（１０６）上に集束するよう構成された対物レンズ（１２６）を更に備える、請求項３記載のシステム（１００）。
【請求項５】
前記溶接機（１０４）が、電子ビーム溶接機、摩擦攪拌溶接機、超音波溶接機、アーク溶接機、ガス溶接機、レーザハイブリッド溶接機、原子状水素溶接機、金属不活性ガス溶接機、タングステン不活性ガス溶接機、プラズマ溶接機、又はこれらの組み合わせを含む、請求項１記載のシステム（１００）。
【請求項６】
前記コントローラ（１１８）が、前記立体画像に基づいて、前記溶接ビード（１０６）の高さ、前記溶接ビード（１０６）の幅、又はこれらの組み合わせを計算するよう構成される、請求項１記載のシステム（１００）。
【請求項７】
前記コントローラ（１１８）が、前記立体画像に基づいて、前記ワーク（１０２）へのアンダーカット（１３６）を検出するよう構成される、請求項１記載のシステム（１００）。
【請求項８】
前記溶接ビード溶着のパラメータが前記溶接機（１０４）の出力を含む、請求項１記載のシステム（１００）。
【請求項９】
前記溶接ビード溶着のパラメータが、前記溶接ビード（１０６）への溶加材の送り量を含む、請求項１記載のシステム（１００）。
【請求項１０】
前記溶接ビード溶着のパラメータが、前記ワーク（１０２）に対する前記溶接機（１０４）の速度を含む、請求項１記載のシステム（１００）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、溶接制御システムに関し、より具体的には、立体的ビード可視化に基づく溶接パラメータを調節するシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
溶接機設定が不適切であることに起因して、自動溶接作業中に欠陥が生じる場合がある。例えば、溶接機の出力、溶接ゾーンへの材料の送り量、及び／又はワークに対する溶接機の速度は、特定の溶接作業に合わせて適切に構成されていない場合がある。これらの不適切な設定は、不満足な溶接ビードを生じる可能性がある。例えば、溶接ビードは、適切な高さ、幅、及び／又はワークへの溶け込み深さを有していない場合がある。更に、溶接機は、溶接ゾーンの周囲のワーク材料を摩耗させて、アンダーカットとして知られる状態にする可能性がある。このような欠陥は溶接品質を劣化させ、これによって、より脆弱な接合部を生じる場合がある。更に、欠陥を補修するために、追加の時間がかかり且つ高価な仕上げ作業が実施される場合もある。従って、溶接ビード溶着を監視し、検出された欠陥を補償するよう溶接機パラメータを自動的に調整できれば、望ましいであろう。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許第７１０７１１８号明細書
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本願出願当初の特許請求の範囲に記載された発明の幾つかの実施形態について要約する。これらの実施形態は、特許請求の範囲に記載された発明の技術的範囲を限定するものではなく、本発明の可能な形態を簡単にまとめたものである。実際、本発明は、以下に記載する実施形態と同様のものだけでなく、異なる様々な実施形態を包含する。
【０００５】
第１の実施形態では、システムは、ワーク上に溶接ビードを溶着させるよう構成された溶接機を含む。システムはまた、溶接ビードに向けて配向され且つそれぞれの画像を生成するよう構成された複数のカメラを含む。更に、システムは、画像から溶接ビードの立体画像を生成し且つ立体画像に基づいて溶接ビード溶着のパラメータを調整するよう構成されたコントローラを含む。
【０００６】
第２の実施形態では、システムは、溶着ゾーンに向けて配向される複数の観測点から画像を受け取るよう構成された溶接機コントローラを含む。溶接機コントローラはまた、画像の差分分析に基づいて溶着に影響を及ぼすパラメータを制御するよう構成される。
【０００７】
第３の実施形態では、システムは、ワークに向けて配向され且つワーク上の溶接ゾーンのそれぞれの画像を生成するよう構成された複数のカメラを含む。システムはまた、画像に基づいて溶接ゾーンの３次元画像を生成するよう構成されたコントローラを含む。コントローラはまた、次元画像に基づいて溶接ゾーン内の溶接ビードの形成に影響を及ぼすパラメータを調整するよう構成される。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の特定の実施形態による、溶接ビード可視化に基づいて溶接パラメータを調整するよう構成された立体視システムを有する自動溶接システムのブロック図。
【図２】本発明の特定の実施形態による、溶接レーザ及び光源の出力が対物レンズを介して溶接ゾーンに向けて配向される図１の自動溶接システムのブロック図。
【図３】本発明の特定の実施形態による、溶接ゾーンに向けて配向され且つ溶接ビード高さを決定するよう構成された２つのカメラの概略図。
【図４】本発明の特定の実施形態による、溶接ゾーンの裏面に向けて配向された追加のカメラ及び光源を含む、図２の自動溶接システムのブロック図。
【図５】本発明の特定の実施形態による、溶接ゾーンの立体画像に基づいて自動溶接機を作動させるための方法のフローチャート。
【図６】本発明の特定の実施形態による、溶接欠陥及び／又は溶接ビード特性を検出するための方法のフローチャート。
【図７】本発明の特定の実施形態による、溶接ビード溶着に影響を及ぼすパラメータを調整するための方法のフローチャート。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
本発明の上記その他の特徴、態様及び利点については、図面と併せて以下の詳細な説明を参照することによって理解を深めることができるであろう。図面を通して、同様の部材には同様の符号を付した。
【００１０】
以下、本発明の１以上の特定の実施形態について説明する。これらの実施形態を簡潔に説明するため、現実の実施に際してのあらゆる特徴について本明細書に記載しないこともある。実施化に向けての開発に際して、あらゆるエンジニアリング又は設計プロジェクトの場合と同様に、実施毎に異なる開発者の特定の目標（システム及び業務に関連した制約に従うことなど）を達成すべく、実施に特有の多くの決定を行う必要があることは明らかであろう。さらに、かかる開発努力は複雑で時間を要することもあるが、本明細書の開示内容に接した当業者にとっては日常的な設計、組立及び製造にすぎないことも明らかである。
【００１１】
本発明の様々な実施形態の構成要素について紹介する際、単数形で記載したものは、その構成要素が１以上存在することを意味する。「含む」、「備える」及び「有する」という用語は内包的なものであり、記載した構成要素以外の追加の要素が存在していてもよいことを意味する。
【００１２】
本発明の実施形態は、溶接ゾーンを立体的に観測し、検出欠陥及び／又は溶接ビード特性に基づいて溶接パラメータを調整することにより、自動溶接システムに関連する溶接品質を向上させることができる。具体的には、自動溶接システムは、溶接ビードをワーク上に溶着するよう構成される溶接機を含むことができる。特定の実施形態では、光源は、溶接ゾーンを照明するよう構成することができる。複数のカメラを溶接ビードに配向し、溶接ビード形成の画像を出力するよう構成することができる。カメラは、出力画像から溶接ビードの立体又は３次元画像を生成するよう構成されたコントローラに通信可能に結合することができる。或いは、コントローラは、出力画像上で差分分析を実施して、溶接ビードの種々の幾何学的特性を計算するよう構成することができる。例えば、コントローラは、溶接ビードの高さ及び／又は幅を計算するよう構成することができる。更に、コントローラは、溶接ゾーンに隣接するワーク材料に対するアンダーカットを検出するよう構成することができる。特定の実施形態では、複数のカメラの第２のセットは、溶接機とは反対側にあるワークの裏面上に位置付けることができる。これらのカメラはまた、溶接ビードに配向され、コントローラに画像を出力するよう構成することができる。コントローラは、これらの画像を立体的に分析し、ワークへの溶接ビードの溶け込み深さを計算することができる。更なる実施形態では、コントローラは、画像の分光分析を実施し、溶接ビードの温度及び／又は組成を決定することができる。幾何学的形状及びスペクトルデータに基づいて、コントローラは、溶接性能を向上させ、及び／又は検出欠陥を補償するよう溶接ビード溶着のパラメータを調整することができる。例えば、コントローラは、溶接機出力、ワークに対する溶接機の速度、及び／又は溶接ゾーンへの材料の送り量を調整することができる。換言すると、コントローラは、自動溶接システムの制御を向上させるよう立体的画像に基づいたフィードバックループを構築することができる。
【００１３】
図１は、溶接ビード可視化に基づいて溶接パラメータを調整するよう構成された立体視システムを有する自動溶接システム１００のブロック図である。具体的には、自動溶接システム１００は、ワーク１０２と溶接機１０４とを含む。溶接機１０４は、溶接ビード１０６をワーク１０２上に溶着させるよう構成することができる。ワーク１０２は、互いに隣接して配置された２以上の材料片（例えば、金属、プラスチック、その他）を含むことができる。特定の実施形態では、溶接機１０４は、溶接ゾーン１０７に溶加材を同時に溶着させながら、ワーク材料を加熱する。加熱及び溶加材溶着の組み合わせによって溶接ビード１０６を形成し、更にワークの成分元素の溶融を誘起し、これにより溶接継手を形成することができる。
【００１４】
自動溶接システム１００内にはあらゆる好適な溶接機１０４を組み込むことができる。例えば、溶接機１０４は、高速電子がワークに衝突する電子ビーム溶接機とすることができる。電子衝突による運動エネルギーは、溶接ゾーン１０７内の材料を融解するのに十分な熱を発生し、これによりワーク１０２の元素を共に溶融することができる。或いは、溶接機１０４は、ワークの２つの当接プレートに隣接して配置された回転ビットを含む摩擦攪拌溶接機とすることができる。ワーク１０２に対する回転ビットの摩擦により発生する熱が各プレートの材料を軟化させることができ、スピン運動によって軟化した材料を共に混合することで、溶融継手を形成する。溶接機１０４はまた、超音波溶接機であってもよく、超音波エネルギーによりワーク１０２内の材料の軟化及び周囲材料との混合を誘起して溶融継手を形成する。更なる実施形態では、溶接機１０４は、とりわけ、タングステン不活性ガス（ＴＩＧ）溶接機、金属不活性ガス（ＭＩＧ）溶接機、シールド金属アーク溶接機（ＳＭＡＷ）、又はフラックスコアードアーク溶接機（ＦＣＡＷ）などのアーク溶接機とすることができる。アーク溶接機の各タイプは、ワーク１０２との間で電気アークを確立する電極を利用する。アークからの熱が溶接ゾーン１０７内のワーク材料を融解することができ、付加的な溶加材（例えば、スチール、アルミニウム、チタン、その他）が溶着されて溶接ビード１０６を形成する。溶接機１０４はまた、酸化剤（例えば、液体酸素又は空気）の存在下で燃料（例えば、アセチレン、ブタン、プロパン、その他）を燃焼させて、溶接ゾーン１０７内で材料を融解し溶融継手を構築するのに十分な熱を発生させるガス溶接機とすることができる。特定の実施形態では、溶接機１０４は、原子水素溶接機とすることができ、ここでは、２つの電極間の電気アークによって水素分子が原子水素に分離されている。水素が再結合すると、ワーク材料を融解するのに十分な熱を放出させることができる。自動溶接システム１００において利用することができる別のタイプの溶接機１０４は、プラズマ溶接機である。プラズマ溶接機は、電気アークによって作動ガスを加熱し、次いで高速度（例えば、音速に近付ける）でガスを放出する。高温ガスは、接触することでワーク１０２の材料を融解し、これにより溶融継手を構築することができる。自動溶接システム１００において利用することができる別の溶接機１０４構成は、溶接レーザである。以下で詳細に検討するように、溶接レーザから放出される放射線は、ワーク１０２上に集束され、これにより構成材料を融解し溶接ビード１０６を形成することができる。特定の実施形態では、溶接レーザは、プラズマ、ＴＩＧ又はＭＩＧなどの別の溶接機構成と組み合わせて、レーザハイブリッド溶接機を形成することができる。このような組み合わせにより、例えば、溶け込み深さ及び／又は溶接速度を向上させることができる。
【００１５】
自動溶接システム１００はまた、少なくとも第１のカメラ１０８と第２のカメラ１１０とを含む。両カメラ１０８、１１０は、ワーク１０２上の溶接ビード１０６に向けて配向される。以下で詳細に検討するように、これらのカメラ１０８、１１０の位置は、溶接ゾーン１０７の３次元又は立体画像を得るように構成することができる。立体画像は、異なる視野からとられた２つの２次元画像を組み合わせることによって形成することができる。具体的には、各２次元画像内の基準点のロケーションを比較し、カメラ１０８、１１０に対する各基準点の深さを計算することができる。このようにして、各基準点の３次元位置を含む立体画像を作成することができる。カメラ１０８、１１０は、図示の実施形態では溶接ビードの対向する側部に位置付けられているが、代替の実施形態では、同じ側に位置付けてもよい点は理解されたい。更に、本実施形態では２つのカメラ１０８、１１０が利用されているが、代替の実施形態では、溶接ゾーン１０７の異なる視野を観察するために、３、４、５、６、７、８、９、１０、又はそれ以上など、より多くのカメラを含むことができる。加えて、カメラ１０８、１１０は、ワーク１０２の個々の画像を提供するよう構成されたスチルカメラ又は１秒当たり複数の画像を取り込むことが可能なビデオカメラとすることができる。例えば、カメラ１０８、１１０は、電荷結合デバイス（ＣＣＤ）又は相補的金属酸化物半導体（ＣＭＯＳ）を利用して画像を取り込み、画像を表すデジタル信号を出力することができる。
【００１６】
特定の構成において、少なくとも１つの光源１１２を備え、溶接ゾーン１０７を照明することができる。光源１１２は、例えば、白熱電球又は蛍光灯、１以上の発光ダイオード（ＬＥＤ）、或いはレーザ（ダイオードレーザ）とすることができる。特定の構成において、光源１１２は、溶接機１０４に隣接して位置付けられ、光源１１２が溶接ビード１０６と実質的に垂直であるようにされる。この構成は、各カメラ１０８、１１０に対して効果的な発光を提供し、溶接ビード１０６の適切に照明された画像を得ることができる。代替の実施形態は、ワーク１０２に近接した種々の位置に位置付けられ且つ溶接ビード１０６に向けて配向された複数の光源１１２を含むことができる。例えば、特定の実施形態では、光源１１２は、各カメラ１０８、１１０上に配置され、溶接ゾーン１０７に向けて配向することができる。
【００１７】
ワーク１０２は、溶接機１０４に対してワーク１０２の移動（例えば、並進、回転、又はその両方）を行うよう構成された第１の位置決め機構１１４に結合することができる。同様に、カメラ１０８、１１０及び光源１１２と共に溶接機１０４は、ワーク１０２に対して溶接機１０４の移動（例えば、並進、回転、又はその両方）を行うよう構成された
第２の位置決め機構１１６に結合することができる。この構成により、溶接機１０４は、ワーク１０２の表面に沿って溶接ビード１０６を溶着させることができるようになる。以下で詳細に検討するように、溶接機１０４に対するワーク１０２の速度は、溶接ビード１０６の特性に影響を及ぼす可能性がある。
【００１８】
溶接機１０４、カメラ１０８、１１０、光源１１２、及び位置決め機構１１４、１１６は、コントローラ１１８に通信可能に結合することができる。具体的には、コントローラ１１８は、カメラ１０８、１１０からの画像を受け取り、該画像に基づいて溶接機１０４及び／又は位置決め機構１１４、１１６のパラメータを調整するよう構成することができる。例えば、コントローラ１１８は、カメラ１０８、１１０からの画像を組み合わせて、溶接ゾーン１０７の立体又は３次元画像を形成するよう構成することができる。加えて、コントローラ１１８は、カメラ１０８、１１０からの画像に差分分析を実施して、溶接ビード１０６の幾何学的特性を計算するよう構成することができる。この立体、３次元、又は差分画像は、コントローラ１１８が、アンダーカット、不適切なビード高さ、不適切なビード幅、及び／又は不適切な溶け込み深さなどの溶接欠陥を検出することを可能にすることができる。加えて、コントローラ１１８は、カメラ１０８、１１０からの画像の分光分析を提供し、溶接ビード１０６の温度及び／又はビード組成を決定するよう構成することができる。次に、コントローラ１１８は、溶接機１０４及び／又は位置決め機構１１４、１１６のパラメータを調整し、検出した欠陥又は溶接ビード特性を補償することができる。例えば、コントローラ１１８は、溶接機出力及び／又は溶接ビード１０６への材料の送り量を調整することができる。加えて、コントローラ１１８は、位置決め機構１１４、１１６によるワーク１０２に対する溶接機の運動速度を制御することができる。検出した溶接ビード欠陥又は特性を補償するために溶接機パラメータを調整することで、溶接ビード形成の向上、より強固な溶接継手の形成、及び時間を要し且つ高価な仕上げ作業の実質的な低減又は排除を可能にすることができる。
【００１９】
代替の実施形態では、システム１００は、ワーク１０２上にコーティングを溶着するよう構成することができる。例えば、システム１００は、酸素燃料火炎コーティングデバイス及び／又はプラズマコーティングデバイスを含むことができる。溶接ビード溶着と同様に、コーティングデバイスは、材料層をワーク１０２に施工することができる。次いで、カメラ１０８、１１０は、この層の溶着を観測することができ、同時に、コントローラ１１８は、例えば、検出したコーティング厚み及び／又は組成に基づいて溶着パラメータを調整する。同様に、コントローラ１１８は、コーティング層における空隙、ギャップ、又は欠陥を検出するよう構成することができる。この構成は、検出されたコーティング欠陥及び／又は特性を補償するよう溶着パラメータを調整することによって、溶着品質を向上させることができる。
【００２０】
図２は、図１の自動溶接システム１００のブロック図であり、ここでは溶接レーザ及び光源の出力が対物レンズを介して溶接ゾーン１０７に配向される。図示の実施形態は、溶接レーザ１２０、ダイクロイックミラー１２２、第２のミラー１２４、及び対物レンズ１２６を含む。溶接レーザ１２０は、ワーク１０２に熱を加えて、これにより成分化合物を溶接するよう構成された種々のタイプのレーザを含むことができる。例えば、溶接レーザ１２０は、半導体又はガスレーザを含むことができる。半導体レーザは、ネオジムドープのイットリウムアルミニウムガーネット（Ｎｄ：ＹＡＧ）又はネオジムドープガラス（Ｎｄ：ｇｌａｓｓ）などの利得媒質を含み、光励起されて、例えばストロボ又はレーザダイオードによりレーザ光線の放出を誘起する。ガスレーザは、二酸化炭素、水素、窒素、及びヘリウムなどのシールガス状媒質を含み、電気的に励起されてレーザ放射線の放出を誘起する。特定の実施形態では、溶接レーザ１２０は、赤外線スペクトル（例えば、約７００ｎｍから１００ミクロンの間の波長）のレーザ放射線を放出するよう構成される。このような波長は、成分元素を融解し手適切な溶融を促進するようワーク１２０に十分な熱を提供できるので、レーザ溶接には特に好適とすることができる。溶接レーザ１２０は、連続又はパルス状ビームを放出するよう構成することができる。自明であろうが、パルスレーザの出力は、パルス幅及び／又はパルス周波数を変えることにより調整することができる。
【００２１】
図示のように、レーザ放射線は、ダイクロイックミラー１２２に向けて配向され、光源１１２からの光は、レーザ放射線の方向とほぼ垂直の角度でダイクロイックミラー１２２に向けて配向される。ダイクロイックミラー１２２は、第１の周波数の光を反射し、第２の周波数の光を通過させることができるように構成された反射面１２３を含む。例えば、ダイクロイックミラー１２２は、可視光を反射し、赤外放射線を通過可能に構成することができる。このような構成では、溶接レーザ１２０が赤外放射線を放出するよう構成され、光源１１２が可視光を放出するよう構成された場合には、レーザ放射線は、ダイクロイックミラー１２２を通過することができるが、可視光は面１２３により反射される。この構成において、光源１１２からの光と溶接レーザ１２０からの赤外放射線の両方は、実質的に平行な方向でダイクロイックミラー１２２から出て、第２のミラー１２４の反射面１２５に衝突して、対物レンズ１２６に向けて配向することができる。代替の実施形態では、溶接レーザ１２０及び光源１１２の位置は反転され、光源１１２からの光がダイクロイックミラー１２２を通過し、溶接レーザ１２０からのレーザ放射線が面１２３によって反射されるようにする。
【００２２】
対物レンズ１２６は、レーザ放射線及び可視光の両方をワーク１０２の溶接ゾーン１０７に向けて配向するよう構成することができる。対物レンズは、対象となる物体（例えば、ワーク１０２）に隣接して位置付けられた複合レンズ系である。自明であろうが、レンズの屈折率は、屈折光の波長に基づいて変えることができる。従って、レンズ１２６は、光源１１２からの可視光及び溶接レーザ１２０からの赤外放射線の両方を溶接ビード１０６上に集束するよう特に構成することができる。この構成は、カメラ１０８、１１０が溶接ゾーン１０７を観測できるように溶接ビード１０６を照明すること、及び構成材料を融解し適正な溶融を誘起するのに十分なエネルギーが送給されるようにワーク１０２にレーザ放射線を集束することの両方を行うことができる。特定の実施形態では、対物レンズ１２６は、レーザ放射線よりも大きな面積にわたって可視光を集束するよう構成することができる。
【００２３】
自明であろうが、溶接プロセス自体は、溶接ゾーン１０７を照明するのに十分な光を放出することができる。しかしながら、この光の大きさに起因して、カメラ１０８、１１０は、溶接ゾーン１０７から直接画像を取り込むことはできない場合がある。従って、カメラ１０８、１１０は、溶接ゾーン１０７（すなわち、ビード１０６が既に形成されている場所）の後方のビード区域に向けて配向することができる。このような構成では、溶接ゾーン１０７からの光は、溶接ビード１０６を照明するのに十分ではない場合がある。従って、光源１１２からの光をこの領域に向けて配向し、カメラ１０８、１１０用に溶接ビード１０６を適切に照明することができる。このような一実施形態では、対物レンズ１２６は、溶接ゾーン１０７上にレーザ放射線を集束し、溶接ビード１０６の別の領域に光を集束するよう構成することができる。
【００２４】
上述のように、カメラ１０８、１１０は、種々の形成の態様を監視するために、溶接ビード１０６に向けて配向することができる。図示のように、カメラ１０８とワーク１０２間の角度１２７、及びカメラ１１０とワーク１０２間の角度１２９は、各カメラ１０８、１１０が溶接ビード１０６の遮られない直接視野を有するように選択することができる。特定の実施形態では、角度１２７及び１２９は、実質的に同様の視点から溶接ビード１０６を観測するように実質的に同じとすることができる。代替の実施形態では、角度１２７及び１２９は、溶接ビード１０６の多様な視野をカメラ１０８、１１０に提供するよう異なることができる。例えば、特定の実施形態では、カメラ１０８は、溶接ビード１０６の中央に向けて配向することができ、カメラ１１０は、溶接ビード１０６とワーク１０２との間の交差部に向けて配向される。このような構成は、各カメラ１０８、１１０が溶接ゾーン１０７の異なる領域を見られるようにすることができる。角度１２７、１２９は、特定の実施形態では、およそ０°から９０°、５°から８０°、１０°から７０°、１５°から６０°、又は約１５°から４５°の範囲にわたることができる。
【００２５】
更に、図示のように、カメラ１０８は、溶接ビード１０６から距離１３１に位置付けられ、カメラ１１０は、溶接ビード１０６から距離１３３に位置付けられる。特定の実施形態では、これらの距離１３１及び１３３は、実質的に同じであってもよい。代替の実施形態では、各カメラ１０８、１１０が溶接ゾーン１０７の異なる領域を調べるように異なる距離１３１、１３３を含むことができる。例えば、距離１３１は、距離１３３よりも小さいとすることができる。この構成において、カメラ１０８は、溶接ビード１０６の特定の領域を観測することができ、カメラ１１０は溶接ゾーン１０７全体を取り込む。同様の構成は、各カメラ１０８、１１０の焦点距離を変えることによって達成することができる。例えば、距離１３１及び１３３は、実質的に同様であってもよいが、カメラ１０８は、溶接ビード１０６の特定の領域上に集束するような大きな焦点距離を有することができる。自明であろうが、カメラ１０８、１１０は、カメラ動作を阻害する可能性がある過剰な熱に確実に曝されないように、溶接ゾーン１０７から十分に離れた距離に位置付けることができる。
【００２６】
特定の実施形態では、カメラ１０８、１１０は、カメラレンズに入る光の大きさを低減し、及び／又は該光の周波数を制限するため、カメラレンズと溶接ゾーン１０７との間に位置付けられるフィルタを含むことができる。例えば、フィルタは、溶接ゾーン１０７から放射されるＵＶ放射線から光検出素子（例えば、ＣＣＤ又はＣＭＯＳ）を保護するよう構成された紫外線（ＵＶ）フィルタリング素子を含むことができる。同様に、フィルタは、溶接レーザ１２０からの赤外線（ＩＲ）放射線を遮断するよう構成することができる。更に、フィルタは、カメラ１０８、１１０に入る可視光の大きさを低減するよう構成することができる。例えば、特定の実施形態では、溶接プロセスは、可視スペクトルにおいて強力電子ビームを放出することができる。このような放出は、カメラ１０８、１１０内の高感度光検出素子に過負荷をかける可能性がある。従って、フィルタにより、カメラ１０８、１１０は、溶接ゾーン１０７からの画像を効果的に取り込むことを可能にすることができる。
【００２７】
カメラ１０８、１１０は、画像を電気的に取り込み、取り込んだ画像をコントローラ１１８に送信するよう構成される。コントローラ１１８は、立体又は３次元画像を形成することにより、又は取り込んだ画像に対し差分分析を実施することによって画像を分析することができる。次に、コントローラ１１８は、分析に基づいてビード高さ（ｈ）及び／又はビード幅（ｗ）を決定することができる。ビード高さ（ｈ）は、ベースライン位置に対する溶接ビード１０６の高さである。例えば、図示のように、ベースライン位置は、カメラ１０８、１１０に面するワーク１０２の面である。従って、ビード高さ（ｈ）は、ワーク面に対するビード１０６の高さとして定義することができる。ビード幅（ｗ）は、ビード形成の方向（例えば、ワーク１０２の面に沿った）に垂直な溶接ビード１０６の幅である。以下で詳細に検討するように、種々のパラメータ（例えば、溶接機出力、フィルタ送り量）は、ビード高さ（ｈ）及び／又はビード幅（ｗ）に影響を及ぼすことができる。コントローラ１１８は、所望のビード高さ（ｈ）及び／又はビード幅（ｗ）を設定するために、溶接機１０４及び／又は位置決め機構１１４、１１６のパラメータを調整するよう構成することができる。立体視覚化に基づくビード高さ（ｈ）及び／又はビード幅（ｗ）のフィードバック制御を設けることによって、ビード形成を向上させ、仕上げ作業を実質的に低減又は排除することができる。
【００２８】
本発明の実施形態では２つのカメラ１０８、１１０が例示されているが、１つのカメラを用いて２つの異なる視野からの画像を取り込み、立体画像を作成することができ、或いは、コントローラ１１８に画像の差分分析を実施させることができる。例えば、特定の実施形態では、２つの光ファイバーケーブルが、異なる観測点にて溶接ビード１０６に近接して位置付けられたレンズに延びることができる。これらの光ファイバーケーブルは、各観測点からの画像をカメラに提供するようマルチプレクサに結合することができる。具体的には、各光ファイバーケーブルからの画像は、空間又は時間的に多重化することができる。例えば、カメラが空間的に画像を多重化するよう構成される場合、各光ファイバーケーブルは、カメラ画像検知デバイス（例えば、ＣＣＤ又はＣＭＯＳ）の異なる部分に画像を投影することができる。この構成において、１つの観測点からの画像は、画像検知デバイスの上側部分に向けて配向することができ、他の観測点からの画像は、画像検知デバイスの下側部分に向けて配向することができる。結果として、画像検知デバイスは、各画像を低解像度でスキャンすることができる。換言すると、スキャン解像度は、溶接ビード１０６に関して高解像度スキャンよりも少ない情報をコントローラ１１８に提供する。従って、空間多重化信号の数は、コントローラ１１８が溶接欠陥及び／又は溶接ビード特性を識別するのに十分な最小解像度に制限することができる。或いは、光ファイバーケーブルによって提供される画像は、時間的に多重化することができる。例えば、カメラ（例えば、ビデオカメラ）は、画像検知デバイスの全解像度を用いて各観測点からの画像を交互にスキャンすることができる。この技術を用いると、画像検知デバイスの最大解像度を利用することができるが、スキャン周波数は、スキャンされる観測点の数に比例して低減される可能性がある。例えば、２つの観測点がスキャンされ、カメラのフレームレートが毎秒２００フレームである場合、カメラは、毎秒１００フレームでしか各観測点から画像をスキャンすることができない。従って、時間的に多重化された信号の数は、所望のスキャン周波数によって制限される可能性がある。
【００２９】
図３は、溶接ゾーン１０７に向けて配向され且つ溶接ビード高さ（ｈ）を決定するよう構成された２つのカメラ１０８、１１０の概略図である。上述のように、コントローラ１１８がビード高さ（ｈ）を計算することができる１つの方法は、各カメラ１０８、１１０からの画像の差分分析によるものである。図示のように、カメラ１０８がレンズ１２８を含み、カメラ１１０がレンズ１３０を含む。レンズ１２８は、カメラ１０８の光検知素子１３２から距離（ｆ）を離れて位置付けられる。同様に、レンズ１３０は、カメラ１１０の光検知素子１３４から距離（ｆ）を離れて位置付けられる。自明であろうが、距離（ｆ）は、レンズ１２８及び１３０の焦点距離に相当する。各カメラ１０８、１１０の焦点距離（ｆ）は、本発明の実施形態では同じであるが、代替の実施形態では、カメラ１０８、１１０の焦点距離（ｆ）は変えることができる。
【００３０】
各カメラ１０８、１１０は、距離（ｄ）だけ離れ、且つワーク１０２から距離Ｒに位置付けられる。これらの距離は、各カメラ１０８、１１０が同じ視野から溶接ビード１０６を見ることができるように特に構成することができる。溶接ビード１０６から放出される（例えば、光源１１２からの反射光を介して）光は、レンズ１２８及びレンズ１３０を通過し、光検知素子１３２、１３４上にそれぞれ投影される。例えば、溶接ビード高さ（ｈ）の点から放出される光線１３５及び溶接ビード１０６のベースの点から放出される光線１３７は、各レンズ１２８及び１３０を通過し、光検知素子１３２及び１３４に衝突することができる。素子１３２への光線１３５及び光線１３７の投影点間の距離は、距離Ｌとして表される。同様に、素子１３４への光線１３５及び光線１３７の投影点間の距離は、距離Ｒとして表される。ＬとＲとの間の長さの差違並びに溶接システム１００の幾何学的形状に基づいて、溶接ビード高さ（ｈ）を計算することができる。具体的には、溶接ビード高さ（ｈ）は、次式に従って算出することができる。
【００３１】
【数１】
2011005550.tif 000003
自明であろうが、代替の実施形態では、カメラ１０８、１１０の位置及び向きは変えることができる。このような変更により、溶接ビード高さ（ｈ）と距離Ｌ及びＲとの間の関係が修正される場合がある。しかしながら、特定の構成に関係なく、溶接ビード高さ（ｈ）は、溶接ビード１０６に近接し且つこれに配向された様々な位置に置かれたカメラ１０８、１１０からの画像の差分分析に基づいて計算することができる点は理解されたい。測定溶接ビード高さ（ｈ）に基づき、コントローラ１１８は、ビード高さ（ｈ）が設定された範囲に確実に対応するように特定の溶接パラメータを調整することができる。このようにして、適正な溶接ビード形成が達成され、これにより継手強度を向上させ、仕上げ作業を実質的に低減又は排除することができる。
【００３２】
図４は、溶接ゾーン１０７の裏面に向けて配向された追加カメラ及び少なくとも１つの光源を含む、図２の自動溶接システム１００のブロック図である。具体的には、本実施形態は、カメラ１０８からワーク１０２の実質的に反対側に位置付けられたカメラ１３８と、カメラ１１０からワーク１０２の実質的に反対側に位置付けられたカメラ１４０とを含む。両方のカメラ１３８、１４０は、溶接ビード１０６の裏面に向けて配向される。加えて、本実施形態は、対物レンズ１２６からワーク１０２の実質的に反対側に位置付けられ、且つワーク１０２に実質的に垂直に光を投影するよう構成された光源１４２を含む。光源１１２と同様に、光源１４２は、例えば、白熱電球又は蛍光灯、１以上のＬＥＤ、及び／又はダイオードレーザなど、あらゆる好適な光発生機構を含むことができる。光源１４２は、ビード１０６を観測するのにカメラ１３８、１４０用に十分な輝度で溶接ビード１０６の裏面が照明されるように、位置付けることができる。
【００３３】
カメラ１３８、１４０は、ビード１０６の裏面上に位置付けられるので、ビード高さ（ｈ）及びビード幅（ｗ）を観測することはできない。しかしながら、カメラ１３８、１４０は、溶け込み深さＰを示す画像を生成するよう構成することができる。自明であろうが、溶接強度は、ワーク１０２を通る溶接ビード１０６の溶け込みの達成に依存することができる。従って、ワーク１０２の裏面上にカメラ１３８、１４０を位置付けることによって、コントローラ１１８は、溶接ゾーン１０７の立体又は３次元画像の差分分析又は生成に基づいて、溶け込み深さＰを計算できるようにすることができる。例えば、コントローラ１１８は、溶接ビード高さ（ｈ）の計算に関して上述した方法と類似の計算を実施することができる。具体的には、コントローラ１１８は、カメラ１３８、１４０からの画像の差分分析を実施し、カメラ１３８、１４０に面するワーク１０２の面と溶接ビード１０６との間の距離Ｎを計算することができる。次に、溶け込み深さＰは、ワーク１０２の厚みＴから距離Ｎを差し引くことにより計算することができる。このようにして、コントローラ１１８は、適正な溶け込み深さＰが確実に得られるように溶接パラメータを調整することができる。
【００３４】
加えて、図４は、カメラ１０８、１１０により観測することができるワーク１０２内へのアンダーカット１３６を示している。アンダーカット１３６は、溶接ゾーン１０７に隣接するワーク１０２の材料が摩耗した状態である。具体的には、過剰なワーク材料が融解して溶接ビード１０６内に流れることに起因して、ワーク１０２に対する不適切な溶接機出力及び／又は溶接機１０４の不適切な速度がアンダーカット１３６を生じる可能性がある。アンダーカット１３６はワーク１０２の強度を低下させるので、アンダーカット１３６状態が存在する場合には、高価で時間を要する補修作業が実施される場合があり、これにより製造コストが増大する。結果として、立体視覚化に基づく溶接パラメータ（例えば、溶接機出力及び／又は溶接機の速度）の自動制御は、アンダーカット１３６が実質的に低減又は排除され、従って、製造コストを低減することができる。
【００３５】
図５は、溶接ゾーン１０７の立体画像に基づいて自動溶接システム１００を作動させる方法１４３のフローチャートである。最初に、ブロック１４４で示すように、溶接ゾーン１０７の画像が複数のカメラから取り込まれる。上記で検討したように、このステップは、空間又は時間マルチプレクサを介して複数の光ファイバーケーブルに結合された単一のカメラにより取り込まれる画像を含むことができる。次いで、ブロック１４６で示すように、立体的、３次元、又は微分画像が生成される。例えば、コントローラ１１８は、カメラ１０８、１１０からの画像の差分分析を実施することによって、上述の計算に基づいた溶接ビード高さ（ｈ）を計算することができる。或いは、コントローラ１１８は、溶接ゾーン１０７の立体又は３次元画像を生成し、溶接ビード高さ（ｈ）、ビード幅（ｗ）及び／又は溶け込み深さＰなどの特性を計算するよう構成することができる。
【００３６】
次に、ブロック１４８で示すように、溶接欠陥及び／又は溶接ビード特性を検出することができる。例えば、コントローラ１１８は、溶接ビード高さ（ｈ）の所望の範囲を含むことができる。コントローラ１１８は、溶接ビード高さ（ｈ）を監視し、計算値を所望の範囲と比較することができる。計算した溶接ビード高さ（ｈ）が設定範囲外にある場合、溶接欠陥を検出することができる。溶接ビード幅（ｗ）及び／又は溶け込み深さＰについての同様の範囲をコントローラ１１８に入力することができる。次に、コントローラ１１８は、計算した溶接ビード幅（ｗ）及び／又は溶け込み深さＰを設定した範囲と比較し、溶接欠陥を検出することができる。
【００３７】
コントローラ１１８はまた、溶接ビード１０６に基づいて分光分析を実施し、温度及び組成を決定するよう構成することができる。具体的には、自明であろうが、構成原子内の電子が励起されて基底状態に戻ると、あらゆる化学元素は、様々なスペクトル放射線を放出する。特定の溶接技術（例えば、アーク溶接、ガス溶接、レーザハイブリッド溶接、その他）は、ワーク１０２及び／又は溶加材の原子内の電子を励起するために十分なエネルギーを溶接ゾーン１０７に提供することができる。溶接ゾーン１０７のスペクトル放出を観測することによって、溶接ビード１０６の組成を求めることができる。例えば、コントローラ１１８は、カメラ１０８、１１０からの画像の分光分析を実施し、一連の輝線を生成することができる。次に、コントローラ１１８は、輝線を既知の化学元素の保存された輝線と比較し、これにより溶接ゾーン１０７内にどの元素が存在するかを判断することができる。例えば、特定の実施形態では、溶加材を溶接ビード１０６に添加し、ワーク１０２の構成部品間の溶融を向上させることができる。溶加材は、ワークとは異なる化学元素を含むことができる。このような構成において、コントローラ１１８は、溶接ビード１０６を構成する原子の分光分析に基づいて、溶接ビード１０６内に溶着された溶加材の量を検出することができる。この構成において、コントローラ１１８は、溶加材の適切な量が溶接ビード１０６に添加されているかどうかを判断することができる。
【００３８】
溶接品質は、ワーク１０２上に溶接ビード１０６が溶着される温度により影響を受けることができるので、コントローラ１１８は、スペクトル放出に基づいて溶接ゾーン１０７の温度を判断するよう構成することができる。具体的には、溶接ゾーン１０７内の成分元素を求めて、種々の周波数での放出の強度を観測することによって、溶接ゾーン１０７の温度を計算することができる。次に、コントローラ１１８は、温度が設定範囲から逸脱しているかどうかを判断することができる。
【００３９】
ブロック１５０で示すように、溶接ビード１０６の溶接欠陥又は特性の検出に基づいて、溶接ビード溶着に影響を及ぼすパラメータを調整することができる。例えば、溶接機１０４の出力を調整することができ、溶接機１０４がワーク１０２に対して移動する速度を調整することができ、及び／又は溶加材の送り量を調整することができる。このようにして、適正な溶接ビード１０６を形成することができ、従って、溶接品質を向上させ、仕上げ作業に関連する時間及び費用を低減することができる。
【００４０】
図６は、図５のブロック１４８で示すように、溶接欠陥及び／又は溶接ビード特性を検出するための方法１４８のフローチャートである。ブロック１５２で示すように、溶接ビード高さ（ｈ）が求められる。上述のように、このステップは、複数のカメラからの画像の差分分析を実施することを含むことができる。或いは、コントローラ１１８は、カメラ画像から立体的又は３次元画像を生成し、ビード高さ（ｈ）を含む、溶接ビード１０６の幾何特性を求めることができる。次に、ブロック１５４で示すように、ビード幅（ｗ）を求めることができる。ビード高さ（ｈ）の計算と同様に、コントローラ１１８は、生成した立体又は３次元画像或いはカメラ画像の差分分析に基づいてビード幅（ｗ）を求めることができる。更に、ブロック１５６で示すように、ワーク１０２へのアンダーカット１３６を検出することができる。上述のように、アンダーカット１３６は、溶接プロセス中にワーク材料が摩耗する状態である。アンダーカット１３６は、周囲材料の強度が低下する場合があるので、不満足な溶接継手を生じる可能性がある。アンダーカット１３６の位置に基づいて、１以上のカメラにより状態を観測することができる。１つのカメラによる観測により、コントローラ１１８は状態を検出することが可能になり、２以上のカメラによる観測によって、コントローラ１１８は、溶接ビード高さ（ｈ）についての計算と同様にアンダーカット深さの計算に基づいて、アンダーカット１３６の程度を検出可能にすることができる。
【００４１】
ブロック１５８で示すように、溶接ビード温度を求めることができる。温度を光学的に求める１つの方法は、溶接ビード１０６の高温金属から種々の放出周波数の強度を監視することである。自明であろうが、溶接ビード１０６の前縁は、金属の溶融プールを含むことができる。この液体金属は、溶接ゾーン１０７の高温領域を表すことができる。従って、溶融プールは、分光分析のために最大強度の放出を可能にすることができる。自明であろうが、温度は、検出スペクトル放出に基づいて決定することができる。特定の実施形態では、コントローラ１１８は、溶接プール及び／又は溶接ビード１０６の平均温度を求めるよう構成することができる。或いは、コントローラ１１８は、ステップ１４６で生成された立体又は３次元画像の分光分析に基づいて溶接ゾーン１０７の３次元温度分布を計算することができる。
【００４２】
ブロック１６０で示すように、溶接ビード組成を求めることができる。上記で検討したように、このステップは、放射スペクトルを分析して、溶接ゾーン１０７内の個々の元素を識別することを含むことができる。特定の実施形態では、溶加材は、ワーク１０２では見られない比較的少量の特定元素を含むことができる。例えば、ワーク１０２がアルミニウムから構成される場合、実質的にアルミニウムの溶加材を利用して、溶接継手を強化することができる。しかしながら、溶加材は、とりわけ、少量（例えば、５％、４％、３％、２％、１％、０．０５％、又は０．０１％未満）のシリコン、鉄、銅、マンガン、マグネシウム、クロム、亜鉛、チタン、又はベリリウムを包含することができる。従って、コントローラ１１８は、これらの元素の量を検出し、溶接ビード１０６中に存在する溶加材の量を求めるよう構成することができる。例えば、特定のアルミニウム溶加材は、約０．１％銅を含むことができる。溶加材中に存在する銅の量は、コントローラ１１８に入力することができる。次に、コントローラ１１８は、溶接ゾーン１０７からの画像の分光分析を実施し、溶接ビード１０６内に存在する銅の割合を求めることができる。溶加材の所望の量に基づいて、コントローラ１１８は、溶接ビード１０６中の銅の割合が所望の量と一致するかどうかを判断することができる。自明であろうが、コントローラ１１８は、アルミニウム又は他のワーク材料について溶接ビード１０６内の他の元素の割合を検出するよう構成することができる。更に、コントローラ１１８は、ステップ１４６で生成された立体又は３次元画像の分光分析に基づいて溶接ゾーン１０７の３次元組成分布を計算するよう構成することができる。
【００４３】
最後に、ブロック１６２で示すように、溶接ビード溶け込み深さＰを求めることができる。上記で検討したように、溶け込み深さＰは、溶接機１０４からワーク１０２の裏面上に位置付けられたカメラ１３８、１４０により生成される立体又は３次元画像の様々な画像分析に基づいて計算することができる。適正な溶け込み深さＰを確保することにより、溶接接続部の強度を強化することができる。
【００４４】
図７は、図５のブロック１５０に示すように、溶接ビード溶着に影響を及ぼすパラメータを調整する方法１５０のフローチャートである。最初に、ブロック１６４で示されるように、溶接機１０４の出力を調整することができる。出力は、溶接ゾーン１０７に加えられる熱に比例することができる。例えば、アーク溶接に関しては、出力は、ワーク１０２の構成要素を溶融するのに使用されるアークの温度に影響を与えることができる。同様に、溶接レーザ出力を調整し、ビーム強度を変えることができる。例えば、上記で検討したように、レーザ出力は、パルス溶接レーザの周波数及び／又はパルス幅を変えることによって修正することができる。過剰な溶接機出力がアンダーカット１３６を生じる場合がある。具体的には、過剰な出力によって、ワーク材料の付加的な融解を引き起こし、これにより溶接ビード１０６に隣接する空隙が構築される場合がある。出力が低下すると、アンダーカット１３６状態を実質的に低減又は排除することができる。従って、コントローラ１１８は、アンダーカット１３６が検出された場合に溶接機出力を低下させるよう構成することができる。同様に、コントローラ１１８が、溶融プール又は溶接ビード１０６の温度が所望の範囲外にあると判断した場合、コントローラ１１８は、出力を調整し補償することができる。
【００４５】
ブロック１６６で示すように、ワーク１０２に対する溶接機１０４の速度は、調整することができる。具体的には、溶接ビード高さ（ｈ）、ビード幅（ｗ）、及び溶け込み深さＰは、溶接機速度に反比例することができる。例えば、溶接機速度が増大すると、溶接ビード高さ（ｈ）、溶接ビード幅（ｗ）、及び／又は溶け込み深さＰは減少することができる。従って、コントローラ１１８は、位置決め機構１１４及び／又は１１６の移動速度を調整し、溶接ビード高さ（ｈ）、溶接ビード幅（ｗ）、及び／又は溶け込み深さＰを所望の範囲内に設定するよう構成することができる。
【００４６】
最後に、ブロック１６８で示すように、溶接ゾーン１０７への溶加材の送り量を調整することができる。例えば、ビード高さ（ｈ）が設定範囲よりも小さいと、コントローラ１１８が判定した場合、コントローラ１１８は、溶接ゾーン１０７への溶加材の送り量を増大させることができる。逆に、溶接ビード幅（ｗ）が設定範囲よりも大きいと、コントローラ１１８が判定した場合、コントローラ１１８は、溶接ゾーン１０７への溶加材の送り量を減少させることができる。換言すると、ビード高さ（ｈ）及びビード幅（ｗ）の両方は、材料の送り量に比例することができる。従って、コントローラ１１８は、送り量を調整し、これらの検出状態を補償することができる。同様に、溶加材の送り量は、溶け込み深さＰに影響を与えることができる。例えば、不十分な送り量は、不完全な継手溶け込みを生じる可能性がある。従って、コントローラ１１８は、溶け込み深さＰが所望量よりも少ない場合に、送り量を増大させるよう構成することができる。加えて、上記で検討したように、コントローラ１１８は、溶接ビード組成の分光分析に基づいて溶接ビード１０６内の溶加材の量を監視するよう構成することができる。特定の実施形態では、溶加材の所望の量をコントローラ１１８に入力することができる。次に、コントローラ１１８は、溶加材送り量を調整し、溶加材の所望の量を溶接ビード１０６に提供することができる。溶接ゾーン１０７の立体可視化に基づいて、溶接機出力、溶接機速度、及び／又は送り量を調整することによって、コントローラ１１８は、強化した溶接ビード形成を可能にし、これにより継手強度の増大、及び仕上げ作業の実質的低減又は排除を実現することができる。
【００４７】
本明細書では、本発明を最良の形態を含めて開示するとともに、装置又はシステムの製造・使用及び方法の実施を始め、本発明を当業者が実施できるようにするため、例を用いて説明してきた。本発明の特許性を有する範囲は、特許請求の範囲によって規定され、当業者に自明な他の例も包含する。かかる他の例は、特許請求の範囲の文言上の差のない構成要素を有しているか、或いは特許請求の範囲の文言と実質的な差のない均等な構成要素を有していれば、特許請求の範囲に記載された技術的範囲に属する。
【図１】
2011005550.tif 000004
【図２】
2011005550.tif 000005
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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