(57)【要約】【課題】溶接を監視する。【解決手段】システムは、溶接領域から電磁放射を受けるように配置された複数の光ファイバを含む、溶接を行うための溶接ツールと、溶接中に複数の光ファイバから光信号を受信して光信号情報を生成する、光信号受信装置と、実行可能命令によってプログラムされて処理を実行する１つまたは複数のプロセッサを含む、計算装置とを含む。上記処理は、溶接中に複数の光ファイバを介して受信したそれぞれの光信号に基づく光信号情報を受信し、複数の光ファイバのうちの第１の光ファイバに対応する光信号情報と、複数の光ファイバのうちの第２の光ファイバに対応する光信号情報と、の比較を行い、比較に基づいて、溶接が不規則であるかどうかを判定し、溶接が不規則か否かに基づいて、少なくとも1つの動作を実行する、ことを含む。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶接領域から電磁放射を受けるように配置された複数の光ファイバを含む、溶接を行うための溶接ツールと、
溶接中に前記複数の光ファイバから光信号を受信して光信号情報を生成する、光信号受信装置と、
実行可能命令によってプログラムされて処理を実行する１つまたは複数のプロセッサを含む、計算装置と、
を含み、
前記処理は、
溶接中に前記複数の光ファイバを介して受信したそれぞれの光信号に基づく光信号情報を受信し、
前記複数の光ファイバのうちの第１の光ファイバに対応する光信号情報と、前記複数の光ファイバのうちの第２の光ファイバに対応する光信号情報と、の比較を行い、
前記比較に基づいて、前記溶接が不規則であるかどうかを判定し、
前記溶接が不規則か否かに基づいて、少なくとも1つの動作を実行する、ことを含む、システム。
【請求項２】
請求項１に記載のシステムであって、
前記複数の光ファイバは、前記溶接領域内の溶融プール、溶接ビード、または溶接アークのうちの少なくとも１つから前記電磁放射を受けるように配置されている、システム。
【請求項３】
請求項１に記載のシステムであって、
少なくとも１つの動作は、前記溶接ツールに関連するオペレータに通知を送信する、または、前記溶接ツールの少なくとも１つのパラメータを制御するための制御信号を送信する、ことを含む、システム。
【請求項４】
請求項１に記載のシステムであって、
前記比較は、
前記第１の光ファイバを通して示される第１の赤外線電磁放射信号強度と前記第２の光ファイバを通して示される第２の赤外線電磁放射信号強度とを比較し、
前記第２の赤外線電磁放射信号強度と閾値量だけ異なる前記第１の赤外線電磁放射信号強度に基づいて、前記溶接ツールによって形成されたアークが不規則であると判定する、ことを含む、システム。
【請求項５】
請求項１に記載のシステムであって、
前記比較は、
前記第１の光ファイバを通して示される第１の紫外光及び／または可視光の電磁放射信号強度を、前記第２の光ファイバを通して示される第２の紫外光及び／または可視光の電磁放射信号強度と比較し、
前記第２の紫外光及び／または可視光の電磁放射信号強度と閾値量だけ異なる前記第１の紫外光及び／または可視光の電磁放射信号強度に基づいて、前記溶接中に形成された溶接幾何学形状が不規則であると判定する、ことを含む、システム。
【請求項６】
請求項１に記載のシステムであって、
前記溶接ツールは溶接電極を含み、
前記溶接領域から前記電磁放射を受けるために、前記溶接電極の周りに対称的に配置された少なくとも３本の光ファイバが存在する、システム。
【請求項７】
請求項１に記載のシステムであって、
溶接機コントローラをさらに含み、
少なくとも１つの動作は、前記溶接が不規則であるとの判定に基づいて前記溶接機コントローラに制御信号を送ることを含み、
前記制御信号は、前記溶接機コントローラに、
前記溶接ツールによって生成されるアークに対する溶接パラメータを変更させる、または、加工物に対する前記溶接ツールの位置を変更させる、システム。
【請求項８】
ノズルと、前記ノズルのノズル開口部を通って延びる溶接電極と、を含む、溶接ツールと、
前記溶接電極の周囲に、溶接中に溶接領域から電磁放射を受けるように配置されている、複数の光ファイバと、
実行可能命令によってプログラムされて処理を実行する１つまたは複数のプロセッサを含む、計算装置と、
を含み、
前記処理は、
溶接中に、前記複数の光ファイバのうちの第１の光ファイバに対応する光信号情報と、前記複数の光ファイバのうちの第２の光ファイバに対応する光信号情報と、の比較を行って、前記溶接が不規則であるかどうかを判定し、
前記溶接が不規則かどうかに基づいて少なくとも1つのアクションを実行する、ことを含む、システム。
【請求項９】
請求項８に記載のシステムであって、
前記溶接ツールは、前記ノズル内で溶接電極を支持するコレットを含み、
前記複数の光ファイバの１つ以上の光ファイバは、前記溶接ツールの前記ノズルの内側の前記コレット内または前記コレット上に配置されている、システム。
【請求項１０】
請求項８に記載のシステムであって、
前記ノズルは円錐形であり、
前記複数の光ファイバの１つ以上の光ファイバは、前記ノズルの内側または前記ノズルの外側のうちの少なくとも一方において、前記ノズルの円錐形状部に取り付けられている、システム。
【請求項１１】
請求項８に記載のシステムであって、
前記溶接電極の周りに対称的に配置された少なくとも３本の光ファイバが存在する、システム。
【請求項１２】
請求項８に記載のシステムであって、
光信号受信装置をさらに含み、
前記複数の光ファイバは、前記光信号受信装置に接続され、
前記光信号受信装置は、前記複数の光ファイバから受信した光信号に基づいて前記計算装置に光信号情報を提供する、システム。
【請求項１３】
請求項１２に記載のシステムであって、
前記光信号受信装置は、複数の分光計、または、複数のビームスプリッタの、少なくとも一方を含み、
前記複数の分光計は、
前記複数の光ファイバそれぞれから光信号を受信し、
前記光信号から光信号情報を生成し
前記光信号情報を前記計算装置に提供し、
前記複数のビームスプリッタは、
前記複数の光ファイバに接続されて、前記複数の光ファイバのそれぞれからそれぞれの光信号を受信し、
前記光信号それぞれから光信号情報を生成するように構成された電磁放射センサに関連付けられた１または複数の電磁放射フィルタに、前記光信号を供給し、
前記光信号情報を前記計算装置に提供する、システム。
【請求項１４】
溶接中に、溶接領域から電磁放射を受信するように位置決めされた複数の光ファイバを介して受信したそれぞれの光信号に基づく光信号情報を受信し、
前記複数の光ファイバの第１の光ファイバに対応する光信号情報と、前記複数の光ファイバの第２の光ファイバに対応する光信号情報と、の比較を行い、
少なくとも部分的に前記比較に基づいて、溶接幾何学形状または溶接アークの少なくとも一方が不規則であるかどうかを判定し、
前記溶接幾何学形状または前記溶接アークの少なくとも一方が不規則であると判定することに基づいて、少なくとも１つの動作を実行する、ことを含む方法。
【請求項１５】
請求項１４に記載の方法であって、
前記比較は、
前記第１の光ファイバを通して示される第１の紫外光及び／または可視光の電磁放射信号強度を、前記第２の光ファイバを通して示される第２の紫外光及び／または可視光の電磁放射信号強度と比較し、
前記第２の紫外光及び／または可視光の電磁放射信号強度と閾値量だけ異なる前記第１の紫外光及び／または可視光の電磁放射信号強度に基づいて、前記溶接中に形成された溶接幾何学形状が不規則であると判定する、ことを含む、方法。
【請求項１６】
請求項１４に記載の方法であって、
前記比較は、
前記第１の光ファイバを通して示される第１の赤外線電磁放射信号強度と前記第２の光ファイバを通して示される第２の赤外線電磁放射信号強度とを比較し、
前記第２の赤外線電磁放射信号強度と閾値量だけ異なる前記第１の赤外線電磁放射信号強度に基づいて、溶接ツールによって形成されたアークが不規則であると判定する、ことを含む、方法。
【請求項１７】
請求項１４に記載の方法であって、
前記第１の光ファイバに対応する前記光信号情報と前記第２の光ファイバに関する前記光信号情報とを比較するために使用するための信号強度差の許容範囲を決定することをさらに含む、方法。
【請求項１８】
請求項１４に記載の方法であって、
前記複数の光ファイバそれぞれについて放射紫外及び可視光信号強度の許容範囲を決定し、
各光ファイバの前記光信号情報を前記許容範囲と比較して、溶接幾何学形状が不規則であるかどうかを少なくとも部分的に判定すること、をさらに含む方法。
【請求項１９】
請求項１４に記載の方法であって、
前記複数の光ファイバそれぞれについて赤外光信号強度の許容範囲を決定し、
各光ファイバの光信号情報を前記許容範囲と比較して、前記溶接アークが不規則であるかどうかを少なくとも部分的に判定すること、をさらに含む方法。
【請求項２０】
請求項１４に記載の方法であって、
溶接ツールを使用して溶接作業を行うことをさらに含み、
前記溶接ツールは、前記溶接ツールの溶接電極の周りに対称的に配置された４つの光ファイバを含み、
前記第１の光ファイバは、前記溶接電極の前記第２の光ファイバとは反対側に存在し、
前記溶接幾何学形状または前記溶接アークの少なくとも一方が不規則であるかどうかを判定することは、前記４つの光ファイバの第３の光ファイバに対応する光信号情報と前記４つの光ファイバの第４の光ファイバに対応する光信号情報とを比較することを含み、
前記第３の光ファイバは前記溶接電極の前記第４の光ファイバとは反対側に存在する、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、溶接を監視する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
タングステン不活性ガス（ＴＩＧ）溶接は、ガスタングステンアーク溶接（ＧＴＡＷ）としても知られ、溶接部を形成するために、非消耗タングステン溶接電極を使用する一種のアーク溶接プロセスである。溶接領域及び溶接電極は、不活性シールドガス（例えば、アルゴン、ヘリウム、二酸化炭素）によって酸化または他の外気の汚染から保護され、充填金属が使用され得る。ただし、自己溶接と呼ばれるいくつかの種類の溶接は、充填材を使用しない。定電流溶接電源は、高度にイオン化されたガス及び金属蒸気を通して溶接電極と工作物との間のアークを横切って伝導される電気エネルギを提供することができる。
【０００３】
ＴＩＧ／ＧＴＡＷは多くの産業分野で広く使用されており、ロボット溶接システムと共に使用するのに役立つ。しかしながら、溶接欠陥はこの溶接技術の有用性に影響を及ぼし得る。溶接欠陥及び他の不規則性（Ｉｒｒｅｇｕｌａｒｉｔｉｅｓ）は、いくつかの異なるカテゴリに分類することができ、例えば、幾何学的欠陥、内部欠陥、特性欠陥などである。例えば、内部欠陥には、融合の欠如、貫通の欠如、内部多孔性、内部亀裂などが含まれ得る。幾何学的欠陥は、溶接ビードサイズ、溶接ビード形状、及び／または溶接ビード位置などの誤った溶接ビード形状を含み得る。特性欠陥は、不適合な材料、非金属介在物などを含み得る。上記のような欠陥は、欠陥のある最終製品とそれに対応する収益の損失に直接つながる可能性がある。例えば、そのような欠陥製品は、予想よりも低い溶接強度、予想よりも短い耐用年数、及び／または顧客にとって審美的に許容できない不規則なまたはずれた溶接位置を有することがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１７−９４３６４号公報
【発明の概要】
【０００５】
本開示の一態様のシステムは、溶接領域から電磁放射を受けるように配置された複数の光ファイバを含む、溶接を行うための溶接ツールと、溶接中に前記複数の光ファイバから光信号を受信して光信号情報を生成する、光信号受信装置と、実行可能命令によってプログラムされて処理を実行する１つまたは複数のプロセッサを含む、計算装置と、を含み、前記処理は、溶接中に前記複数の光ファイバを介して受信したそれぞれの光信号に基づく光信号情報を受信し、前記複数の光ファイバのうちの第１の光ファイバに対応する光信号情報と、前記複数の光ファイバのうちの第２の光ファイバに対応する光信号情報と、の比較を行い、前記比較に基づいて、前記溶接が不規則であるかどうかを判定し、前記溶接が不規則か否かに基づいて、少なくとも1つの動作を実行する、ことを含む。
【０００６】
本開示の一態様のシステムは、ノズルと、前記ノズルのノズル開口部を通って延びる溶接電極と、を含む、溶接ツールと、前記溶接電極の周囲に、溶接中に溶接領域から電磁放射を受けるように配置されている、複数の光ファイバと、実行可能命令によってプログラムされて処理を実行する１つまたは複数のプロセッサを含む、計算装置と、を含み、前記処理は、溶接中に、前記複数の光ファイバのうちの第１の光ファイバに対応する光信号情報と、前記複数の光ファイバのうちの第２の光ファイバに対応する光信号情報と、の比較を行って、前記溶接が不規則であるかどうかを判定し、前記溶接が不規則かどうかに基づいて少なくとも1つのアクションを実行する、ことを含む。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】いくつかの実装形態による例示的溶接システムを示す。
【図２】いくつかの実装形態による例示的なプロセスを示す流れ図である。
【図３】いくつかの実装形態による例示的なプロセスを示す流れ図である。
【図４Ａ】いくつかの実装形態による例示的な光ファイバ配置位置を示す。
【図４Ｂ】いくつかの実装形態による例示的な光ファイバ配置位置を示す。
【図４Ｃ】いくつかの実装形態による例示的な光ファイバ配置位置を示す。
【図４Ｄ】いくつかの実装形態による例示的な光ファイバ配置位置を示す。
【図５Ａ】いくつかの実装形態による例示的な光ファイバ配置位置を示す図である。
【図５Ｂ】いくつかの実装形態による例示的な光ファイバ配置位置を示す図である。
【図５Ｃ】いくつかの実装形態による例示的な光ファイバ配置位置を示す図である。
【図５Ｄ】いくつかの実装形態による例示的な光ファイバ配置位置を示す図である。
【図６Ａ】いくつかの実装形態による例示的な光ファイバ配置位置を示す図である。
【図６Ｂ】いくつかの実装形態による例示的な光ファイバ配置位置を示す図である。
【図６Ｃ】いくつかの実装形態による例示的な光ファイバ配置位置を示す図である。
【図６Ｄ】いくつかの実装形態による例示的な光ファイバ配置位置を示す図である。
【図７】いくつかの実装による強度対波長の例示的グラフを示す。
【図８】いくつかの実装形態による放射エネルギ対波長の例示的グラフを示す。
【図９Ａ】いくつかの実施態様による例示的な溶接幾何学形状を示す図である。
【図９Ｂ】いくつかの実施態様による例示的な溶接幾何学形状を示す図である。
【図９Ｃ】いくつかの実施態様による例示的な溶接幾何学形状を示す図である。
【図９Ｄ】いくつかの実施態様による例示的な溶接幾何学形状を示す図である。
【図１０Ａ】いくつかの実装形態による溶接幾何学形状監視の一例を示す図である。
【図１０Ｂ】いくつかの実装形態による溶接幾何学形状監視の一例を示す図である。
【図１１Ａ】いくつかの実装形態によるアークブローを監視する一例を示す図である。
【図１１Ｂ】いくつかの実装形態によるアークブローを監視する一例を示す図である。
【図１２】いくつかの実装形態による例示的プロセスを示すフロー図である。
【図１３】いくつかの実装形態による例示的プロセスを示すフロー図である。
【図１４Ａ】いくつかの実装形態による、異なる光信号から信号強度を決定する例を示す。
【図１４Ｂ】いくつかの実装形態による、異なる光信号から信号強度を決定する例を示す。
【図１５Ａ】いくつかの実装による、異なる光信号から平均信号強度を決定する例を示す。
【図１５Ｂ】いくつかの実装による、異なる光信号から平均信号強度を決定する例を示す。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
本明細書の技術は、溶接中に溶接の不規則性（Ｉｒｒｅｇｕｌａｒｉｔｙ）を検出することを含み得る自動溶接のための新規な構成及び技術を含む。いくつかの実装形態は、溶接の不規則性の検出に基づいて、溶接中または溶接後に１つまたは複数の溶接パラメータを調整すること、オペレータに通知を送信すること、及び／または修理処置を実行することをさらに含み得る。いくつかの例では、溶接中に溶接領域から電磁放射を受けるために複数の光ファイバを溶接ツールに取り付けることができる。光ファイバは、溶接中に溶接の不規則性を検出するために溶接のリアルタイム監視を可能にするための光信号を提供することができる。本明細書のシステムは、溶接アークの不規則性及び／または溶接幾何学的不規則性などの不規則性を検出し、溶接プロセス中または溶接プロセス後に溶接パラメータを調整することができる。したがって、本明細書の実施例は、溶接部が形成されているときの各溶接部の検査を提供する。
【０００９】
いくつかの実装形態では、本明細書のシステムは、溶接ツール上に取り付けられているか、そうでなければそれに関連付けられている複数の光ファイバを含むことができる。例えば、光ファイバは、溶接ツールコレットの中または上に取り付けられてもよく、溶接ツールハウジングまたはノズルの中または上に取り付けられてもよく、かつ／または溶接電極の上に取り付けられてもよい。光ファイバは、溶接アークならびに溶融プール及び／または溶接ビードから可視光及び非可視光（電磁放射）を受け取ることができる。受信された光は、異なる位置で光ファイバを介してリアルタイムで受信された光信号を監視し比較するために分析されてもよい。異なる位置で光ファイバを介して受信された光信号は、サイズ、形状、及び位置などの溶接形状を光信号から決定することができるように処理することができる。受信された光データは、記録されてもよく、及び／またはパラメータ調整または溶接修理などの処置のために即座にオペレータに送信されてもよい。さらに、適応コントローラを使用して、溶接パラメータを自動的に調整し、及び／または不規則な溶接部を自動的に修復することができる。したがって、本明細書の実施例は、溶接部及び溶接製品の信頼性を向上させ、欠陥製品の数を減らし、溶接完了後の検査及び修理に以前に必要とされた時間を節約することができる。
【００１０】
本明細書の技術は、溶接アーク及び溶接ビード形成を監視することによって、すべての溶接部のリアルタイム溶接監視を可能にする。いくつかの例は、溶接ツール及び／またはアークの自動調整を実行することを含み得、及び／または必要に応じて溶接部の自動修復を実行することを含み得る。溶接中、設置された光ファイバは、例えば円形の溶接ビード形状の場合には３本の光ファイバを使用して、または例えば楕円形の溶接ビード形状の場合には４本の光ファイバを使用して、溶接アーク及び溶融プール（溶接プール）から放出される光信号（例えば電磁波放出）を受信する。光ファイバは、溶接ツールの周囲に配置された多数の可能な取り付け位置のうちの任意の位置で溶接ツールに取り付けることができる。本明細書のシステムは、複数の異なる位置から受信した光信号を比較することによって、溶接プロセス中にリアルタイムでサイズ、形状、及び位置などの溶接幾何学属性を予測することを可能にする。
【００１１】
いくつかの場合において、溶接ビード幾何学形状は、溶接性能を示し得、そして組立中に自動アーク溶接の広範な使用を含む製品の場合に適切に形成された溶接を確実にするために有用であり得る。いくつかの例では、本明細書の３本、４本、またはそれ以上の光ファイバは、異なる位置／視点から光スペクトルを受け取るために、アーク溶接ツールのシールドガスノズルの周りに、対称的に（または他の例では不規則に）分布するように配置し得る。例えば、これらのセンサを介して受信された赤外光信号の強度を測定し、比較して、溶融プールの幾何学形状を決定することができ、これは溶接の不規則性を示すことができる。さらに、センサを介して受信された紫外線及び／または可視光信号の放射強度を測定及び比較して、アークブローのような、異常なアーク状態を判定できる。以上なアーク状態は、例えば、斜め溶接部、不適切な形状の溶接部、または他の溶接の不規則性を招き得る。
【００１２】
受信された光信号情報及び比較結果は記録され、溶接データログに格納されてもよい。さらに、結果は、溶接の不規則性が検出されたときなどの即時の行動のために、人間のオペレータまたは自動溶接コントローラに直ちに提供されてもよい。追加の不規則性を低減または除去するために、及び／または検出された不規則な溶接部に対して修復処置を実行するために、不規則性が検出されたとき、１つ以上の溶接パラメータを変更するために適応制御アルゴリズムが用いられてもよい。したがって、本明細書の実装形態は、溶接性能に対する改善された制御、不規則性に対応するためのより迅速な認識、さらなる不規則性を自動的に低減する機能、及び検出された不規則性を自動的に修復する機能を提供する。
【００１３】
説明のために、自動ＴＩＧ（ＧＴＡＷ）溶接の環境におけるいくつかの例示的な実装形態について説明する。しかしながら、本明細書における実装形態は、提供された特定の例に限定されず、当業者には明らかなように、ここでの開示の範囲において、他の製造環境、他の用途、他の溶接ツール構成、及び他の種類の溶接に拡張され得る。例えば、本明細書におけるいくつかの例は、産業用ロボットまたは他の自動溶接機によって組み立てられ得る製品のＴＩＧ溶接に関するものであり得る。しかしながら、本明細書における実装形態は、他のアーク溶接技術に拡張することができ、例えば、手動ＴＩＧ溶接、半自動ＴＩＧ溶接、及び、手動、半自動または全自動のガスメタルアーク溶接やレーザー溶接、摩擦攪拌溶接、プラズマ溶接のような他の種類の自動及び非自動溶接に、拡張することができる。したがって、本明細書の実装形態は、ＴＩＧ溶接に限定されない。
【００１４】
図１は、いくつかの実装形態による例示的溶接システム１００を示す。この例では、溶接ツール１０２は管状本体１０６の一端にノズル１０４を含む。ノズル１０４はノズル開口部１０８を含み、それを通して溶接電極１１０が延びる。溶接中に、アルゴン、ヘリウム、二酸化炭素、それらの混合物、または他のガスなどの不活性ガスを、ノズル開口部１０８から外側に放出して、溶接が行われている溶接領域１１４の周りにガスシールド１１２を形成する。ガスシールド１１２は、溶接部の酸化または他の汚染を防ぐのに役立つ。
【００１５】
溶接中、高周波発生器（図１には図示せず）を使用して、溶接電極１１０と加工物１１８との間にアーク１２０を発生させる。通常、発生器は、アークを発生させるために一定の電流を供給する。この例では、加工物１１８は、突合せ溶接を行うために互いに隣接して配置された第１の加工物部分１２２と第２の加工物部分１２４とを含む。しかしながら、他の例では、ラップジョイント溶接、フィレットジョイント溶接、ティージョイント溶接、エッジジョイント溶接、ガースジョイント溶接など、他の任意の種類の溶接が本明細書の例に従って実行されてもよい。したがって、本明細書の例は、いかなる特定の種類の溶接部、加工物材料、加工物構成などにも限定されない。
【００１６】
アーク１２０は、加工物１１８の金属を溶融して溶融プール１２６を形成する。溶融プール１２６の大きさは、少なくとも部分的に、溶接電極１１０の大きさ、電流の量、及び溶融物の量に依存し得る。いくつかの例では、図示したように充填材料なしで、または他の例では充填材料と共に、非消耗性タングステン電極を溶接電極１１０として使用することができる。さらに、他の例では、消耗電極を使用することができる。
【００１７】
図示の例では、溶接電極１１０はコレット１３０によってハウジング１０６内の適所に支持されている。複数の光ファイバ１３２が溶接電極１１０の周囲の位置で、コレット１３０上またはその中に取り付けられている。本例においては、４本の光ファイバ１３２があり、３本の光ファイバ１３２は目に見え、４本目は溶接電極１１０の反対側に位置しているので溶接電極１１０によって見えなくなっている。各光ファイバ１３２は、溶接領域１１４に面する受光端１３４を有している。
【００１８】
溶接領域１１４は、作動時には、溶融プール１２６（及び／または形成された場合には溶接ビード）及びアーク１２０を含む。例えば、溶融プール１２６（及び形成された場合には溶接ビード）からの放射放出を含む溶接領域１１４からの電磁放射、及びアーク１２０は、各光ファイバ１３２の受光端１３４に入り、光ファイバを介して伝達される。いくつかの例では、溶接領域１１４から光ファイバ１３２によって受け取られる電磁放射は、紫外線（ＵＶ）電磁放射、可視光、及び赤外線（ＩＲ）電磁放射を含むことができる。
【００１９】
いくつかの例では、光信号受信装置１４０は、光ファイバ１３２から光信号１３６を受信し、その光信号１３６を光信号情報１４２に対応するデジタルデータに変換する複数の分光計（図１には示さず）を含む。他の例では、光信号受信装置１４０は、複数のビームスプリッタ、複数の物理的光フィルタ（電磁放射フィルタ）、並びに、赤外線センサや可視光及び／または紫外線センサなどの、複数の光センサ（電磁放射センサ：図１には示されていない）を含むことができる。センサは、受信した光を光信号情報１４２に対応するデジタルデータに変換する。光信号受信装置１４０に関するさらなる詳細については、図２及び図３を参照して後述する。さらに、本明細書では光信号受信装置１４０の２つの例が説明されているが、本明細書の開示の恩恵を受ける他の様々な可能な装置構成が当業者には明らかであろう。
【００２０】
光信号情報１４２は、監視計算装置１５０によって受信される。いくつかの例では、監視計算装置１５０は、直接有線または光接続を介して、光信号受信装置１４０に直接接続される。他の例では、光信号受信装置１４０は、１つまたは複数の通信インターフェース（図１には示さず）を含み、監視計算装置１５０が、ローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）や広域ネットワーク（ＷＡＮ）などの１つまたは複数のネットワークを介して、有線、無線もしくはそれらの任意の組み合わせによって、または、直接無線伝送または他のタイプの直接伝送を介して、光信号情報１４２を受信することを可能にする。
【００２１】
監視計算装置１５０は、任意の適切なタイプの計算装置であり、例えば、携帯型、半携帯型、半固定型、または固定型である。監視計算装置１５０のいくつかの例は、タブレット計算装置、スマートフォン及び移動体通信機器、ラップトップ、ネットブック、その他のポータブル計算装置またはセミポータブル計算装置、デスクトップ計算装置、サーバ計算装置、及び他の半固定式または固定式計算装置、並びに、通信を送受信し、本明細書で説明される技術による機能を実行することができる他のさまざまな計算装置を含む。
【００２２】
図示の例では、監視計算装置１５０は、少なくとも１つのプロセッサ１５２、１つ以上の計算機可読媒体１５４、１つ以上の通信インターフェース１５６、及び１つ以上の入出力（Ｉ／Ｏ）装置１５８を含む。各プロセッサ１５２は、それ自体、１つまたは複数の、プロセッサまたは処理コアを備えることができる。例えば、プロセッサ１５２は、１つまたは複数の、マイクロプロセッサ、マイクロコンピュータ、マイクロコントローラ、デジタル信号プロセッサ、中央処理装置、状態機械、論理回路、及び／または動作命令に基づいて信号を操作する任意の装置として実装することができる。場合によっては、プロセッサ１５２は、本明細書に記載のアルゴリズム及びプロセスを実行するように特別にプログラムされた、またはそうでなければ構成された、任意の適切なタイプの１つまたは複数のハードウェアプロセッサ及び／または論理回路であり得る。プロセッサ１５２は、計算機可読媒体１５４に格納されている計算機可読プロセッサ実行可能命令を取り出して実行するように構成することができる。
【００２３】
監視計算装置１５０の構成に応じて、計算機可読媒体１５４は、有形の非過渡的計算機記憶媒体の一例とすることができ、計算機可読プロセッサ実行可能命令、データ構造、プログラムモジュールまたは他のデータなどの情報を記憶するための任意の種類の技術において実装された、揮発性及び不揮発性メモリ及び／またはリムーバブル及び非リムーバブル媒体を含む。計算機可読媒体１５４は、ＲＡＭ、ＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、フラッシュメモリ、固体記憶装置、磁気ディスク記憶装置、光記憶装置、及び／または他の計算機可読媒体技術を含むが、これらに限定されない。さらに、いくつかの例において、監視計算装置１５０は、情報を格納するために使用することができ、プロセッサ１５２によって、直接または他の計算装置若しくはネットワークを介してアクセスされる、外部ストレージにアクセスすることができる。例えば、ＲＡＩＤストレージシステム、ストレージアレイ、ネットワーク接続ストレージ、ストレージエリアネットワーク、クラウドストレージ、他の任意の媒体にアクセスできる。したがって、計算機可読媒体１５４は、プロセッサ１５２によって実行され得る命令、モジュールまたは構成要素を格納することができるコンピュータ記憶媒体である。さらに、言及されるとき、非過渡的計算機可読媒体は、エネルギ、搬送波信号、電磁波、及び信号それ自体などの媒体を除外する。
【００２４】
計算機可読媒体１５４は、プロセッサ１５２によって実行可能な任意の数の機能構成要素を格納及び維持するために使用される。いくつかの実装形態では、これらの機能構成要素は、プロセッサ１５２によって実行可能であり、実行時に、監視計算装置１５０に対する上記の動作及びサービスを実行するための動作ロジックを実装する命令またはプログラムを備える。計算機可読媒体１５４に格納された監視計算装置１５０の機能構成要素は、監視プログラム１６０を含む。本例において、監視プログラム１６０は、光信号情報１４２を受信し、溶接ツール１０２に取り付けられた３本以上の光ファイバ１３２から受信した光信号情報の分析を実行する。例えば、後述するように、監視プログラム１６０は、溶融プールの幾何学形状の不規則性を判定するために、赤外光信号強度と、光ファイバを介して受信された少なくとも３つの光信号のうちの任意の２つの信号間の差とを判定する。
【００２５】
さらに、監視プログラム１６０は、溶接アークが正常であるか不規則であるかを判定するために、光ファイバを介して受信された３つ以上の光信号から受信された紫外線及び／または可視光の放射強度を判定する。加えて、監視プログラム１６０は、１つ以上の溶接ログデータ構造（ＤＳ）１６２を生成する。溶接ログデータ構造（ＤＳ）１６２は、受信された光信号情報１４２と、受信された光信号から決定された溶接情報、例えば溶接が正常か不規則かを含む。監視プログラム１６０は、溶接ログデータ構造１６２を計算機可読媒体１５４に格納してもよく、及び／または、１つまたは複数のネットワーク（図１には図示せず）を介して溶接ログデータ構造１６２からの情報を別の計算装置に送信してもよい。
【００２６】
さらに、計算機可読媒体１５４は、機能構成要素によって使用されるデータ、データ構造なども記憶することができる。例えば、計算機可読媒体１５４によって格納されたデータは、溶接ログデータ構造１６２を含む。さらに、監視計算装置１５０は、許容範囲データ構造（ＤＳ）１６４を格納またはアクセスできる。許容範囲データ構造１６４は、各光ファイバ１３２によって監視される溶接の各部分に関する光信号情報についての経験的に決定された許容範囲を含む。例えば、溶接の各段階中の信号強度の許容範囲は、事前に決定され、許容範囲データ構造１６４に格納される。いくつかの例では、監視プログラム１６０は、許容範囲データ構造１６４にアクセスして、現在の溶接について測定された信号強度が許容範囲データ構造１６４内の許容範囲内にあるかどうかを判定する。
【００２７】
監視計算装置１５０の種類に応じて、計算機可読媒体１５４は、他の機能構成要素及びデータを、任意選択で含み得る。例えば、他のプログラム、ドライバや、ユーザによって使用されるまたは他の機能構成要素によって生成される、データを含んでもよい。さらに、監視計算装置１５０は、他の多くの論理的、プログラム的、及び物理的構成要素を含むことができ、それらのうち説明されたものは、本明細書の説明に関連する単なる例である。
【００２８】
通信インターフェース１５６は、１つ以上のネットワークを介してまたは直接に、他の様々なデバイスとの通信を可能にするための１つ以上のインターフェース及びハードウェア構成要素を含む。例えば、通信インターフェース１５６は、インターネット、ケーブルネットワーク、セルラーネットワーク、無線ネットワーク（例えば、Ｗｉ−Ｆｉ）、有線ネットワーク（例えば、イーサネット（登録商標）または光）、さらに、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）やＢｌｕｅｔｏｏｔｈ  Ｌｏｗ  Ｅｎｅｒｇｙなどの近距離通信、のうちの１つまたは複数を介した通信を可能にする。
【００２９】
監視計算装置１５０は、１つまたは複数のＩ／Ｏ装置１５８をさらに含むことができる。Ｉ／Ｏ装置１５８は、スピーカ、ディスプレイ、マイクロフォン、カメラ、様々なユーザ制御装置（たとえば、ボタン、ジョイスティック、キーボード、キーパッドなど）、及び触覚出力デバイスなどを、含むことができる。例えば、不規則な溶接の検出の場合には、ディスプレイまたはスピーカの少なくとも一方を使用して溶接機コントローラ１７０のオペレータ１６８に通知を提供することができる。
【００３０】
溶接機コントローラ１７０は、１つまたは複数のプロセッサ１７２、計算機可読媒体１７４、１つまたは複数の通信インターフェース１７６、及び１つまたは複数のＩ／Ｏ装置１７８を含むことができる。本明細書のいくつかの例において、１つまたは複数のプロセッサ１７２は上述のプロセッサ１５２のいずれかを含むことができ、計算機可読媒体１７４は上述の計算機可読媒体１５４のいずれかを含むことができ、通信インターフェース１７６は上述の通信インターフェース１５６のいずれかを含むことができ、Ｉ／Ｏ装置１７８は上述のＩ／Ｏ装置１５８のうちのいずれかを含むことができる。溶接機コントローラプロセッサ１７２は、加工物１１８に関して溶接ツール１０２によって実行される溶接プロセスを制御するために使用され得る制御ソフトウェア１８０を実行し得る。例えば、溶接機コントローラ１７０によって実行される制御ソフトウェア１８０は、１つまたは複数の制御信号１８２をアーク制御部１８４及び／または１つまたは複数の位置アクチュエータ１８６に送信する。例えば、アーク制御部１８４は、アーク１２０の強度を制御するために溶接電極１１０に供給される電流の量を制御する。
【００３１】
さらに、１つまたは複数の位置アクチュエータ１８６は、加工物１１８に対する溶接ツール１０２の位置を制御し、またはその逆も可能である。例えば、位置アクチュエータ１８６は、溶接ツール１０２及び／または加工物１１８を互いに接近または遠ざけるように移動させ、加工物１１８に対する溶接ツール１０２の角度を制御し、溶接ツール１０２及び／または加工物１１８の移動を制御する。一例として、位置アクチュエータ１８６は、加工物１１８上の１つまたは複数の位置に、１つまたは複数の溶接部を適用するためのロボット機構の一部とすることができる。しかし、本明細書の実装形態は、加工物１１８に対する溶接ツールの位置のための特定のタイプの機構に限定されない。さらに、他の例では、１つまたは複数の位置アクチュエータ１８６を含まずに、溶接ツール１０２を手動などで位置決めすることができる。
【００３２】
いくつかの例では、溶接機コントローラ１７０及び監視計算装置１５０は、同じ計算装置であり、及び／または、同じソフトウェアまたは他の機能構成要素のうちの少なくともいくつかを含む。例えば、監視計算装置１５０は、制御ソフトウェア１８０を実行し、制御信号１８２をアーク制御部１８４及び／または位置アクチュエータ１８６に直接送信する。他の例では、溶接機コントローラ１７０は、監視プログラム１６０を実行して、光信号情報１４２を受信し、光信号解析の結果を決定し、そして溶接幾何学形状及び／またはアーク１２０の異常を検出する。したがって、いくつかの例において、溶接機コントローラ１７０または監視計算装置１５０のうちの１つを省くことができる。本明細書の開示の利益を得る多数の他の可能なシステム構成が、当業者には明らかであろう。
【００３３】
図示の例では、４つの光ファイバが溶接電極１１０の周りに均等に配置されて、インプロセス監視及び加工物１１８上で行われる溶接プロセスの制御を行っている。さらに他の場合では、上述のように、所望の溶接形状に応じて３本の光ファイバを使用してもよく、さらに他の場合には、以下でさらに議論されるように、５、６、８、１０など、４本以上の光ファイバを溶接ツール１０２上の様々な位置に使用してもよい。本明細書におけるいくつかの実装形態は、特定の位置での複数の光ファイバ、例えば、コレット１３０に埋め込まれるなどして、溶接電極１１０の周りに均等に配置されている複数の光ファイバから収集された光信号を参照し比較することによって、溶接ビード（例えばスポット溶接）形状を決定する。図示の例では、コレット１３０は、複数の貫通孔を穿孔され、光ファイバ１３２を受け入れて支持する。
【００３４】
図示の例では、光ファイバ１３２は、以下にさらに説明するように、（例えば、電極１１０の中心の周りの半径方向の対称性に基づいて）溶接電極１１０の周りに円形のパターンで対称的に配置されている。さらに、ノズル１０４を通過するシールドガス１１２は、溶接部の酸化を防止するためのシールド機能を提供することに加えて、光ファイバ１３２のための冷却媒体として作用する。いくつかの例において、追加の冷却媒体を設けてもよく、または、シールドガス自体を従来のアーク溶接用途で使用される温度よりも低い温度に冷却してもよい。
【００３５】
上述のように、光ファイバ受光端１３４は、アーク１２０及び溶接領域１１４から放射された光を受信し、光ファイバは、受信した光を光信号１３６として送信する。光信号受信装置１４０は、光ファイバ１３２から光信号１３６を受信し、光信号情報１４２を監視計算装置１５０に供給する。以下で、図２及び図３を参照してさらに詳細に論じるように、監視計算装置１５０は、光信号情報１４２を解析する。分析結果に基づいて、溶接の不規則性が検出された場合、監視プログラム１６０は、制御信号１９０または通知１９２のうちの少なくとも１つを送信する。例えば、制御信号１９０は、溶接機コントローラ１７０の制御ソフトウェア１８０に、アーク制御部１８４または位置アクチュエータ１８６の少なくとも１つに制御信号１８２を送信させる。これに加えて、または、これに代えて、監視プログラム１６０は、監視プログラム１６０によって検出された溶接の不規則性に対処するための手動の行動を実行することができるオペレータ１６８に、通知１９２を送信及び／または提供する。
【００３６】
本明細書のシステム１００は、溶接プロセス中に光信号を取得して分析し、取得した光信号を使用して溶接の不規則性を特定する。いくつかの例では、許容される信号強度範囲は、例えば形成されることが望まれる溶接部の種類及び幾何学形状に基づいて、各光ファイバについて個別に設定され得る。許容範囲は、許容範囲データ構造１６４に記憶されてもよく、これは、受信光信号を各光ファイバについて設定された許容範囲と比較するために、受信光信号の分析中にアクセスされる。さらに、溶接ツールに取り付けられた一組の光センサのうちの各２つの光センサ間の光信号の差を比較するための信号強度差について、許容範囲を設定することができる。
【００３７】
不規則な溶接は、例えば比較の結果が上述の許容範囲外であるとき、決定される。この不規則性判定アルゴリズムを採用することによって、正常または不規則（または合格／不合格）の決定をオペレータに提供することができ、受信した光学データを、分析結果と共に、溶接ログデータ構造１６２または他のデータベースに記録することができる。いくつかの例では、オペレータは、溶接の不規則性が修正可能である場合などに、溶接の不規則性を手動で修理する。あるいは、いくつかの例では、溶接機コントローラ１７０は、位置アクチュエータ１８６及び／またはアーク制御部１８４を自動的に作動させて、不規則な溶接を修復することができる。
【００３８】
溶接の不規則性を修復することができない場合などの他の場合では、溶接機コントローラ１７０は、１つまたは複数の制御信号１８２を依然として送信して、溶接ツール１０２の設定（例えば位置及び／またはアーク強度）を調整し、その後の溶接では溶接の不規則性を避ける。正常／不規則（または合格／不合格）判定基準に加えて、溶接が完全に不規則な態様で形成される前に、不規則性の早期修正を可能にするために、いくつかの例ではより厳しい基準を採用することができる。例えば、溶接機コントローラ１７０は、アークブローの検出時等に制御信号１８２を直ちに送信して、溶接プロセス中に検出された不規則性に、溶接ツール１０２の位置の変更、加工物位置の変更、アーク強度の調整などによって、リアルタイムで対応することを試みる。修正措置は、ユーザの成功経験に基づく。
【００３９】
さらに、製造される製品及び製造工程に応じて、溶接ツール構成及び溶接構成は異なり得る。加えて、様々な溶接構成、所望の溶接ジョイントの形状及び幾何学形状は変化し得る。溶接ツール１０２上の個々の光ファイバの配置を修正し、放射ＵＶ及び可視光強度並びに測定された放射ＩＲエネルギについて適切な許容範囲を割り当てることによって、本明細書の監視システムは、ラップジョイント、フィレットジョイント、ティージョイント、エッジジョイント、ガースジョイントなどの、多くの種類の溶接に適用できる。したがって、本明細書における実装形態は、いかなる特定の溶接構成または加工物構成にも限定されない。
【００４０】
したがって、本明細書のシステム１００は、複数の異なる視点から、溶接位置（例えば溶融プール位置）から光を受け取る複数の光ファイバそれぞれのから得られる複数の光信号を利用することができる。光信号が受信され、互いにそして基準信号パラメータと比較され、溶接部が適切に形成されているか不規則であるかを判定する。したがって、本明細書のシステムは、溶接が行われているときにリアルタイムで溶接幾何学形状及び溶接アークを監視することができ、さらに、監視に基づいて制御信号を送信する、例えば、検出された不規則性の場合に溶接中に修正措置を実施することができる。
【００４１】
図２及び３は、いくつかの実装形態による例示的なプロセスを示す流れ図である。プロセスは、論理フロー図のブロックの集まりとして示され、一連の動作を表し、その一部または全部はハードウェア、ソフトウェアまたはそれらの組み合わせで実施することができる。ソフトウェアの文脈では、ブロックは、１つまたは複数のプロセッサによって実行されると、列挙された動作を実行するようにプロセッサをプログラムする、１つまたは複数の計算機可読媒体に格納された計算機実行可能命令を表し得る。一般に、計算機実行可能命令は、特定の機能を実行するかまたは特定のデータタイプを実装するルーチン、プログラム、オブジェクト、コンポーネント、データ構造などを含む。ブロックが記載されている順序は、限定として解釈されるべきではない。説明されたブロックはいくつでも任意の順序で及び／または並行して組み合わせてプロセスまたは代替プロセスを実施することができ、すべてのブロックを実行する必要はない。説明の目的で、プロセスは、本明細書の例に記載されている環境、システム、及び装置を参照して説明されているが、プロセスは、多種多様な他の環境、システム、及び装置で実施され得る。
【００４２】
図２は、いくつかの実装形態による例示的なプロセス２００を示す流れ図である。いくつかの例では、プロセス２００は、部分的には光信号受信装置１４０によって、部分的には計算装置１５０によって、及び部分的には溶接機コントローラ１７０によって実行されるアルゴリズムであり、自動溶接中に複数の光ファイバから受信した光信号を使用して、溶接部（例えばスポット溶接部）のアーク及び溶接形状を監視及び制御する。
【００４３】
上述のように、本明細書の実施形態は、複数の光ファイバを介して受信した複数の光信号を比較して、溶接部のサイズまたは形状などの溶接幾何学形状の不規則性及びアークブローなどの溶接中の任意の溶接アーク不規則性を示す差を検出する。したがって、本明細書の実装形態は、溶融プールまたは溶接ビードの画像などに頼るのではなく、溶接領域の周りの複数の異なる位置から取得された取得光信号強度を比較して、不規則性を検出するための溶接幾何学形状及びアーク構成を決定する。さらに、本明細書の実施例では、光ファイバは、溶接ツール上の様々な位置に柔軟に配置することができ、異なる溶接ツール支持構造、異なる種類の組立作業などに対して最適な取り付け位置を可能にする。また、光ファイバは、または、意図する溶接幾何学形状に少なくとも部分的に依存して、電極の周りに均等に配置してもよく、または、不規則に配置してもよい。
【００４４】
２０２において、溶接機コントローラ１７０は、溶接プロセスを実行する。例えば、溶接機コントローラ１７０は、加工物上で溶接プロセスを開始する、または加工物上で溶接プロセスを続行する。
【００４５】
２０４において、光信号受信装置１４０は、光ファイバから信号を取得する。例えば、溶接中に、光ファイバは、アーク及び溶接領域によって放射される紫外光、可視光、及び赤外光の波長で放射される電磁放射を受け取り、光ファイバに沿ってこれらの波長を光信号受信装置１４０に送信する。したがって、この例では、図１の例のように４本の光ファイバがあると仮定する。したがって、光信号受信装置１４０は、第１の光信号１３６（１）、第２の光信号１３６（２）、第３の光信号１３６（３）、及び第４の光信号１３６（４）を取得する。
【００４６】
２０６で、光信号受信装置１４０は、光信号受信装置１４０に含まれる１つまたは複数の分光計２０３を使用して光ファイバからの光信号をデジタル化する。この例では、光信号１３６それぞれに対応する分光計２０３があると仮定し、例えば、第１の分光計２０３（１）、第２の分光計２０３（２）、第３の分光計２０３（３）、及び第４の分光計２０３（４）が、光信号１３６（１）〜１３６（４）を、それぞれ受信する。分光計２０３は、それぞれの光信号１３６を受信し、受信光信号１３６に基づいて、受信光信号１３６内の受信波長を示す光信号情報を生成する。通常、分光計２０３によって出力される光信号情報は、光信号１３６を示すデジタル情報であり、受信光信号１３６において測定された波長を示す。しかしながら、いくつかの代替例では、光信号情報は代わりにアナログ情報である。
【００４７】
２０８において、監視計算装置１５０は、分光計出力内の赤外光信号、紫外光信号、及び可視光信号を識別する。例えば、監視計算装置１５０上のプロセッサは、第１の仮想フィルタ２０７（１）を実行する。第１の仮想フィルタ２０７（１）は、各分光計から分光計出力を受け取り、分光計出力の赤外波長部分を識別し、そして赤外波長情報を分析プロセスに提供する。同様に、第２の仮想フィルタ２０７（２）は、プロセッサによって実行されるプロセスであり、各分光計から分光計出力を受け取り、複数の分光計２０３からの分光計出力の紫外線及び／または可視波長部分を識別し、そしてＵＶ及び／または可視光波長情報を、分析プロセスへ提供する。
【００４８】
２１０において、監視計算装置１５０は、分析プロセスの一部として、赤外光信号強度及び受信した光信号のうちの任意の２つの間の差を決定する。例えば、光ファイバを介して受信された赤外光信号の強度が決定され比較されて、溶接不規則性を示す、溶融プールの幾何学形状を決定する。一例として、監視プログラムは、受信された各光信号について測定された光信号情報を、同じ時間枠内で受信された他の各光信号についての光信号情報と比較し、同じ時間枠内の他の光信号のいずれかと比較したいずれかの光信号の間で、赤外光信号強度に何らかの有意差があるかどうかを判定する。
【００４９】
２１２において、監視計算装置１５０は、分析プロセスの一部として、紫外線及び／または可視光信号放射強度及び任意の２つの光信号間の差を決定する。例えば、光ファイバを介して受信された紫外線及び／または可視光信号の放射強度を決定し、比較して、アークブローのような異常アーク状態を決定する。異常アーク状態は、斜めの溶接部、不適切な形状の溶接部、または他の溶接不規則性につながる。一例として、監視プログラムは、受信した各光信号について測定された光信号情報を、同じ時間枠内に受信された他の各光信号についての光信号情報と比較し、同じ時間枠内の他の光信号のいずれかと比較したいずれかの光信号の間で、紫外線及び／または可視光信号放射強度に何らかの有意差があるかどうかを判定する。
【００５０】
いくつかの例では、特定の波長の強度、または特定の範囲の波長からの平均強度積分が、例えば図１４Ａ〜図１５Ｂを参照して関して後述するように、比較される。閾値設定に関しては、例えば、経験的に良及び不良と判定された受信光信号データの比較に基づいて、決定される。いくつかの例において、許容範囲データ構造１６４は、監視データ情報及び溶接品質情報を有するデータベースを含み得る。さらにいくつかの例では、監視プログラム１６０は、システム訓練プロセスまたは機械学習プロセスを含むまたはアクセスし、このプロセスは、溶接が実行されているときにデータが受信されたときに監視プログラムが溶接品質に関する判定を行うことができるように実行される。したがって、２つの異なる光ファイバの２つの光信号間の閾値差は、いくつかの例では検出強度間の許容差であってもよい。すなわち、差が閾値より大きい場合、溶接は不規則または欠陥であると判定され得る。 
【００５１】
２１４において、監視計算装置１５０は、分析プロセスの一部として、２１２において実行された比較に基づいてアークが正常であるかどうかを判定する。例えば、１つまたは複数の信号が他の信号と閾値より大きい有意差を有する場合、これはアークが正常ではないことを示している。例えば、大量生産のためのアーク溶接の使用は、アーク安定性及びその結果としてのプロセスの堅牢性を維持するという課題に直面している。アークの状態は、入力電圧、電力、電極先端角、加工物の変動、環境要因などを含む多数の要因によって影響を受ける可能性がある。これらの要因のいずれかが正常な仕様の範囲外の場合、アーク長、半径、強度、及び偏向の変化など、アークの異常が発生する可能性がある。アークの正常性が溶接位置におけるワーク上の熱量及び熱の分布を決定するので、不規則なアークは不規則な溶接部をもたらす。
【００５２】
２１６において、監視計算装置１５０は、分析プロセスの一部として、２１０において実行された比較に基づいて、溶融プール幾何学形状が正常であるかどうかを判定する。例えば、１つまたは複数の信号が他の信号と有意に異なる場合、例えば、差が閾値を超えている場合、これは溶融プールの幾何学形状が正常ではないことを示す。
【００５３】
監視計算装置１５０が２１４でアークが正常ではないと判定した場合、または２１６で溶融プール幾何学形状が正常ではないと判定した場合、２１８において、監視計算装置１５０は、溶接装置のオペレータに通知を提供する。通知は、任意の適切な手段で与えることができる。例えば、監視計算装置１５０または溶接機コントローラ１７０で警告を鳴らす、監視計算装置１５０または溶接機コントローラ１７０に関連するディスプレイ上で通知を表示する、オペレータに関連付けられたモバイルデバイスにテキストメッセージまたはボイスメールを送信する、または、他の可視的及び／または可聴的通知を与えることができる。
【００５４】
２２０において、２１８の動作に加えてまたはその代わりとして、監視計算装置１５０が２１４においてアークが不規則である（正常ではない）と判定した場合、または２１６において溶融プールの幾何学形状が不規則であると判定した場合、監視計算装置１５０は、溶接機コントローラ１７０に信号を送信して、溶接機の少なくとも１つの溶接パラメータを変更させる。いくつかの例では、監視計算装置１５０によって送信される信号は、不規則な（正常ではない）アークまたは不規則な（正常ではない）溶融プール幾何学形状を示す分析の結果を単に含む。他の例では、監視計算装置１５０によって送信される信号は、溶接ツールの少なくとも１つの特定のパラメータを変更するための溶接機コントローラ１７０への命令を含む。例えば、監視計算装置１５０によって送信された信号は、溶接ツールに供給される電流の量を特定の量に変更し、加工物に対する溶接ツールの位置を特定の位置に変更するように溶接機コントローラ１７０に指示する。
【００５５】
２２２において、溶接機コントローラ１７０は、監視計算装置１５０から受信した受信信号に応答して溶接機の少なくとも１つの溶接パラメータを変更する。例えば、監視計算装置１５０から受信した信号に基づいて、溶接機コントローラ１７０は、溶接電極に供給される電流または電圧の量を変更することなどによって、溶接アークを制御するための１つまたは複数のパラメータを変更する。追加的にまたは代替的に、溶接機コントローラ１７０は、加工物に対する溶接ツール及び溶接電極の位置を制御する１つまたは複数のアクチュエータの位置を制御することなどによって、溶接ツールの位置を制御するための１つまたは複数のパラメータを変更する。いくつかの例では、溶接機コントローラ１７０は、溶接に伴う１つまたは複数の不規則性に対処するために溶接を再実行することなどによって、修復を実行する。
【００５６】
２２４に示すように、２１４でアークが正常であると判定され、２１６で溶融プールの幾何学形状が正常であると判定された場合、溶接機コントローラ１７０は、２０２に示すように、溶接プロセスを実行し続ける。例えば、動作が正常であることを示すために、監視計算装置１５０によって信号が溶接機コントローラ１７０に送信される。しかしながら、他の例では、信号は採用しなくてもよい。
【００５７】
図３は、いくつかの実装形態による例示的なプロセス３００を示す流れ図である。いくつかの例では、プロセスは、部分的には光信号受信装置１４０によって、部分的には計算装置１５０によって、及び部分的には溶接機コントローラ１７０によって、実行されるアルゴリズムであり、自動溶接中に複数の光ファイバから受信した光信号を使用して、スポット溶接のような溶接の、アーク及び溶接幾何学形状を監視及び制御する。プロセス３００は、少なくとも物理的ビームスプリッタ及び物理的光フィルタを使用する点でプロセス２００とは異なるが、プロセス２００では分光計が使用され、結果として得られる信号は、分光計によって提供される光信号情報から関心のある波長を識別し決定することによって、監視計算装置１５０のプロセッサによって計算上で「フィルタリング」される。
【００５８】
３０２において、溶接機コントローラ１７０は、溶接プロセスを実行する。例えば、溶接機コントローラ１７０は、加工物上で溶接プロセスを開始し、または加工物上で溶接プロセスを続ける。
【００５９】
３０４において、光信号受信装置１４０は、光ファイバから信号を取得する。例えば、溶接中に、光ファイバは、アーク及び溶接領域によって放射される紫外光、可視光、及び赤外光の波長で放射される電磁放射を受け取り、光ファイバに沿ってこれらの波長を光信号受信装置１４０に送信する。したがって、この例では、図１の例のように４本の光ファイバがあると仮定する。したがって、光信号受信装置１４０は、第１の光信号１３６（１）、第２の光信号１３６（２）、第３の光信号１３６（３）、及び第４の光信号１３６（４）を取得する。
【００６０】
３０６において、光信号受信装置１４０は、光ファイバから光信号１３６を受信し、光信号受信装置１４０に含まれる１つまたは複数のビームスプリッタ３０３を使用して、各光信号１３６を２つの異なる光信号に分割する。この例では、各受信光信号１３６に対応するビームスプリッタ３０３があると仮定する。第１のビームスプリッタ３０３（１）、第２のビームスプリッタ３０３（２）、第３のビームスプリッタ３０３（３）、第４のビームスプリッタ３０３（４）は、それぞれ光信号１３６（１）〜１３６（４）を受信する。ビームスプリッタ３０３はそれぞれの光信号１３６を受信し、各受信光信号１３６を分割して、受信した光信号１３６の第１の部分を第１のフィルタ３０５（１）に、受信した光信号１３６の第２の部分を第２のフィルタ３０５（２）に供給する。
【００６１】
３０８において、光信号受信装置１４０は、光信号をフィルタリングして検知して、監視計算装置１５０に提供する光信号情報を決定する。したがって、第１のフィルタ３０５（１）は、赤外線波長以外の波長を除去する。第１のフィルタ３０５（１）は第１の光センサ３０７（１）に赤外光を供給し、第１の光センサ３０７（１）は、各光ファイバについて受信光信号１３６（１）〜１３６（４）の赤外光信号強度を測定する。同様に、第２のフィルタ３０５（２）は、紫外光波長及び／または可視光波長以外の波長を除去する。第２のフィルタ３０５（２）は、紫外光及び／または可視光を第２の光センサ３０７（２）に供給し、第２の光センサ３０７（２）は、各光ファイバについて光信号１３６（１）〜１３６（４）で受信される紫外光及び／または可視光の放射強度を測定する。第１のセンサ３０７（１）及び第２のセンサ３０７（２）は、センサ３０７によって測定された光信号情報を監視計算装置１５０に提供する。
【００６２】
３１０において、監視計算装置１５０は、分析プロセスの一部として、赤外光信号強度を決定し、受信した光信号のうちの任意の２つの間の差を決定する。例えば、光ファイバを介して受信された赤外光信号の強度が決定され、比較され、溶接の不規則性を示す溶融プールの幾何学形状を決定する。一例として、監視プログラムは、受信された各光信号について測定された光信号情報を、同じ時間枠内に受信された他の各光信号についての光信号情報と比較し、同じ時間枠からの他の光信号のいずれかと比較したいずれかの光信号の赤外光信号強度に何らかの有意差があるかどうかを判定する。
【００６３】
３１２において、監視計算装置１５０は、分析プロセスの一部として、紫外光及び／または可視光信号放射強度を決定し受信した光信号のうちの任意の２つの間の差を決定する。例えば、光ファイバを介して受信された紫外光及び／または可視光信号放射強度が決定され、比較され、斜めの溶接部、不適切な形状の溶接部、または他の溶接不規則性を引き起こす、アークブローのような異常アーク状態を判定する。一例として、監視プログラムは、受信された各光信号について測定された光信号情報を、同じ時間枠内に受信された他の各光信号についての光信号情報と比較し、同じ時間枠からの他の光信号のいずれかと比較したいずれかの光信号の紫外光及び／または可視光信号放射強度に何らかの有意差があるかどうかを判定する。
【００６４】
３１４において、監視計算装置１５０は、分析プロセスの一部として、３１２において実行された比較に基づいてアークが正常であるかどうかを判定する。例えば、１つ以上の信号が閾値以上に他の信号と大きく異なる場合、アークが正常ではないことを示している。例えば、大量生産のためのアーク溶接の使用は、アーク安定性及びその結果としてのプロセスの堅牢性を維持するという課題に直面する。アークの状態は、入力電圧、電力、電極先端角、加工物の変動、環境要因などを含む多数の要因によって影響を受ける可能性がある。これらの要因のいずれかが正常な仕様の範囲外の場合、アーク長、半径、強度、及び偏向の変化など、アークの異常が発生する可能性がある。アークの正常性が溶接位置におけるワーク上の熱量及び熱の分布を決定するので、不規則なアークは不規則な溶接部をもたらす。
【００６５】
３１６において、監視計算装置１５０は、分析プロセスの一部として、３１０において実行された比較に基づいて、溶融プール幾何学形状が正常であるかどうかを判定する。例えば、１つまたは複数の信号が他の信号と大きく異なる、例えば、閾値以上に異なる場合、これは溶融プールの形状が正常ではないことを示している。
【００６６】
３１８において、監視計算装置１５０は、３１４においてアークが不規則（正常ではない）であると判定した場合、または３１６で溶融プール幾何学形状が不規則である（正常ではない）と判定した場合、溶接装置のオペレータに通知を行う。通知は任意の適切な手段によって提供することができ、例えば、監視計算装置１５０若しくは溶接機コントローラ１７０で警告を鳴らす、監視計算装置１５０若しくは溶接機コントローラ１７０に関連するディスプレイ上に通知を表示する、または、オペレータに関連付けられたモバイルデバイスにテキストメッセージまたはボイスメールを送信し、他の視覚的及び／または聴覚的な通知を与えることができる。
【００６７】
３２０において、３１８の動作に加えて、またはその代わりとして、監視計算装置１５０は、３１４においてアークが不規則である（正常ではない）と判定した場合、または３１６において溶融プールの幾何学形状が不規則であると判定した場合、監視計算装置１５０は、溶接機コントローラ１７０に溶接機の少なくとも１つの溶接パラメータを変更させるために、溶接機コントローラ１７０に信号を送信する。いくつかの例では、監視計算装置１５０によって送信される信号は、異常アークまたは異常溶融プール幾何学形状を示す分析の結果を単に含む。他の例では、監視計算装置１５０によって送信される信号は、溶接機コントローラ１７０への、溶接ツールの少なくとも１つの指定のパラメータを変更する命令を含む。例えば、監視計算装置１５０によって送信された信号は、溶接ツールに供給される電流の量を指定の量に変更し、加工物に対する溶接ツールの位置を指定の位置に変更するように溶接機コントローラ１７０に指示する。
【００６８】
３２２において、溶接機コントローラ１７０は、監視計算装置１５０から受信した受信信号に応答して、溶接機の少なくとも１つの溶接パラメータを変更する。例えば、監視計算装置１５０から受信した信号に基づいて、溶接機コントローラ１７０は、溶接電極に供給される電流または電圧の量を変更することなどによって、溶接アークを制御するための１つまたは複数のパラメータを変更する。追加的にまたは代替的に、溶接機コントローラ１７０は、加工物に対する溶接ツール及び溶接電極の位置を制御する１つまたは複数のアクチュエータの位置を制御するなどによって、溶接ツールの位置を制御するための１つまたは複数のパラメータを変更する。いくつかの例では、溶接機コントローラ１７０は、溶接における１つまたは複数の不規則性に対処するために、溶接を再実行することなどによって修復を行う。
【００６９】
３２４に示すように、３１４でアークが正常であると判定され、３１６で溶融プールの幾何学形状が正常であると判定されると、溶接機コントローラ１７０は、３０２に示すように、溶接プロセスを実行し続ける。例えば、動作が正常であることを示すために、監視計算装置１５０によって信号が溶接機コントローラ１７０に送信される。しかしながら、他の例では、信号は採用されなくてもよい。
【００７０】
本明細書におけるいくつかの実装形態は、例えば図１〜３に関して上述したように、自動溶接中にセンサとして複数の光ファイバを使用し、例えばスポット溶接や他の種類の溶接において、溶接アーク及び溶接部の幾何学形状に焦点を当てている。本明細書の実施例は、これらの複数の光ファイバを通して受信される電磁放射信号を比較することを含み、これにより、閾値差を超える差を検出して、溶接中に、溶接幾何学形状が不規則であるかどうかを決定する、及び／または、アークブローなどのアーク不規則性を検出する。したがって、いくつかの例は、赤外光範囲、紫外光範囲及び／または可視光範囲における受信光信号強度を比較して、溶融プール／溶接ビード幾何学形状及び／または溶接アーク構成を決定する。
【００７１】
図４Ａ〜４Ｄは、いくつかの実装形態による例示的な光ファイバ配置位置を示す。図４Ａの例では、図１に関して上述した例と同様に、光ファイバ１３２はコレット１３０内に埋め込まれており、例えば、コレット１３０に形成されたスルーホール４０２内に配置される。したがって、この例では、光ファイバ１３２（１）から１３２（４）は、溶接電極１１０の周囲に対称に配置され（例えば、溶接電極の中心の周りに放射状に対称）、さらに、コレット１３０内に配置され、コレット１３０によって支持される。
【００７２】
図４Ｂは、図４Ａの例の断面図であって、図４Ａの４Ｂ−４Ｂ線に沿って見たときの断面図である。図４Ｂは、光ファイバ１３２が溶接電極１１０の周りに対称に配置されていることを示している。したがって、溶接電極によって生成されたアークが、アークブローなどによって溶接電極１１０の一方の側に偏っている場合、光ファイバの１つは、溶接電極１１０の反対側の光ファイバよりも強い強度の光を受け取る。同様に、溶接中に生成された溶融プール及び／または溶接ビードが予期せぬ形で非対称である場合には、光ファイバ１３２（１）〜１３２（４）のうちの１つによって受けられる光の強度は、光ファイバ１３２（１）〜１３２（４）のうちの１つまたは複数の他のものによって受け取られるものとは異なる。
【００７３】
図４Ｃは、３本の光ファイバが溶接電極１１０の周りに対称的に配置され、コレット１３０の貫通孔４０２内に配置されている例を示している。図４Ｄは、図４Ｃの例の断面図を示し、図４Ｃの線４Ｄ−４Ｄに沿って見たときの図４Ｃの断面図である。図４Ｄの例は、光ファイバ１３２が溶接電極１１０の周りに対称に配置されていることを示している。したがって、溶接電極によって発生したアークが、アークブローなどによって溶接電極１１０の一方の側に偏っている場合、光ファイバのうちの１つは、溶接電極１１０の反対側の光ファイバよりも、強い強度の光を受ける。同様に、溶接中に生成された溶融プール及び／または溶接ビードが予期せぬ形で非対称である場合、光ファイバ１３２（１）〜１３２（３）のうちの１つによって受けられる光の強度は、光ファイバ１３２（１）〜１３２（３）のうちの１つまたは複数の他のものによって受け取られるものとは異なることになる。
【００７４】
図５Ａ〜５Ｄは、いくつかの実装形態による例示的な光ファイバ配置位置を示す図である。図５Ａ〜５Ｄの例では、光ファイバは、ノズル１０４の外側面に配置されている。一例として、この構成は、ノズル１０４またはコレット１３０の穿孔が望ましくないかまたは実用的ではない状況で使用される。そのような一例は、溶接ツール１０２が小さいサイズの場合である。さらに、いくつかの例では、追加の冷却媒体（図５Ａ〜５Ｄには示されていない）を利用して、光ファイバへの熱損傷を防ぐことができる。
【００７５】
図５Ａの例では、光ファイバ１３２は、ツールノズル１０４の外側面の周上に配置する。さらに、本明細書では説明の便宜のために光ファイバ１３２を切り取って示しているが、光ファイバ１３２は、上述のように、そして例えば図１に示すように、ハウジング１０６に沿って、上述した光信号受信装置１４０まで延びている。光ファイバは、接着剤、機械的固定具、一体的に形成されたコネクタなどのような、任意の適切な技術を使用してノズル１０４及び管状本体１０６に固定することができる。
【００７６】
図５Ｂは、図５Ａの例の断面図を示し、図５Ａの５Ｂ−５Ｂ線に沿って見た図である。図５Ｂの例は、光ファイバ１３２がノズル１０４の外面の周りに対称的に配置されていることを示している。図５Ｂでは、４つの光ファイバ１３２（１）〜１３２（４）が見えているが、図５Ａにおいて、２つの光ファイバ１３２（１）及び１３２（３）のみが、見えている。
【００７７】
図５Ｃは、３本の光ファイバ１３２がノズル１０４の外側に対称に配置されている例を示している。図５Ｄは、図５Ｃの例の断面図を示し、図５Ｃの５Ｄ−５Ｄ線に沿って見た図である。図５Ｄの例は、光ファイバ１３２がノズル１０４及び溶接ツール本体１０６の外側の周りに対称的に配置されていることを示す。さらに、図５Ｄの図では、３本全ての光ファイバ１３２（１）〜１３２（３）が見えるが、図５Ｃでは、光ファイバ１３２（１）及び１３２（３）（部分的に隠れ線で示されている）のみが見えている。
【００７８】
図６Ａ〜６Ｄは、いくつかの実装形態による例示的な光ファイバ配置位置を示す図である。図６Ａ〜６Ｄの例では、光ファイバはガスノズル１０４の内側に配置されている。一例として、この構成は、コレット１３０の穿孔が望ましくないかまたは実用的ではなく、光ファイバを溶接ツールノズル１０４の外側上に配置することが望ましくない状況で使用される。例えば、この実装形態では、シールドガスは、上述のいくつかの実装形態と同様に、光ファイバ用の冷却剤としても機能する。
【００７９】
図６Ａの例では、光ファイバ１３２は、ツールノズル１０４の内側に、周上に配置されている。さらに、本明細書では説明の便宜のために光ファイバ１３２を切り取って示しているが、図１に示す例と同様に、光ファイバ１３２は、ハウジング１０６の内側に沿って、上述した光信号受信装置１４０まで延びている。光ファイバ１３２は、接着剤、機械的固定具、一体的に形成されたコネクタなどのような任意の適切な技術を使用して、ノズル１０４及び管状本体１０６に固定することができる。
【００８０】
図６Ｂは、図６Ａの例の断面図を示し、図６Ａの６Ｂ−６Ｂ線に沿って見た図である。図６Ｂの例は、光ファイバ１３２がノズル１０４の内部の周りに対称的に配置されていることを示す。さらに、図６Ｂの図では、４本の光ファイバ１３２（１）〜１３２（４）が見えるが、図６Ａの図では、光ファイバ１３２（１）及び１３２（３）のみが見えている。図５Ａ〜図６Ｂに示すように、一例において、複数の光ファイバの１つ以上の光ファイバは、ノズルの内側またはノズルの外側のうちの少なくとも一方において、ノズルの円錐形状部に取り付けられる。
【００８１】
図６Ｃは、４本の光ファイバ１３２が溶接電極１１０の外側に対称に配置されている例を示している。図６Ｄは、図６Ｃの例の断面図を示し、図６Ｃの６Ｄ−６Ｄ線に沿って見た図である。図６Ｄの例は、光ファイバ１３２が溶接電極の外側の周上に対称的に配置されていることを示している。さらに、全４本の光ファイバ１３２（１）〜１３２（４）が図６Ｄの図には見えているが、図６Ｃの図では、光ファイバ１３２（１）、１３２（２）、及び１３２（３）のみが見えている。いくつかの例では、光ファイバは、１つまたは複数のリング形状ばね、１つまたは複数のホースクランプ、接着剤、または他の適切な固定具（図６Ａ及び図６Ｄには不図示）などによって、溶接電極１１０上の定位置に維持することができる。
【００８２】
説明のために、コレット１３０に取り付けられ、ノズル１０４の内側または外側に取り付けられ、溶接電極１１０に取り付けられているなど、いくつかの例示的な光ファイバ配置を本明細書で説明する。しかしながら、本明細書における光ファイバの配置は、図示及び説明された例に限定されず、ノズルまたは溶接ツール本体に統合されたものなどの他の配置位置、記載された配置位置の任意の組み合わせ、または他の配置位置に拡張することができることは、本明細書の開示の恩恵を受ける当業者には明らかであろう。
【００８３】
さらに、円形スポット溶接が選択される場合など、本明細書に記載されるいくつかの特定の用途の場合、光ファイバは、溶接電極１１０などの周りに均一に及び／またはそうでなければ対称的に分布するように示される。しかし、光ファイバの数、ならびに光ファイバの分布及び配置は、対称配置に限定されず、不均一または他の非対称配置に拡張することができる。例えば、曲がった又は不規則な形状を有する加工物を溶接するときのような特定の用途に対して所望のスポット溶接形状が不規則であることが望まれる場合のように、光ファイバの最小数は場合によっては４本以上である。
【００８４】
図７は、いくつかの実装による強度対波長の例示的グラフ７００を示す。この例では、グラフ７００は、軟鋼のＴＩＧ溶接に関する典型的なアーク放射スペクトルを表す。グラフ７００に示されるように、アークから検出される光信号は、紫外から（例えば３８０ｎｍ未満から可視光スペクトルまで（例えば７５０ｎｍまで））広範囲のスペクトルにわたる光の波長を含む。図７のスペクトルは、発生したアークによって放射された光を表し、連続スペクトルと特性線スペクトルとからなる。強度の高い放射の大部分は、紫外領域７０２及び３８０〜６００ｎｍの短波長可視光領域７０４にある。
【００８５】
図８は、いくつかの実装形態による放射エネルギ対波長の例示的グラフ８００を示す。可視光の範囲は８０２で陰影領域として示され、紫外光範囲８０４は可視光範囲８０２の左側にあり、赤外光範囲８０６は可視光範囲８０２の右側にある。このグラフは、溶融プールからの放射に対する、典型的な黒体の放射エネルギ対波長を表す。この例では、放射エネルギは近赤外範囲、例えば７５０〜１０００ｎｍの間でピークに達する。したがって、この範囲の溶融プール特性を決定することは溶融プールの状態と密接に関係している。
【００８６】
図１〜３の例では、光ファイバを介して受信された光信号は、（物理的または計算上）特定の波長範囲にフィルタリングされてもよい。例えば、紫外光及び可視光の範囲はアーク状態に敏感であり、赤外光範囲は溶融プールの状態により敏感である。図３に関して上述したように、ビームスプリッタ及び物理的光学フィルタが光ファイバに直列に接続されて、検出されている溶接状態の検出に寄与しない範囲の電磁放射を除去する。図２に関して説明したように、代替的な方法は、光ファイバを分光計に直列に接続し、続いて、得られたデータを計算によりフィルタリングして、検出されている溶接状態（すなわちアーク状態または溶融プール状態）にとって重要な光強度を有する特定波長を分離する。
【００８７】
他の例では、監視システムは、特定の波長範囲を分離するために光信号をフィルタリングすることなく動作してもよい。例えば、全スペクトルは、各光信号について分光計を使用することによって収集される。一例として、許容可能で欠陥のあるスペクトルパターンを用いてデータベースを構成することができる。したがって、受信スペクトルをデータベース内の許容可能な欠陥スペクトルパターンと比較して、溶接部または関連するアークが不規則であるかどうかを判定することができる。
【００８８】
いくつかの例では、機械学習モデルを使用してスペクトル比較を実行することができる。例えば、機械学習モデルは、許容可能で欠陥のあるスペクトルパターンのデータベースを使用して訓練される。続いて、複数の光ファイバから受信した新たな受信パターンを機械学習モデルに提供して、分類する、または、信頼レベル内などの範囲内で、許容範囲可能で欠陥のあるスペクトルパターンとのマッチングを行う。適切な機械学習モデルの例は、ランダムフォレスト、サポートベクターマシン、または畳み込みニューラルネットワークなどの深層学習ネットワークなどの分類モデルを含む。適切な機械学習モデルのさらなる例は、予測モデル、決定木、線形回帰モデルなどの回帰モデル、マルコフモデル及び隠れマルコフモデルなどの確率モデル、回帰ニューラルネットワークなどの人工ニューラルネットワークなどを含む。したがって、本明細書における実装形態は、特定のタイプの機械学習モデルに限定されない。
【００８９】
図９Ａ〜９Ｄは、いくつかの実施態様による例示的な溶接幾何学形状を示す図である。図９Ａは、第１の加工物部分９０２と第２の加工物部分９０６とを接続する楕円形スポット溶接部９０２が形成された加工物９００の上面図を示す。図９Ｂは、図９Ａの線９Ｂ−９Ｂに沿って見たときの加工物９００及び楕円形スポット溶接部９０２の断面図を示す。この例では、楕円形スポット溶接部９０２は、第１の加工物部分９０４と第２の加工物部分９０６との間の接合部９０８の中心にあり、加工物９００内に意図した距離まで貫通して、本明細書のいくつかの実施形態による、対称的で概ね上手く形成された楕円形スポット溶接部の例を与える。
【００９０】
楕円形スポット溶接部９０２の溶接品質を検出するために、図１〜３に関して上述したような本明細書のいくつかの例に従って、４つの対称的に配置された光ファイバ１３２（１）〜１３２（４）を使用することができる。例えば、溶接部の作成中に、光ファイバ１３２（１）〜１３２（４）は、概して溶接部９０２に関して示されるように位置決めされる。したがって、第１の光ファイバ１３２（１）から受信される光信号を第３の光ファイバ１３２（３）から受信された光信号と比較することによって、受信された光信号が許容される閾値量内で概ね同じである場合、溶接部は概ね対称的である。同様に、第２の光ファイバ１３２（２）から受信した光信号が第４の光ファイバ１３２（４）から受信した光信号と概ね同じである場合、これはまた、溶接部が概ね対称的であることを示す。さらに、第１及び第３の光ファイバによって受信された光信号が、第２及び第４の光ファイバによって受信された光信号よりも高い強度を有する場合、楕円形状を示す。さらに、各光ファイバによって受信された受信光の強度の量を検出することによって、図８のグラフ８００に示されているように基準放射エネルギ情報と比較するときに、４つの光ファイバによって検出された４つの位置すべてにおいて、溶融プールが適切な溶接部の形成に十分な温度を達成したかどうかを判定することが可能である。
【００９１】
図９Ｃは、第１の加工物部分９０４と第２の加工物部分９０６を接続する円形スポット溶接部９１０がその上に形成された加工物９００の上面図を示す。図９Ｄは、図９Ｃの線９Ｄ−９Ｄに沿って見たときの加工物９００及び円形スポット溶接部９１０の断面図を示す。この例では、円形スポット溶接部９１０は、第１の加工物部分９０４と第２の加工物部分９０６との間の接合部９０８の中心にあり、加工物９００内に意図した深さまで貫通して、本明細書のいくつかの実施形態による、対称的で概ね上手く形成された円形スポット溶接部の例を与える。
【００９２】
円形スポット溶接部９１０の溶接品質を検出するために、図１〜３に関して上述したような本明細書のいくつかの例と同様に、３つの対称的に配置された光ファイバ１３２（１）〜１３２（２）を使用することができる。例えば、円形溶接部９１０の作成中に、光ファイバ１３２（１）〜１３２（３）は概して溶接部９１０に関して示されるように位置決めさる。したがって、第１の光ファイバ１３２（１）によって受信された光信号を第２の光ファイバ１３２（２）及び第３の光ファイバ１３２（３）によって受信された光信号と比較することによって、さらに、第２の光ファイバ１３２（２）によって受信された光信号を第３の光ファイバ１３２（３）によって受信された光信号と比較することによって、円形スポット溶接部９１０の対称性を検出することができる。さらに、光ファイバによって検出された放射強度が概ね同じである場合、これは円形溶接部９１０が実際に円形であることを示している。さらに、各光ファイバによって受信された受信光の強度の量を検出することによって、図８のグラフ８００に示されているような基準放射エネルギ情報と比較したとき、溶融プールが、３つの光ファイバによって検出された３つの位置すべてにおいて適切に溶接部を形成するのに十分な温度を達成したかどうかを判定することが可能である。
【００９３】
図１０Ａ及び１０Ｂは、いくつかの実装形態による溶接幾何学形状監視の一例を示す図である。図１０Ａは、不規則な楕円形溶接部１００２が形成された溶接ツール１０２及び加工物９００の側面断面図を示す。図１０Ｂは、図１０Ａの加工物９００の上面図を示し、線１０Ａ−１０Ａは、上面図における図１０Ａの断面の位置を示す。図１０Ａ及び１０Ｂは、加工物９００に対する溶接ビード位置のずれによる溶接幾何学形状の不規則性を示す。破線１００４は、加工物９００に対する目標溶接位置を示す。
【００９４】
この例では、溶接中に不規則な溶融プールが形成されている。結果として、光ファイバ１３２によって検出される近赤外光信号は、接合部９０８の両側に非対称的な分布を有する。例えば、接合部９０８の左側には、強いＩＲ放射の領域１００６があり、接合部９０８の右側には、低いＩＲ放射の領域がある。監視プログラムは、図１〜３を参照して上述した技術を使用して差異を検出し、オペレータに警告する、または、溶接機コントローラに制御信号を送信して、例えば、オフセットを補償するために電極位置を調整することによって、溶接を自動的に修正する。さらに、本明細書の監視システムは、検出されたＩＲ放射に基づいて同様の方法で、不規則な大きさまたは形状などの他の溶接幾何学的不規則性を検出することができる。
【００９５】
図１１Ａ及び１１Ｂは、いくつかの実装形態によるアークブローを監視する一例を示す図である。図１１Ａは、不規則な溶接部１１０２が形成された溶接ツール１０２及び加工物９００の側面断面図を示す。図１１Ｂは、図１１Ａの加工物９００の上面図を示し、線１１Ａ−１１Ａは、上面図における図１１Ａの断面の位置を示す。図１１Ａ及び１１Ｂは、アークブローによる溶接不規則性を示す。円形破線１００４は、加工物９００に対する目標溶接位置及び幾何学形状を示す。
【００９６】
この例では、不規則に形成された溶接部１１０２をもたらす不規則なアークによって示されるように、アークブローが発生した。アークブロー（「アークワンダー」とも呼ばれる）は、不均衡な磁場または熱効果に起因する望ましくない溶接状態である。アークブローが発生すると、アークは最短経路、つまり図１１Ａの垂直方向から偏向する。その結果、図１１Ｂに示す斜めの溶接部のような欠陥のある溶接部が生じる。
【００９７】
アークは、図７に関して上述したように、主に紫外光及び可視光範囲内のスペクトル範囲の放射を発生させる。溶接中に各光ファイバが受ける紫外光及び可視光を分析して、著しいアークブロー挙動があるかどうか、もしあるならば、偏向方向を検出する。加えて、アークブローを検出するために、本明細書の実装形態は、不適切な電流または電圧や電極の磨耗等に起因する異常なアーク出力のような他のアーク状態を、上述の技術を通じて検出する。
【００９８】
図１２は、いくつかの実装形態による例示的プロセス１２００を示すフロー図である。このプロセスは論理フロー図においてブロックの集まりとして示されており、一連の動作を表している。ブロックが記載されている順序は、限定として解釈されるべきではない。場合によっては、説明されたブロックを組み合わせて、異なる順序で実行することができ、及び／またはプロセスまたは代替プロセスを実装するために並行して実行することができ、全てのブロックを実行する必要はない。説明の目的で、本プロセスは、本明細書の実施例に記載されている環境及び装置を参照して記載されているが、プロセスは他の様々な環境及び装置で実施することができる。いくつかの例では、プロセスは、少なくとも部分的に、図１に関して上で論じられた監視計算装置１５０（及び／または溶接機コントローラ１７０）によって実行され得る。
【００９９】
１２０２において、計算装置は、溶接作業中に溶接領域から電磁放射を受け取るように配置された複数の光ファイバの個々の光ファイバについての赤外光信号強度の許容範囲を決定する。例えば、許容範囲は、経験的に事前に決定されていてもよく、図１に関して上述したように、計算装置にアクセス可能な記憶場所の許容範囲データ構造に格納されてもよい。
【０１００】
１２０４において、計算装置は、複数の光ファイバの個々の光ファイバについて放射紫外光及び可視光信号強度についての許容範囲を決定する。例えば、許容範囲は、経験的に事前に決定されていてもよく、計算装置にアクセス可能な記憶場所に記憶されてもよい。
【０１０１】
１２０６で、計算装置は、溶接作業中に複数の光ファイバを介して受信されたそれぞれの光信号に基づく光信号情報を受信する。図１〜３に関して上述したように、光信号受信装置は、光ファイバから光信号を受信し、光信号情報を出力する。光信号情報は、受信した光信号に関するデジタル情報である。受信した光信号は、溶接作業中の溶接部からそれぞれの光ファイバによって受信された紫外光、可視光、及び赤外光電磁放射強度を示す。
【０１０２】
１２０８において、計算装置は、光ファイバのうちの第１の光ファイバに対応する光信号情報を、光ファイバのうちの第２の光ファイバに対応する光信号情報と比較する。いくつかの例において、計算装置は、各光ファイバについて受信された光信号情報を他の光ファイバのそれぞれと比較して、その差が許容されるしきい値差を超えるかどうかを判定してもよい。差が閾値を超える場合、溶接幾何学形状または溶接アークなどの溶接が、不規則であると判定され得る。
【０１０３】
１２１０において、計算装置は、各光ファイバについて受信された光信号情報を放射紫外光及び可視光信号強度についての許容範囲と比較する。いくつかの例において、計算装置は、比較を行うために、許容範囲データ構造にアクセスしてもよい。いずれかの光ファイバについての光信号情報が許容範囲外である場合、溶接部は不規則であると判定される。
【０１０４】
１２１２において、計算装置は、各光ファイバについて受信された光信号情報を赤外光信号強度についての許容範囲と比較する。いくつかの例において、計算装置は、比較を行うために、許容範囲データ構造にアクセスしてもよい。いずれかの光ファイバについての光信号情報が許容範囲外である場合、溶接部は不規則であると判定される。
【０１０５】
１２１４において、１２０８、１２１０、及び／または１２１２での比較に少なくとも一部に基づいて、計算装置は、溶接幾何学形状または溶接アークのうちの少なくとも１つが、不規則であるかどうかを少なくとも部分的に判定する。
【０１０６】
１２１６において、計算装置は、溶接幾何学形状または溶接アークのうちの少なくとも一方が不規則であると判定したことに基づいて、少なくとも１つの動作を実行する。
【０１０７】
図１３は、いくつかの実装形態による例示的なプロセス１３００を示すフロー図である。この例では、光信号１３６は、光信号１３６が受信された時間に従って相関される。光信号１３６から決定されるセンサの読み取り値は、その後分析のためにデータ構造１３０２に格納される。したがって、いくつかの例では、プロセス１３００は、図１〜３に関して上述した監視計算装置１５０上のプロセッサ１５２が、監視プログラム１６０からの命令を実行することによって、少なくとも部分的に実行され得る。さらに、いくつかの例では、プロセス１３００は、少なくとも部分的に上述した溶接機コントローラ１７０またはロボットコントローラなどの他の計算装置によって実行され得る。
【０１０８】
１３０４において、溶接機コントローラ１７０は、制御信号１３０３を溶接機１３０６に送信し、いくつかの例において、複数の分光計２０３（または図３の実施形態の場合にはセンサ３０７（図１３において不図示））及び／または監視計算装置１５０に、追加の信号１３０５を同時に送信して、溶接中に光信号１３６の感知を引き起こす。溶接機コントローラ１７０は、オペレータによって手動で溶接を開始させる。他の例において、溶接は、監視計算装置１５０によって開始されてもよく、溶接機コントローラ１７０によって実行されるソフトウェアによって開始されてもよく、またはロボットコントローラなどの別の計算装置によって開始されてもよい。一例として、溶接は、監視計算装置１５０上の監視プログラムによって開始されてもよく、それは溶接機コントローラ１７０に制御信号１３０３を溶接機１３０６に送信させる。別の例として、図１〜３を参照して説明したように、溶接機コントローラ１７０によって実行されるソフトウェアは制御信号１３０３を送信して溶接プロセスを開始し、さらに制御信号１３０５を送信して複数の分光計２０３（またはセンサ３０７）に溶接領域から光ファイバによって受信された光信号を読み取らせる。
【０１０９】
別の例として、監視計算装置１５０は、溶接機コントローラから制御信号１３０５を受信し、複数の分光計２０３と通信して分光計２０３からの読み取り値を光信号情報１４２として受信する。他の例において、監視計算装置１５０が溶接機コントローラ１７０に溶接を開始させる場合、監視計算装置１５０はまた、分光計２０３（または実装によってはセンサ３０７）から光信号情報を受信するために分光計２０３と通信する。いくつかの例では、複数の分光計２０３（またはセンサ３０７）は、同じデータ収集頻度に従って受信信号をサンプリングする。データ収集頻度は、分光計２０３自体または監視計算装置１５０のプロセッサによって制御される。
【０１１０】
１３１０において、監視計算装置プロセッサは、分光計／センサからの読み取りのタイミングを決定し、タイミングに関連して読み取り値をデータ構造に格納する。一例として、タイムスタンプは、対応する光ファイバ識別子（ＩＤ）に対するデータ構造１３０２内の各分光計２０３からの各読み取りと関連付けられて記憶されてもよい。この例では、データ構造１３０２は、Ｔ１、Ｔ２、・・・、ＴＮなどの各読み取りについての時間１３１２、及びファイバ１、ファイバ２、・・・、ファイバＭなどのファイバＩＤ１３１４を格納する。ファイバＩＤは、光信号１３６を分光計２０３（１）〜２０３（４）または他の例では複数のセンサ３０７に供給するファイバに対応する。１３１６に示すように、各ファイバＩＤ１３１４及び各時間間隔１３１２について、データ構造１３０２は、各分光計またはセンサによって読み取られた対応する光信号から決定された強度読み取り値を格納する。監視計算装置はその後、リアルタイムで溶接部の分析を実行するために記憶された読み取り値を使用する。いくつかの例では、データ構造１３０２は、図１に関して上述した溶接ログデータ構造１６２の一部である、及び／またはその中に含まれる。
【０１１１】
図１４Ａ及び１４Ｂは、いくつかの実装形態による、異なる光信号から信号強度を決定する例を示す。例えば、検出された強度は、図１３に関して上述したデータ構造１３０２から、各光ファイバＩＤについて特定の波長において決定される。各光ファイバＩＤは、溶接ツールや溶接部などの位置に対応し、形成されている溶接部の一部からの光信号を検出し、各光信号を溶接部の各部分に関連付ける。
【０１１２】
図１４Ａの例では、図１３の時間Ｔ２の間、分光計２０３（１）は、光ファイバ１から信号を受信し、強度グラフ１４００を提供するとする。この場合、１４０２に示すように、波長４００ｎｍにおける信号の強度は４５０ａ．ｕ．であるとする。図１４Ｂの例では、同じ時間Ｔ２の間、分光計２０３（２）が光ファイバ２から信号を受信して、強度グラフ１４０４を提供するとする。この場合、１４０６に示されるように、４００ｎｍの波長における信号の強度は２５０ａ．ｕ．であるとする。
【０１１３】
いくつかの例において、これらの強度を互いに比較して、それらが互いの閾値内にあるかどうかを判定して、溶接が許容可能であるかまたは不規則であるかを、示すことができる。追加的に又は代替的に、各ファイバＩＤについて測定された強度は、経験的に定められた範囲の許容範囲データ構造１６４で特定されるそのファイバＩＤについての許容範囲と比較され、測定強度が、対応する時間及び溶接位置について決定されている範囲内にあるか否かを判定する。さらに、４００ｎｍが本例における比較のための例示的な波長として使用されるが、本明細書における実装形態は特定の波長に限定されない。
【０１１４】
図１５Ａ及び１５Ｂは、いくつかの実装による、異なる光信号から平均信号強度を決定する例を示す。上述の図１４及び１４Ｂの例と同様に、この例では、図１５Ａのグラフ１５００は、光ファイバ１からの第１の光信号読み取り値を表し、図１５Ｂのグラフ１５０２は、光ファイバ２からの第２の光信号読み取り値を表すとする。グラフ１５００において、１０００ｎｍの範囲における放射エネルギは、１５０６において示されるように、約４ａ．ｕ．の平均強度を有するとする。一方、グラフ１５０２において、１５０８で示されるように、１０００ｎｍにおける放射エネルギは、約３ａ．ｕ．の平均強度を有するとする。
【０１１５】
いくつかの例において、これらの平均強度を互いに比較して、それらが互いの閾値内にあるかどうかを判定し、溶接が許容可能であるかまたは不規則であるかを示す。追加的に又は代替的に、各ファイバＩＤについて測定された平均強度は、経験的に決定された範囲の許容範囲データ構造１６４で特定されるそのファイバＩＤについての許容範囲と比較され、測定強度が対応する時間及び溶接位置について決定された範囲内にあるか否かを決定する。さらに、１０００ｎｍの範囲がこの例における比較のための例示的な波長範囲として使用されているが、本明細書における実装形態は特定の波長範囲に限定されない。
【０１１６】
本明細書に記載の例示的なプロセスは、説明の目的で提供されたプロセスの単なる例である。本明細書の開示に照らせば、他の多数の変形が当業者には明らかであろう。さらに、本明細書の開示は、プロセスを実行するための適切なフレームワーク、アーキテクチャ、及び環境のいくつかの例を説明しているが、本明細書の実装形態は、示し説明した特定の例に限定されない。さらに、本開示は、説明され図面に示されるように、様々な例示的な実装形態を提供する。しかし、本開示は、本明細書で説明及び図示された実装形態に限定されず、知られるように、または当業者に知られるようになるように、他の実装形態に拡張することができる。
【０１１７】
本明細書に記載の様々な命令、方法、及び技法は、計算機可読媒体に格納され、本明細書のプロセッサによって実行されるコンピュータプログラム及びアプリケーションなどのコンピュータ実行可能命令の一般的な文脈で考えることができる。一般に、プログラム及びアプリケーションという用語は互換的に使用されることがあり、特定のタスクを実行するためまたは特定のデータタイプを実装するための命令、ルーチン、モジュール、オブジェクト、コンポーネント、データ構造、実行可能コードなどを含むことがある。これらのプログラム、アプリケーションなどは、ネイティブコードとして実行することができ、または仮想マシンまたは他のジャストインタイムコンパイル実行環境の中などでダウンロードして実行することができる。典型的には、プログラム及びアプリケーションの機能は、様々な実装形態において望まれるように組み合わせられまたは分散され得る。これらのプログラム、アプリケーション、及び技術の実装は、計算機記憶媒体に格納されるか、または何らかの形の通信媒体を介して送信され得る。
【０１１８】
主題は構造的特徴及び／または方法論的行為に特有の言語で説明されているが、添付の特許請求の範囲に規定される主題は必ずしも説明された特定の特徴または行為に限定されないことを理解されたい。そうではなく、特定の特徴及び動作は、特許請求の範囲を実施する例示的形態として開示されている。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図４Ｄ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図５Ｄ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図６Ｄ】
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【図７】
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【図８】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図９Ｃ】
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【図９Ｄ】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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【図１５Ａ】
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【図１５Ｂ】
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