(57)【要約】スプレーされまたは処理される表面の温度プロファイルの温度を測定する装置であって、溶融された鋼をスプレーする４個の電気アークスプレーガン（１）を備える。ガン（１）は、６軸工業ロボット（２）に接続され、ロボット（２）は、セラミック基板（３）の表面にわたってガン（１）を移動するように構成される。スプレーによって堆積された金属は、スプレー形成と呼ばれる金属シェルを構築する。スプレー形成表面（３）の温度プロファイルは、表面（３）の上に直接配置された熱撮像カメラ（４）によって周期的に記録される。カメラ（４）の視野領域が、ロボット（２）、アークスプレーガン（１）、またはアークスプレーガンのケーブル（５）によって遮蔽されないとき、スプレー形成表面（３）の全体の熱画像が、記録されることができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
スプレーされまたは処理される表面の温度プロファイルを、推定し、予測し、または測定するための装置であって、前記装置は、前記表面の熱画像を撮影するための少なくとも１つの熱画像撮影装置を備え、前記表面は、１つ以上の機器によってスプレーされあるいは処理され、前記１つ以上の機器が、スプレーまたは処理プロセスの間に少なくともあるときに前記熱画像を遮蔽するように配置され、前記装置が、前記熱画像の遮蔽された部分の温度プロファイルを、推定し、予測し、または測定する手段を含むことを特徴とする装置。
【請求項２】
枝刈りフィルタ手段を備え、枝刈りフィルタ手段が、前記熱画像撮影装置によって撮影された画像の各ピクセルを受け、かつ該各ピクセルに少なくとも低温度限界を適用し、前記低温度限界よりも低い温度を有すると測定された任意のピクセルを排除しまたは無視することを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記枝刈りフィルタ手段は、前記ピクセルおよび前記ピクセルの周りのマスク内の全てのピクセルに対して、前記低温度限界を適用するように構成されることを特徴とする請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記装置は、前記枝刈りフィルタ手段によって無視または排除されなかったピクセルだけを使用して、前記表面の温度を、推定し、予測し、または測定するように構成されたことを特徴とする請求項２または３に記載の装置。
【請求項５】
前記枝刈りフィルタ手段は、低温度限界および高温度限界を適用し、所定の低温度限界より低い温度または所定の高温度限界より高い温度を有すると測定された任意のピクセルを排除しまたは無視することを特徴とする請求項２から４のいずれか一項に記載の装置。
【請求項６】
前記高温度限界が、通常の動作の間にスプレーされまたは処理される表面に関して許容可能な最高温度に設定される、または最高温度に近く設定されることを特徴とする請求項５に記載の装置。
【請求項７】
前記低温度限界は、以下の式を使用して測定され、
（[正規化された限界（ｘ，ｙ）×マスタ平均（ｔ）]−境界）℃
ここで、正規化された限界は、表面の平滑にされ明瞭な熱画像を、その平均で分割することによって測定された正規化された画像アレイであり、またはモデルから計算されることができ、
マスタ平均は、最新のマスタ画像（時間ｔで）の平均値であり、かつ
境界は、結果としての低温度限界が、排除されまたは無視される画像の全ての無効なピクセルの結果となることを確実にするように単に選択されまたは測定される一定の境界であることを特徴とする請求項５または６に記載の装置。
【請求項８】
前記枝刈りフィルタ手段によって適用されたマスクのサイズは、熱画像における最大量のぼやけを含むピクセル数に実質的に等しいことを特徴とする請求項３に記載の装置。
【請求項９】
前記枝刈りフィルタ手段によって無視されまたは排除されなかったピクセルに適用されるカルマンフィルタ手段を備え、前記カルマンフィルタ手段は、前記表面の予測された温度プロファイルを生成するように構成されることを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１０】
スプレーされまたは処理される表面の温度プロファイルを測定するための装置であって、前記装置は、添付の図面を参照して実質的に本明細書で記載された装置。
【請求項１１】
スプレーされまたは処理される表面の温度プロファイルを、推定し、予測し、または測定するための方法であって、前記方法は、前記表面の少なくとも１つの熱画像を撮影するステップを含み、前記表面は、１つ以上の機器によってスプレーされあるいは処理され、前記１つ以上の機器が、スプレーまたは処理プロセスの間に少なくともあるときに前記熱画像を遮蔽するように配置され、前記方法がさらに、前記１つ以上の機器によって遮蔽されない熱画像における前記表面の部分の温度プロファイルを測定するステップと、前記表面の実質的に全体の温度プロファイルを推定し、予測し、または測定するように、前記１つ以上の機器によって遮蔽された熱画像における前記表面の部分の温度プロファイルを推定または予測するステップとを含むことを特徴とする方法。
【請求項１２】
前記熱画像撮影装置によって撮影された画像の各ピクセルを受けるステップと、各ピクセルに少なくとも低温度限界を適用するステップとを含み、前記低温度限界より低い温度を有すると測定された任意のピクセルを排除または無視することを特徴とする請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記熱画像撮影装置によって撮影された画像の各ピクセルを受けるステップと、各ピクセルおよびその周りのマスク内の全てのピクセルに少なくとも低温度限界を適用するステップとを含み、前記低温度限界より低い温度を有すると測定された任意のピクセルを排除または無視することを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
フィルタリングステップが、低温度限界および高温度限界を適用するステップを含み、所定の低温度限界より低い温度または所定の高温度限界より高い温度を有すると測定された任意のピクセルを排除しまたは無視することを特徴とする請求項１２または１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記高温度限界が、通常の動作の間にスプレーされまたは処理される表面に関して許容可能である最高温度に設定され、または最高温度に近く設定されることを特徴とする請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記低温度限界は、以下の式を使用して測定され、
（[正規化された限界（ｘ，ｙ）×マスタ平均（ｔ）]−境界）℃
ここで、正規化された限界は、表面の平滑にされ明瞭な熱画像を、その平均で分割することによって測定された正規化された画像アレイであり、またはモデルから計算されることができ、
マスタ平均は、最新のマスタ画像（時間ｔで）の平均値であり、かつ
境界は、結果としての低温度限界が、排除されまたは無視される画像の全ての無効なピクセルの結果となることを確実にするように単に選択されまたは測定される一定の境界であることを特徴とする請求項１４または１５に記載の方法。
【請求項１７】
マスクのサイズは、熱画像における最大量のぼやけを備えるピクセル数に実質的に等しいことを特徴とする請求項１３に記載の方法。
【請求項１８】
前記フィルタリングステップの間に、排除または無視されていないピクセルにカルマンフィルタを適用することによって、スプレーされまたは処理される表面の任意のある時間で温度プロファイルを予測することをさらに含むことを特徴とする請求項１１から１７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１９】
スプレーされまたは処理される表面の温度プロファイルを、推定し、予測し、または測定するための方法であって、前記方法は、添付の図面を参照して実質的に本明細書で記載された方法。
【請求項２０】
前記表面の遮蔽されない画像を表すように意図された複数の各ピクセルに関する温度情報を含む、マスタ画像またはアレイを記憶する手段と、前記画像撮影装置が、前記表面の新たな熱画像を撮影したとき、記憶された温度情報を更新された温度情報で置き換えることによって、前記マスタ画像を更新する手段とをさらに備えることを特徴とする請求項１から１０のいずれか一項に記載の装置。
【請求項２１】
前記マスタ画像またはアレイにおける前記各ピクセルに関する温度情報が更新された時間（実際、またはより好ましくは相対）に関する情報を記憶する記憶手段を備えることを特徴とする請求項２０に記載の装置。
【請求項２２】
エイジ記憶手段に記憶された情報の平均値を得るための手段が設けられ、それによって、マスタ画像またはアレイから得られた平均の精度を表す値を与えることを特徴とする請求項２１に記載の装置。
【請求項２３】
前記表面の遮蔽されない画像を表すように意図された複数の各ピクセルに関する温度情報を含む、マスタ画像またはアレイを記憶するステップと、前記画像撮影装置が、前記表面の新たな熱画像を撮影したとき、記憶された温度情報を更新された温度情報で置き換えることによって、前記マスタ画像を更新するステップとをさらに含むことを特徴とする請求項１１から１９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２４】
任意のある時間でマスタ画像またはアレイの平均を得ることによって、スプレーされまたは処理される表面の任意のある時間で平均温度を測定することを含むことを特徴とする請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
処理装置のスプレーを制御するための装置に対する入力として前記平均を使用することを含むことを特徴とする請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
前記マスタ画像またはアレイ平均は、制御装置から少なくともある程度の雑音を取り除くように、制御装置に対する入力の前にローパスフィルタリングされることを特徴とする請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
前記マスタ画像またはアレイにおける前記各ピクセルに関する温度情報が更新された時間（実際、またはより好ましくは相対）に関する情報を記憶することを含むことを特徴とする請求項２３から２６のいずれか一項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、表面の温度プロファイルを測定する方法および装置に関し、特に（排他的ではないが）、堆積された材料を含むプロセス（例えば、溶融された金属スプレープロセスなど）で使用するための表面の温度プロファイルを測定する方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＷＯ−Ａ−９６／０９４２１は、自重以外の荷重を受けない自立物品を生成するために溶融された金属（特に鋼）をスプレーする技術を開示している。開示されたプロセスにおいて、実際に実現可能なプロセスに関して、スプレーされた金属滴の温度および／または既に堆積された材料の温度の正確な制御が重要であることは明らかである。そのような考慮は、他の材料のスプレーおよび他の堆積プロセスにも関連することは理解される。
【０００３】
スプレー形成プロセスは、セラミックのトポロジーを正確に複製する金属シェルを形成するために、電気アークスプレーガンからの溶融された金属を、セラミック基板上に堆積する。溶融された金属は、スプレーされる金属からなる２つの反対極性で帯電されたワイヤ間を直流アークさせることによって、ガン内に生成される。アークは、ワイヤ先端を溶融させ、高圧不活性ガス流は、アークから溶融された材料を連続的に取り出し、溶融された金属を滴のスプレーに噴霧する。ガス流は、滴が堆積される対象物の表面へ滴を搬送する。ワイヤは、スプレーされた金属の流れを維持するようにアークガンに連続して供給され、堆積される金属の量を、ワイヤの送り速度を変更することによって調整することができる。ガンからの滴スプレーは、「パスプラン」と呼ばれる所定の繰り返し方法で、ロボットによってセラミック基板の表面上を走査される。
【０００４】
ガンは、物質源としてだけでなく、熱源としても作用する。なぜなら、溶融された滴が、固体金属シェルを構築するために冷却し凝固するときに、溶融された滴は、それらの熱をスプレー形成された金属シェルに伝達するからである。プロセスの重要な特徴は、スプレー形成の表面上に堆積された後に金属滴が冷却するときに、規定された相転移を受ける金属滴に依存する。これらの相転移は、金属が冷却するときの金属の自然の収縮を相殺し、スプレー形成の寸法精度を維持することが可能になる。必要な転移を確実に発生させるために、スプレーされた材料の熱履歴を正確に調整することが必要である。熱履歴を調整する１つの方法は、スプレーが堆積された点での表面温度が、堆積後の特定の時間で所定温度を通過することを確実にすることである。代わりに、または追加して、到着する滴が付くスプレー形成表面の温度を制御し、かつこの温度を制御することが望ましく、スプレーの間に表面を横切る温度プロファイルを知る必要がある。
【０００５】
堆積された材料の熱履歴を調整するシステムは、英国特許出願第００２６８６８．０号に提案されている。このシステムは、ロボットアームの高さ、速度、および経路（１つ以上のスプレーガンの移動を制御しかつ生じさせる）および／または質量堆積速度、スプレー形成の表面上の所定の熱プロファイルを維持するためのガンの向きを含む、１つ以上のパラメータを調整する。制御システムの本質的な構成部品は、熱プロファイルを検知するシステムである。一般に、これは、熱撮像カメラであり、熱撮像カメラは、スプレーの間にスプレー形成表面上方で垂直方向に搭載され、または配置される。カメラは、スプレー形成表面に設定された焦点面を有する。焦点面にないカメラの視野領域内の全ての対象物は、結果としての画像におけるぼやけを現わす。スプレー形成表面が焦点面にあるようにするために、カメラは、水平方向のスプレー表面上に対して垂直方向に上方にかつ法線方向に向かなければならない。カメラ出力は、θ（ｘ、ｙ、ｔ）によって記述されることができる熱画像のシーケンスである。ここで、θはピクセル温度であり、ｘおよびｙは画像のピクセル位置を示し、ｔは画像が撮影された時間である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、スプレープロセスの間、カメラからのスプレー形成の視野は、ロボットアーム、およびガンにワイヤおよびガスを供給するケーブルによって遮蔽される。そのように、表面の部分的な画像だけしか観測されず、スプレーの間に表面の平均温度を正確に制御し、かつ／または表面の温度プロファイルを制御するには必ずしも十分ではない（すなわち、表面の全ての点を所望の温度に合わせる）。
【０００７】
もちろん、１つの解決方法は、遮蔽されていない視野を得ることができるように、ロボットアームが、カメラの視線から外れて移動したときにだけ熱画像を記録することである。ロボットアームが、カメラの視線から外れて移動したなら、ガンは、もはやスプレー形成の表面上にスプレーしない。鋼シェルを構築しかつ熱プロファイルを維持するために、ガンは、まれにしか表面から離れない（一般には１分間に１回）。上記に概略を述べた問題を解消する構成を発明した。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の第１の態様によれば、スプレーされまたは処理される表面の温度プロファイルの温度を、推定し、予測し、または測定する装置が提供され、装置は、前記表面の熱画像を撮影する少なくとも１つの熱画像撮影装置を備え、前記表面は、１つ以上の機器によってスプレーされまたは処理され、１つ以上の機器は、スプレーまたは処理プロセスの間に少なくともあるとき前記熱画像を覆うように配置され、前記装置は、前記熱画像の遮蔽された部分の温度プロファイルを推定し、予測し、または測定する手段を含む。
【０００９】
装置は、好ましくは、前記熱画像撮影装置によって撮影された画像の各ピクセルを受け、かつ該ピクセルに少なくとも低温度限界を適用する、枝刈りフィルタ手段を備え、前記低温度限界より低い温度を有すると測定された任意のピクセルを排除または無視される。好ましい実施形態において、枝刈りフィルタは、前記低温度限界を、受けたピクセルだけでなく該ピクセルの周りのマスク内の全てのピクセルに適用するように構成され、囲むマスク内の任意のピクセルが、上述の温度限界の外側になると測定されたなら、当該特定のピクセルの温度が許容可能な範囲内にあるにもかかわらず、当該特定のピクセルは、排除されまたは無視され、装置は、好ましくは、前記枝刈りフィルタ手段によって無視または排除されなかったピクセルだけを使用して、前記表面の温度プロファイルを推定し、予測し、または測定するように構成される。
【００１０】
本発明の第１の態様は、スプレーされまたは処理される表面の温度プロファイルを推定し、予測し、または測定する方法にわたり、この方法は、前記表面の１つ以上の熱画像を撮影するステップを含み、前記表面は、１つ以上の機器によってスプレーされまたは処理され、１つ以上の機器は、スプレーまたは処理プロセスの間に少なくともあるとき前記熱画像を遮蔽するように配置され、この方法はさらに、前記１つ以上の機器によって遮蔽されていない熱画像における前記表面の部分の温度プロファイルを測定するステップと、前記表面の実質的に全体の温度プロファイルを推定し、予測し、または測定するように、前記１つ以上の機器によって遮蔽された熱画像における前記表面の部分の温度プロファイルを推定または予測するステップとを含む。
【００１１】
方法は、さらに、前記熱画像撮影装置によって撮影された画像の各ピクセルを受けることによって撮影した画像をフィルタリングするステップと、低温度限界より低い温度を有すると測定された任意のピクセルを排除または無視するように、少なくとも低温度限界を前記ピクセル（および、有利にはその周りの所定のマスク内の全てのピクセル）に適用するステップとを含むことができ、好ましくは、囲むマスク内の任意のピクセルが、上述の温度限界の外側になると測定されたなら、当該特定のピクセルの温度が許容可能な範囲内にあるかどうかにかかわらず、当該特定のピクセルは、排除されまたは無視される。
【００１２】
装置は、さらに、前記表面の遮蔽されない画像を表すようにされた複数の各ピクセルに関する温度情報を有するマスタ画像またはアレイを記憶する手段と、前記画像撮影装置が前記表面の新しい熱画像を撮影したときに、記憶された温度情報を、前記フィルタ手段によって排除または無視されなかった各ピクセルに関する新たな熱画像から得られた更新された温度情報で置き換えることによって、前記マスタ画像を更新する手段とを備えることができる。
【００１３】
方法は、さらに、前記表面の遮蔽されない画像を表す複数の各ピクセルに関する温度情報を有するマスタ画像またはアレイを記憶するステップと、前記画像撮影装置が前記表面の新しい熱画像を撮影したときに、記憶された温度情報を、前記フィルタリングステップの間に排除または無視されなかった各ピクセルに関する新たな熱画像から得られた更新された温度情報で置き換えることによって、前記マスタ画像を更新するステップとを含むことができる。
【００１４】
本発明の好ましい実施形態において、フィルタリング手段は、有利には、低温度限界および高温度限界を適用し、所定の低温度限界より低い温度または所定の高温度限界より高い温度を有すると測定された任意のピクセルを排除または無視する。好ましい実施形態において、高温度限界は、通常の動作の間にスプレーされまたは処理される表面に関して許容可能である最高温度に設定され、または最高温度近くに設定されることが有利である。本発明が、溶融された鋼がセラミック基板上にスプレーされるスプレー形成プロセスに使用される場合には、高温度限界は、ほぼ４００℃に設定されることができる。この場合、スプレー形成表面の温度範囲は、一般に１２０℃から４００℃であり、低温度限界は、１２０℃にまたは１２０℃近くに設定されることができる。しかしながら、焦点から外れた遮蔽のぼやけは、スプレー形成の表面よりむしろ遮蔽に関係するピクセルを、１２０℃より高い温度で表わす。低温度限界は、好ましくは次の式で測定される。
【００１５】
（[正規化された限界（ｘ，ｙ）×マスタ平均（ｔ）]−境界）℃
ここで、正規化された限界は、表面の平滑化された明瞭な熱画像を、その平均で分割することによって測定された正規化された画像アレイであり、またはモデルから計算されることができ、
ｘおよびｙは、表面の座標であり、
マスタ平均は、最新のマスタ画像（時間ｔで）の平均値であり、かつ
境界は、結果としての低温度限界が、排除または無視される画像の全ての無効なピクセルを結果として生じることを確実にするように、単に選択されまたは測定される一定の境界である。
【００１６】
本発明の好ましい実施形態において、温度プロファイルは、枝刈りフィルタによって排除または無視されなかったピクセルに適用されるカルマンフィルタなどによって予測されることができる。
【００１７】
本発明の好ましい実施形態において、装置は、有利には枝刈りまたはエロージョンフィルタを備え、枝刈りまたはエロージョンフィルタは、上述の温度限界を、当該特定のピクセルに適用し、またその周りのマスク内の全てのピクセルに適用するように動作する。囲むマスク内の任意のピクセルが、上述の温度限界の外側になるように測定されるなら、その温度が許容可能な範囲にあるかどうかにかかわらず、当該特定のピクセルは、排除されまたは無視される。エロージョンフィルタに適用されるマスクのサイズは、例えばぼやけた領域でいくつかの部分的な画像を検査することによって、経験的に測定されることができる熱画像における最大のぼやけ量を含むピクセル数と実質的に等しいことができる。
【００１８】
本発明の第２の態様の好ましい実施形態において、スプレーされるまたは処理される表面の任意のあるときの平均温度プロファイルは、その平均が、スプレーまたは処理装置を制御する装置に対する入力として使用されることができるそのときに、マスタ画像またはアレイの平均を得ることによって測定されることができる。マスタ画像またはアレイ平均は、有利には、制御装置からの少なくともある程度の雑音を取り除くように、制御装置に対する入力の前にローパスフィルタリングされる。
【００１９】
本発明の好ましい実施形態において、装置は、さらに、時間（実際の、またはより好ましくは相対的な）に関係する情報を記憶する手段を備え、その時間で、前記マスタ画像またはアレイにおける前記各ピクセルに関する温度情報は更新される。したがって、特定のピクセルに関する温度情報が更新されたとき、時間はゼロにリセットされる。次に、新たな熱画像が撮影され、かつ特定のピクセルが更新されない各時間に、その時間は、温度情報の「エイジ」を示す１つのサンプル時間で増分される。マスタ画像またはアレイから得られた平均の精度を表す値を与える、エイジ記憶手段に記憶された情報の平均値を得るための手段が提供されることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
図１を参照すると、本発明の例示的な実施形態による装置は、溶融された鋼をスプレーする４個の電気アークスプレーガン１を備える。ガン１は、６軸工業ロボット２に接続され、ロボット２は、セラミック基板３の表面にわたってガン１を移動するように構成される。スプレーによって堆積された金属は、スプレー形成と呼ばれる金属シェルを構築する。スプレー形成表面３の温度プロファイルは、表面３の上に直接配置された熱撮像カメラ４によって周期的に記録される。
【００２１】
カメラ４の視野領域が、ロボット２、アークスプレーガン１、またはアークスプレーガンのケーブル５によって遮蔽されないとき、スプレー形成表面３の全体の熱画像が、記録されることができる（および、結果としての熱画像の一例が、図２に示される）。しかしながら、アークスプレーガン１、それらのケーブル５、および／またはロボット２が、熱カメラ４とスプレー形成表面３との間に配置されたとき、スプレー形成表面３の少なくとも一部は、カメラの視野領域に対して遮蔽され、その結果、結果としての熱画像の大きな領域が、スプレー形成表面３の温度を表さないことがある（および、結果としての画像の一例が、図３に示される）。図３に示される熱画像は、以下の式によって数学的に表現されることができる。
【００２２】
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ロボット２およびスプレーガン１が、スプレー形成の表面３を横切って移動するので、遮蔽された画像における領域のサイズおよび位置は、時間とともに変化する。ロボット２およびスプレーガン１の位置は、予測可能であるが、ケーブル５の位置の予測は容易ではない。結果として、画像が撮られるときに、熱画像におけるどのピクセルが有効であるかを測定することは、ほぼ不可能である。さらに、そのような部分的な画像は、表面温度制御に必要である、完全な表面温度プロファイルθＳ（ｘ，ｙ，ｔ）を抽出するために十分な情報を含まない。
【００２３】
もちろん、θ（ｘ，ｙ，ｔ）＝θＳ（ｘ，ｙ，ｔ）を確実にする１つの方法は、熱画像の遮蔽が無いことを確実にするように、スプレー形成表面３の熱画像が撮影される間、ロボット２およびスプレーガン１を表面から離すように移動させることである。しかしながら、スプレーガン１が、スプレー形成表面３の上に無い時間の間に、スプレーされた金属は浪費され、スプレー形成表面３は冷却され、これらの両方は明らかに望ましくなく、ガンが表面から取り除かれることができる周波数を制限する。いずれにしても、最も高い許容可能な周波数は、明瞭な熱画像だけから満足な制御を可能にするには不十分である。
【００２４】
図１を再び参照すると、熱撮像カメラ４は、スプレー形成表面３よりカメラ４に近い、ロボット２、スプレーガン１、およびガンケーブルが、焦点から外れるように、スプレー形成表面３に焦点を合わせる。この結果、任意の遮蔽の縁部で熱画像に表れる焦点外れのぼやけを生じる。そのようなぼやけ無しに、遮蔽された領域から遮蔽されていない領域への縁部の遷移が、急激に起こる。しかしながら、ぼやけが存在するとき、そのような縁部の遷移は、いくつかのピクセルに起こる（図３に示されるように）。
【００２５】
熱画像に表れるぼやけの量は、スプレー形成表面３での遮蔽から焦点面への距離に応じる。この距離が長くなると、より大きなぼやけが起きる。そのようなぼやけは、結果としての熱画像におけるどのピクセルが、スプレー表面３を真に表すかを測定することは非常に難しい。スプレー形成表面の温度範囲は、一般に１２０℃から５００℃であり、一方、遮蔽された領域の温度は、室温に近くほぼ２５℃である。ぼやけが無いなら、単純な温度閾値は、熱画像におけるどのピクセルが、スプレー形成表面を表すのか、またはその遮蔽された部分を表すのかを測定するために使用されることができ、すなわち、閾値フィルタが、任意のピクセルに隣接するピクセルから所定の閾値より大きく異なるピクセルを排除するために使用されることができる。しかしながら、ぼやけが存在するとき、ぼやけたピクセルは、画像内のそれらの隣接するピクセルとは十分に違っていないため（図４および図５を参照）、ぼやけたピクセルが、スプレー形成表面の温度を表さないとしても、そのような単純な閾値フィルタは、ぼやけたピクセルを通過させる。図６の下部の左側角におけるスプレーガンケーブルによって起こされるなどのぼやけの極端な場合に、遮蔽の全領域がぼやけ、その真の温度より非常に高い温度でそれを現させる。この場合、実際にほぼ室温であるケーブルが、１２０℃を超えているとして現れる。
【００２６】
問題の観点が概略上述され、スプレー形成表面の温度プロファイルθＳ（ｘ，ｙ，ｔ）の連続測定を得ることは、従来の構成においては不可能である。しかしながら、本発明の好ましい実施形態によれば、部分的な画像の有効なセクションを使用して得ることができる、温度プロファイルθＳ（ｘ，ｙ，ｔ）の推定を得ることは可能である。
【００２７】
推定θＳ（ｘ，ｙ，ｔ）を「マスタ画像」と考える。新たな部分的な画像が撮影されかつ処理されるとき、遮蔽またはぼやけによって影響されていないピクセルは、マスタ画像におけるそれらの等価な位置に抽出されかつ貼り付けられることができる。したがって、周期的に更新されるマスタ画像は、各ピクセルに関して受けられた最新の真の表面温度データを維持する。さらに、「エイジアレイ」は、各マスタ画像に関して保持されることができ、各ピクセルに関して、その温度データが最後に更新されてから経過した時間を保持する。ピクセルが、部分的な画像からの新たな温度情報で更新されたとき、エイジアレイにおける等価値がゼロにリセットされる。毎時、ピクセルは部分的な画像によって更新されず、エイジアレイにおけるその等価値は、１サンプル時間ずつ増分される。したがって、エイジアレイにわたって平均することによって、どの程度古いマスタ画像データが平均されたかの値を生成することが可能であり、どの程度正確にθＳ（ｘ，ｙ，ｔ）が、θＳ（ｘ，ｙ，ｔ）を表すかの指示として使用されることができる。
【００２８】
遮蔽物によって影響されるピクセルを排除するために、スプレー形成表面上の各ピクセルに関する可能な温度範囲を決定しかつ定義することが必要である。画像内のピクセルが、その許容可能な温度範囲の外側にあるなら、遮蔽されると決定されることができ、そのように排除される。スプレー形成表面温度は、位置および時間とともに変化し、したがって、許容可能なピクセル温度範囲も、位置および時間とともに変化しなければならない。温度プロファイルの「形状」は、明瞭な熱画像（図７を参照）を使用して測定されることができ、温度プロファイルは、画像から雑音を取り除くために平坦化されることができる（図８を参照）。
【００２９】
温度プロファイルの形状が一定のままであり、その大きさだけが、スプレー形成表面が加熱されまたは冷却されたときに変化するとの仮定を使用すると、平坦化された明瞭な熱画像が、正規化された形状を生成し、またはアレイを限定するために、その平均で分割されることができる。ピクセルに関して許容可能な温度範囲の低温度限界Ｌ（ｘ，ｙ，ｔ）を測定するために、マスタからの最新の温度プロファイル推定の平均は、所定のピクセルに関する正規化された形状または制限アレイ値によって乗算され、次に一定の境界が減算される。上温度限界Ｕ（ｘ，ｙ，ｔ）は、一定の境界を加算することによって測定されることができるが、ロボット、ガン、およびケーブルが、スプレー形成表面より常に低い温度であるため、一定の上境界が良好に作用することが考えられる。したがって、例えば数学的に、
Ｕ（ｘ，ｙ，ｔ）＝４００℃
を得ることができ、ここで、
Ｌ（ｘ，ｙ，ｔ）＝（[正規化された形状または限界（ｘ，ｙ）×マスタ平均または温度プロファイル推定の平均（ｔ）]−境界）℃
である。
【００３０】
温度プロファイルの形状、およびマスタ画像の平均の情報を使用して、位置および時間の関数である低温度限界が生成されることができる。
【００３１】
スプレー形成表面の熱カメラによって撮影された部分的な画像は、スプレー形成表面ピクセルの領域、遮蔽されたピクセルの領域、および間のぼやけた中間領域を含む。上温度限界と呼ばれ空間的に変化する温度限界を適用することによって、遮蔽された領域に近い、ぼやけた少なくともいくつかのピクセルとともに、画像から遮蔽されたピクセルを取り除きまたは無視する。図９は、遮蔽された領域の境界で画像の７×７ピクセルセグメントを示し、温度限界によって取り除かれたピクセルは、白い十字で印が付けられる。しかしながら、真のスプレー形成表面ピクセルに近いぼやけたピクセルは、まだ限界を通過してしまう。これらのピクセルが処理されないなら、これらは、マスタ画像とみなされ、かつマスタ画像に入れられ、推定の精度を著しく悪化させる。したがって、これらのピクセルを取り除くために、枝刈りまたはエロージョンフィルタを使用することができる。枝刈りフィルタは、当該ピクセルだけでなく、その周りのマスク内の全てのピクセルに温度限界を適用するように動作する。マスク内の全てのピクセルが、温度限界の外側にあるなら、当該中央のピクセルは排除される。しかしながら、マスク内の全てのピクセルが、必要な温度限界内にあるなら、中央のピクセルは、マスタ画像内に受け入れられる。２つのピクセルに関する枝刈りフィルタを、７×７ピクセルセグメントに適用することが、図１０に示される。この構成は、ピクセルを排除する作用を有し、これらのピクセルは、有効領域の周りのぼやけを切り取る限界に入るピクセルの近くにある。マスクのサイズは、ぼやけの最大量と同じ数のピクセルであるように選択される。ぼやけの最大量は、ぼやけた領域を有するいくつかの部分的な画像を検査することによって、経験的に見出されることができる。
【００３２】
表面温度プロファイルを正確に推定するための、本発明のさらなるまたは代わりの態様の好ましい実施形態によれば、システムの温度モデルが必要である。モデルは、スプレーガンが、スプレー形成の表面を横切って動かされるときに、スプレーガンの加熱作用を記載する偏微分方程式（ＰＤＥ）に基づく。さらなる複雑性は、溶融された滴を推進するために使用される窒素ガスが、温度モデルに含まれなければならない冷却源として作用することである。結果としてのＰＤＥは、
2004533617.tif 000004
である。ここで、
ｐは、スプレー形成の密度（Ｋｇｍ−３）であり，
ｃは、スプレー形成の比熱容量（ＪＫｇ−１Ｋ−１）であり、
ｚ（ｔ）は、スプレー形成の厚み（ｍ）であり、
θ（ｘ，ｙ，ｔ）は、スプレー形成表面の温度（Ｋ）であり、
Ｈａは、スプレー形成から空気への熱伝達係数（Ｗｍ−２Ｋ−１）であり、
ｆ（ｘ，ｙ，ｔ）は、ガンの熱束フットプリント（ＪＫｇｍ−２）であり、
ｕ（ｔ）は、ガンへのワイヤ送り速度（ｋｇ８−１）であり、
θｇは、ガンからのスプレーされた滴の温度（Ｋ）であり、
ｇ（ｘ，ｙ，ｔ）は、ガンからの窒素冷却フットプリント（ＪＫｇｍ−２）であり、
θｎは、ガンからの窒素の温度（Ｋ）である。
【００３３】
離散時間の有限次元の状態空間モデルは、ＰＤＥから導かれることができる。
【００３４】
2004533617.tif 000005
2004533617.tif 000006
ここで、Ｂｋは、ガンからの時間変化熱入力を表し、ｕｋは、ガンに対するワイヤ送り速度であり、Ｄｋは、ガンからの時間変化冷却を表し、Ｗｋは、状態雑音であり、Ｖｋは、測定雑音である。
【００３５】
遮蔽されかつぼやけたピクセルが、上述の枝刈りフィルタアルゴリズムを使用して取り除かれると、有効測定ベクトルｙｖｋが残る。この有効測定ベクトルは、所与の画像内の有効ピクセルの数に応じる有効で予測できない長さを有する。測定式（６）は時間で変化する。
【００３６】
2004533617.tif 000007
ここで、ＣｖｋおよびＶｖｋは、ｙｖｋに残っている有効ピクセルに対応する、ＣｋおよびＶｋからの列を抽出することによって形成される。
【００３７】
状態および測定雑音モデルが、知られている一定の共変マトリクスを有する、ゼロ平均ホワイトシーケンスとは独立すると仮定すると、
Ｅ[ＷｋＷＴｋ’]＝Ｑδ（ｋ−ｋ’）およびＥ[ＶｋＶＴｋ’]＝Ｒδ（ｋ−ｋ’）
である。
【００３８】
完全な測定雑音共変マトリクスは、一定であるが、実際の測定雑音共変マトリクスは、測定ベクトルにおける有効ピクセルの数および位置とともに変化する。結果は、時間変化共変マトリクスである。
【００３９】
これらの雑音モデルを有するエラーシーケンシャル状態推定アルゴリズムの線形最小変化は、カルマンフィルタである。
【００４０】
記述されたシステムに関する完全に最適な時間変化カルマンフィルタは、以下のアルゴリズムを与える。
【００４１】
サンプル時間毎のオンライン計算は、
2004533617.tif 000008
ここで、Ｌｋは、カルマンゲインマトリクスである。
【００４２】
この方法は、状態ベクトルの推定を任意に作るために、全ての利用可能な測定データを使用する。
【００４３】
カルマンゲイン更新式は、Ｎｋ×Ｎｋマトリクスの逆行列を含み、ここでＮｋは、サンプル時間ｋでの有効ピクセルの数である。この実施において、熱画像は１７６８９個のピクセルを含み、したがって０≦Ｎｋ≦１７６８９である。有効ピクセルの数が、全てのサンプル時間に関して非常に小さくなければ、この計算集約的な作業は、０．１秒の所望のサンプル時間の実行不可能な所定の制約である。
【００４４】
カルマンフィルタアルゴリズムの計算負荷を低減する１つの方法は、以下の式から得られるほぼ最適な時間不変カルマンゲインを受け入れることである。
【００４５】
2004533617.tif 000009
ここで、Ｐは、離散代数Ｒｉｃａｔｔｉ式に対する解決方法によって与えられる状態エラー共変数である。
【００４６】
2004533617.tif 000010
サンプル時間当たりのオンライン計算は、
2004533617.tif 000011
である。
【００４７】
著しい量のオンライン計算は、最適性の損失の費用でオフラインで行われる。これは、０．１ｓのサンプル時間の制約内で実行されるべき実施を可能にする。カルマンゲインは、測定ベクトルが完了する例に関してだけに最適である。ほぼ常にこの場合である測定ベクトルが不完全であるなら、カルマンゲインが最適ではなく、不正確な状態推定を引き起こす。
【００４８】
最適性を犠牲にすることなく、計算負荷を低減する他の方法は、有効測定ベクトル（１０）におけるピクセル情報のシーケンシャル処理を使用することである。有効測定ベクトルにおける全てのピクセルが使用されるなら、この方法は、標準のアルゴリズムであるが優れた計算効率を有するアルゴリズムに等価である。さらなる利点は、全てではない有効測定ベクトルが、サンプル時間で使用されないようにすることができるなら、反復が、情報の部分的な損失だけで停止されることができる。式は、以下の通りである。
【００４９】
測定ベクトルの各サンプル時間から使用される各ピクセルに関して繰り返されるオンライン計算は、
2004533617.tif 000012
ここで、ｙｐは、ｐによって決定された画像における位置の単一のピクセル測定を示し、Ｃｐは、ｐに対応するＣの列である。
【００５０】
サンプル時間当たり一回実行されたオンライン計算は、
2004533617.tif 000013
である。
【００５１】
全ての有効な測定ベクトルが使用されるなら、標準アルゴリズムのＮｋ×Ｎｋ逆マトリクスは、Ｎｋ逆スカラーで置き換えられる。
【００５２】
測定更新で使用された全てのピクセルが、所与の状態のノードに近くに配置されるなら、その状態は不十分にしか推定されない。したがって、サンプル時間制約は、有効な測定ベクトルの部分だけが処理されることができることを課すなら、ピクセルは、繰り返し測定更新のためにランダムに使用されるべきである。これは、所与の数のピクセルを推定する状態ベクトルの精度を増大する。
【００５３】
この観測者の設計は、処理時間制約で与えられた測定情報の最適な使用である。
【００５４】
完全な温度推定アルゴリズムは、図１６に示される。
【００５５】
１．新たな画像を撮り、明瞭な画像なら、正規化された形状（ｘ，ｙ）アレイを更新するためにそれを使用する。
【００５６】
２．画像における残っている試験されていないピクセルからランダムにピクセルを選択し、かつそのピクセルおよびその周りのマスクにおける全てのピクセルに対して、上温度限界および下温度限界を適用する。下温度限界は、ピクセル位置、および状態ベクトルｑ０．０におけるＤＣモードによって与えられる平均温度推定によって測定される。それら全ては限界を通るなら、３へ進み、そうでなければ繰り返される。
【００５７】
３．シーケンシャルカルマンフィルタ測定更新においてピクセルを使用する。
【００５８】
４．全てのピクセルが使用され、または時間が終了したなら、５へ進み、そうでなければ２へ進む。
【００５９】
５．カルマンフィルタ状態予測を適用する。
【００６０】
６．１へ進む。
【００６１】
図１２、図１３、および図１４は、図１１に示されるように、部分的な画像に適用されることができる様々なタイプのフィルタリングの有効性を示す。図１１は、熱撮像カメラによって撮影されたときの元々の部分的な画像を示す。図１２は、各ピクセルに対して、単純なまたは基本的な温度限界Ｕ（ｘ，ｙ，ｔ）＝４００℃およびＬ（ｘ，ｙ，ｔ）＝１２０℃の適用後の結果としての部分的な画像を示す。示されるように、遮蔽されたピクセルは取り除かれるが、ぼやけは残る。図１３は、温度限界Ｕ（ｘ，ｙ，ｔ）＝４００℃およびＬ（ｘ，ｙ，ｔ）＝（[正規化された限界（ｘ，ｙ）×マスタ平均（ｔ）]−境界）℃の適用後の結果としての部分的な画像を示す。示されるように、いくつかの抽出された領域の周りには、より冷たいぼやけた縁部がまだ存在するが、この解決方法は、遮蔽されたピクセルおよびぼやけたピクセルの多くを取り除く。図１４は、温度限界Ｕ（ｘ，ｙ，ｔ）＝４００℃およびＬ（ｘ，ｙ，ｔ）＝（[正規化された限界（ｘ，ｙ）×マスタ平均（ｔ）]−境界）℃を有するエロージョンフィルタの使用を含む、完全な抽出アルゴリズムの適用後の結果としての部分的な画像を示し、示されるように、結果は、全ての遮蔽されたピクセル、およびマスタ画像（図１５ａおよび図１５ｂ）に張り込まれることができる、および／またはカルマンフィルタで使用される（図１６）全てのぼやけて残された真の表面温度ピクセルだけを取り除く。
【００６２】
上述された表面温度プロファイル推定の１つの重要な使用方法は、スプレー形成表面の平均温度を制御することである。これを達成するために、本発明の１つの態様の好ましい実施形態によれば、マスタ平均は、平均表面温度を調整するために作用機構を使用する制御アルゴリズムに対する入力として使用される。各部分的な画像は、異なる量の許容可能な情報を含むので、マスタ平均信号は雑音を含み、これは、過剰な磨耗および裂けを引き起こすアクチュエータを通って伝播する。これを防ぐために、マスタ平均は、雑音を取り除くためにローパスフィルタリングされることができる。雑音は、真の平均温度において存在する周波数より高い周波数で存在するので、この解決方法は有効であり、システムの性能に著しく影響することなく雑音を取り除くことを可能にする。
【００６３】
本発明の上述の実施形態は、単なる一例であり、修正形態および変形形態が、本発明の範囲を逸脱することなく記載された実施形態に行われることが可能であることは当業者には明らかである。本発明は、溶融された金属が基板上に堆積されるスプレー形成プロセスを特に参照して記載されたが、本発明は、熱画像が一般に制御システムの一部として必要であるが、遮蔽されていない熱画像が周期的にしか得られることができない、例えばプラズマスプレーなどの他のスプレープロセスに関するパスプランに等しく適用可能であることはまた明らかである。
【００６４】
本発明の実施形態は、添付の図面を参照して例示だけによって説明される。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】本発明の例示的な実施形態による装置の側面図である。
【図２】明瞭な熱画像からの熱プロファイルの「形状」を示す。
【図３】ロボット、スプレーガン、およびケーブルによって遮蔽された部分的な熱画像を示す。
【図４】下部の左側でケーブルの比較的大量に焦点を外れてぼやけていることを示す部分的な熱画像を示す。
【図５】図４の画像が、画像に対して高温度限界および低温度限界を適用することによってフィルタリングされた後の、結果としての部分的な熱画像を示す。
【図６】下部の左側角に大きなぼやけを有する部分的は画像を示す。
【図７】明瞭な画像から得られた表面の熱プロファイルの「形状」を示す。
【図８】平滑化された熱プロファイルを示す。
【図９】遮蔽された領域の境界で熱画像からの７×７ピクセルセグメントを示す。
【図１０】許容されたピクセル（破線のチェックで印を付けられた）および排除されたピクセル（破線の十字で印を付けられた）に対する枝刈りフィルタの適用を示す、図９の７×７ピクセルセグメントを示す。
【図１１】熱カメラから撮影されかつ出力された部分的な熱画像を示す。
【図１２】Ｌ（ｘ，ｙ，ｔ）＝１２０℃およびＵ（ｘ，ｙ，ｔ）＝４００℃で制限された後の図１１の部分的な熱画像を示す。
【図１３】Ｕ（ｘ，ｙ，ｔ）＝４００℃およびＬ（ｘ，ｙ，ｔ）＝（[正規化された限界（ｘ，ｙ）×マスタ平均（ｔ）]−境界）℃で制限した後の図１１の部分的な熱画像を示す。
【図１４】Ｕ（ｘ，ｙ，ｔ）＝４００℃およびＬ（ｘ，ｙ，ｔ）＝（[正規化された限界（ｘ，ｙ）×マスタ平均（ｔ）]−境界）℃で制限し、７ピクセル×７ピクセルのマスクサイズでエロージョンフィルタリングした後の図１１の部分的な熱画像を示す。
【図１５ａ】本発明の第２の態様による方法の例示的な実施形態を示すフロー図である。
【図１５ｂ】本発明の態様の例示的な実施形態による装置を使用して達成される所望の平均温度に対する、平均表面温度のグラフを示す。
【図１６】本発明の第１の態様による方法の例示的な実施形態を示すフロー図である。
【符号の説明】
【００６６】
１  電気アークスプレーガン
２  ロボット
３  セラミック基板
４  撮像カメラ
５  ケーブル
【図１】
2004533617.tif 000014
【図２】
2004533617.tif 000015
【図３】
2004533617.tif 000016
【図４】
2004533617.tif 000017
【図５】
2004533617.tif 000018
【図６】
2004533617.tif 000019
【図７】
2004533617.tif 000020
【図８】
2004533617.tif 000021
【図９】
2004533617.tif 000022
【図１０】
2004533617.tif 000023
【図１１】
2004533617.tif 000024
【図１２】
2004533617.tif 000025
【図１３】
2004533617.tif 000026
【図１４】
2004533617.tif 000027
【図１５ａ】
2004533617.tif 000028
【図１５ｂ】
2004533617.tif 000029
【図１６】
2004533617.tif 000030
【国際公開パンフレット】
2004533617.tif 000031
2004533617.tif 000032
2004533617.tif 000033
2004533617.tif 000034
2004533617.tif 000035
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2004533617.tif 000039
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2004533617.tif 000063
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【国際調査報告】
2004533617.tif 000065
2004533617.tif 000066