(57)【要約】  ガンの性能を監視し、診断するための方法及び装置が得られ、これは、適切なガンの動作を決定すること、及び適切に動作していない場合に忌まわしい動作の潜在的な原因を診断することが可能である。ガンによって生成された電圧がリアルタイムでサンプリングされ、生成された周波数スペクトルが、高速フーリエ変換ＦＦＴを使用して、またその後ＦＦＴパターンを正しい動作及び異常な動作の両方のための既知のシグネチャと比較することができる数値の組又はシグネチャにまで変換して解析される。次いで、最良適合技法を使用して、任意の異常な挙動の原因を特定することができる。本方法は、摩耗及び使用の事前通知を提供することによって、ハードウェアの寿命の終わりを予測し、生産スケジューリング及び予備の部品の取得を助けるのに使用することもできる。
2020522088.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
プロセスコントローラを有するプラズマガンの挙動を監視するための方法であって、
前記プラズマガンのガン電圧をサンプリングするステップと、
前記サンプリングされたガン電圧を解析するステップと、
振幅ピークを特定するステップと、
前記特定された振幅ピークを表すパターンを生成するステップと、
前記生成されたパターンを、記憶された既知のパターンと比較するステップと
を含み、
前記プラズマガンの前記挙動が異常であることを前記比較するステップが示すとき、是正処置が実施される、方法。
【請求項２】
前記サンプリングするステップ、前記解析するステップ、前記特定するステップ、前記生成するステップ及び前記記憶するステップが、前記プロセスコントローラとは別に実施される、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記サンプリングするステップ、前記解析するステップ、前記特定するステップ、前記生成するステップ及び前記記憶するステップが、前記プロセスコントローラにおいて実施される、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記プロセスコントローラが、前記是正処置を実施する、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記記憶された既知のパターンが、既知の正常な動作パターンの組と既知の異常な動作パターンの組とを少なくとも含む、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
データ記録装置が、前記生成されたパターンを前記既知の正常な動作パターンの組における既知の正常な動作パターンと比較し、
前記生成されたパターンが既知の正常な動作パターンに対応するとき、前記プラズマガンの前記挙動が正常として示されて、前記方法が繰り返される、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記生成されたパターンが、前記既知の正常な動作パターンの組における前記既知の正常な動作パターンのいずれにも相当しないとき、前記データ記録装置が、前記生成されたパターンを前記既知の異常な動作パターンの組における既知の異常な動作パターンと比較し、
前記生成されたパターンが既知の異常な動作パターンに相当するとき、前記プラズマガンの前記挙動が異常として示されて、前記是正処置が前記プロセスコントローラに伝達される、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記記憶された既知の異常な動作パターンのそれぞれが、異常な動作の既知の原因と、動作を正常に戻す是正処置とに関連付けられ、また
前記生成されたパターンが前記既知の異常な動作パターンに相当するとき、前記データ記録装置が、前記プラズマガンの前記挙動を正常な動作に戻すように前記是正処置を前記プロセスコントローラに提供することをさらに有する、請求項６に記載の方法。
【請求項９】
前記プラズマガンの使用の前、間、及び後のうちの少なくとも１つにおいて実施される、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記特定された振幅ピークを表す前記パターンを生成するステップが、特定された振幅ピークの全領域を決定するステップと、最大振幅における前記特定されたピークの周波数及び振幅を決定するステップと、前記特定されたピークの前記全領域の５０％における前記特定されたピークの周波数及び振幅を決定するステップと、前記特定されたピークの前記全領域の１０％における前記特定されたピークの周波数及び振幅を決定するステップと、前記特定されたピークの前記全領域の９０％における前記特定されたピークの周波数及び振幅を決定するステップとを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記ガン電圧をサンプリングする前記ステップが、リアルタイムで実施される、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
前記電圧を解析するステップが、前記サンプリングされたガン電圧に対して高速フーリエ変換を実施するステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
プラズマガンの挙動を監視するための装置であって、
前記プラズマガンの動作パラメータを制御するように構造化及び適合されたプロセスコントローラと、
前記プラズマガンのガン電圧をサンプリングするように構造化及び適合された電圧センサと、
前記サンプリングされたガン電圧を解析し、振幅ピークを特定し、また前記特定された振幅ピークを表すパターンを生成するように構成されたデータ・プロセッサと、
既知のガン動作パターンを記憶するように構成されたメモリと、
前記生成されたパターンを前記記憶された既知のガン動作パターンと比較するように構成された比較器と
を有し、
前記プラズマガンの前記挙動が異常であることを前記比較が示すとき、前記プロセスコントローラが、是正処置を実施するように命令される、装置。
【請求項１４】
前記記憶された既知のガン動作パターンが、既知の正常な動作パターンの組と既知の異常な動作パターンの組とを少なくとも含む、請求項１３に記載の装置。
【請求項１５】
データ・プロセッサが、前記生成されたパターンを前記既知の正常な動作パターンの組における既知の正常な動作パターンと比較するように構成され、また
前記生成されたパターンが既知の正常な動作パターンに相当するとき、前記プラズマガンの前記挙動が正常として示される、請求項１４に記載の装置。
【請求項１６】
前記生成されたパターンが、前記既知の正常な動作パターンの組における前記既知の正常な動作パターンのいずれにも相当しないとき、前記データ・プロセッサが、前記生成されたパターンを前記既知の異常な動作パターンの組における既知の異常な動作パターンと比較するように構成され、
前記生成されたパターンが、既知の異常な動作パターンに相当するとき、前記プラズマガンの前記挙動が異常として示され、前記是正処置が、前記プロセスコントローラに伝達される、請求項１５に記載の装置。
【請求項１７】
前記記憶された既知の異常な動作パターンのそれぞれが、異常な動作の既知の原因と、動作を正常に戻す是正処置とに関連付けられ、
前記生成されたパターンが、前記既知の異常な動作パターンに相当するとき、前記データ・プロセッサが、前記プラズマガンの前記挙動を正常な動作に戻すように前記是正処置を前記プロセスコントローラに提供する、請求項１５に記載の装置。
【請求項１８】
プラズマガンの使用の前、間、及び後のうちの少なくとも１つにおいて前記プラズマガンの挙動を監視するように構成される、請求項１３に記載の装置。
【請求項１９】
前記データ・プロセッサが、
プログラムを実行して、前記サンプリングされたガン電圧を解析するように構成される、及び
デジタル信号プロセッサのファームウェアを実行して、前記サンプリングされたガン電圧を解析するように構成される
のうちの少なくとも１つである、請求項１３に記載の装置。
【請求項２０】
前記特定された振幅ピークを表す前記パターンが、特定された振幅ピークの全領域を決定すること、最大振幅における前記特定されたピークの周波数及び振幅を決定すること、前記特定されたピークの前記全領域の５０％における前記特定されたピークの周波数及び振幅を決定すること、前記特定されたピークの前記全領域の１０％における前記特定されたピークの周波数及び振幅を決定すること、並びに前記特定されたピークの前記全領域の９０％における前記特定されたピークの周波数及び振幅を決定することによって生成される、請求項１９に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、参照によりその開示が全体として本明細書に明示的に組み込まれる２０１７年５月２５日付けで出願した米国仮特許出願第６２／５１０，９９９号の利益を米国特許法第１１９条（ｅ）の下で主張するものである。
【０００２】
本発明の実施例は、プラズマガンの不適切な動作及び／又はプラズマガンへの損傷を防止するためにプラズマガンの挙動を監視する方法を対象とする。特に、この方法は、差し迫った（生じそうな）不適切な溶射及び／又は差し迫ったガンの故障について操作者に知らせるために使用することができる。
【背景技術】
【０００３】
溶射プラズマガンは、電極（陰極）とノズル（陽極）とを使用して、プラズマ・アークを作り出し、それを通じてガスが通され、イオン化されて、プラズマ・プルーム（粒子流）を生成する。粉末がプルーム内に噴射され、それにより粒子を加熱して基板上に加速させ、それによりコーティングが形成される。ガンは水で冷やされて、構成部品が溶融するのが防止される。時間の経過とともに、陰極及び陽極が極限の状態により摩耗し、プラズマガンの性能が劣化し、ついにはガンのハードウェアを交換することが必要になる。さらに、以下の原因による問題がガンの動作に伴って生じることがある。
（１）ガンを誤って組み立てて、結果として、水漏れが起きた場所次第でプラズマ・アーク又はプルームに影響する漏れとなることがある。
（２）結果として誤ったプルーム・エネルギーとなる、間違ったノズル及び／又は電極を用いてガンを組み立てることがある。
（３）ガンにおける構成部品又は部分に欠陥があることがある。しばしば、これらの欠陥は、ガンの組立て時には明確に見えない。
（４）プラズマガンに使用されたガスが汚染されている、及び／又は場合により間違ったガスである。
（５）プラズマガンへのガスの流れを調節するのに使用された機器が較正外又は作動不良となる。
（６）手動の動作機器のために、間違ったガス流又は動作パラメータが設定され得る。
【０００４】
ガンのハードウェアの摩耗を含めてこれらの状態のうちのいずれかは、結果として規格外であるコーティングとなる可能性があり、例えば、多孔性、硬度、又はコーティング厚さなどの所望の特性が誤っていることがある。これはコーティングプロセスが完了した後まで検出されないので、予期しない結果は極めて高価となることがある。少なくとも、コーティングは、はがし取られ、再度塗布されなければならない。最悪の場合、１００，０００ドルを超える価値を有することがある部分が、完全にスクラップにされなければならない可能性がある。
【０００５】
歴史的に、操作者は、ガン電圧、プルーム安定性を観察すること及び／又はガンによって生成された音の変化がないか聞くことに基づいて、ガンのハードウェアをいつ交換するのかが分かるように訓練されたか、又はそれを学習したか、或いは何かがおかしいと認識するように訓練されたか、又はそれを学習したかのいずれかであった。技法はガン、操作者、及び動作パラメータにより変動した。より自動化された機器の導入に伴い、現在、操作者はプロセスからより遠ざかっており、したがってガンの動作の感覚を失っている。
【０００６】
プロセスを監視するためのこれまでの動きは、プルーム強度及び粉末エネルギー（運動及び熱）が予想範囲内にあるかどうかを突き止めるために、光検出を介して、プラズマ・プルーム及び粉末噴射を撮像することを含んでいた。これはガンが始動された後及び溶射の前にプルームを撮像することができる固定位置にプラズマガンを移動させることによってしか行うことができない。この方法は、ガンの動作に関連した潜在的な問題の多くを検出することができるが、以下の２つの主な欠点を有する。
（１）プルームが溶射の前だけに観察されるので、この方法は、溶射自体の間、ガンを監視することができない。したがって、長時間の溶射が続くときこの方法は限定的である。
（２）この方法は、全コーティングプロセスに時間を追加し、したがって貴重な粉末材料を無駄にし、その費用は４５３．５９２グラム（１ポンド）当たり数百ドルを超えることがある。
【０００７】
結果として、光学的撮像の方法は、時間と金の付加費用を正当化することができる、非常に高価な溶射プロセス及び部分だけに使用される。
【０００８】
最近の動きは、ハードウェアが交換を必要とするほどまでいつ摩耗しているのかを決定しようとしてプラズマガンの挙動を測定するために音響測定の使用を取り込んでいる（参照によりその開示が全体として本明細書に明示的に組み込まれる米国特許出願公開第２０１６／０３５６７４７号参照）。この発想は、完全にガンが出す音だけでハードウェア及びガンが適切に機能しているかどうかを見分けることができる、操作者及び溶射プラズマガンを動作させる経験を有する者の能力に基づいている。実施には、音響感知技術及び音響処理をプロセス制御に加えることを必要とする。この方法は、実際の溶射の間、現場でガンを監視することができる問題に対処するが、以下の制限を有する。
（１）サウンド・メーターは、埃っぽい溶射環境に理想的に適してはいないし、それらの寿命は短く、常時監視及び清掃を必要とする場合がある。
（２）ガンから発する音は、結果としてガンが動いている間の音の読取りに影響する残響となりブースと相互作用する。
（３）各ブースは固有の音響シグネチャを有するので、各ブースは、音響シグネチャがブース又は場所間で共有されるのを防止するために各ガンパラメータを用いて個々に較正されなければならない。同じガン、ガンのハードウェア、及び溶射パラメータを用いて動作する多数の溶射ブースを有することは、大型のアプリケーションでは珍しいことではない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１６／０３５６７４７号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
当技術分野で必要とされるものは、例えば、溶射中に、システムをさらに複雑にすることなく、ガンの挙動を測定する、より直接的なやり方である。理想的には、この方法は、ガンを動作させるのに使用される溶射ブース又はシステムとは独立しているべきである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
プラズマコントローラが、プラズマガン又はガンに近接した接続箱のいずれかにおけるガン電圧を測定するやり方を提供する。この電圧測定は毎秒１〜２回だけ記録され、表示されるので、信号を読み取りやすくするための低速応答が提示される。これはガン電圧を決定するための基準であり得るが、実際のガン電圧振動及び不安定性のリアルタイム動態を反映していない。
【００１２】
実施例において、適切なガンの動作を決定し、適切に動作していない場合、忌まわしい動作の潜在的な原因を診断することができる、ガン性能を監視し、診断するための方法及び装置が導き出される。ガンによって生成される電圧は、リアルタイムでサンプリングすることができ、生成された周波数スペクトルは、周波数解析、例えば、高速フーリエ変換（ＦＦＴ：Ｆａｓｔ  Ｆｏｕｒｉｅｒ  Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）を使用し、次いで、ＦＦＴパターンを正しい動作及び異常な動作の両方に対する既知のシグネチャと比較することができる数値の組又はシグネチャにまで変換して、解析することができる。次いで、最良適合技法を使用して、任意の異常な挙動の原因を特定することができる。この方法は、ハードウェアの寿命の終わりを予測し、摩耗及び使用の事前通知を提供することによって生産スケジューリング及び予備の部品の取得を助けるのに使用することもできる。
【００１３】
プログラマブル・ロジックコントローラ（ＰＬＣ：Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ  Ｌｏｇｉｃ  Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）及び産業用ＰＣを含む最新の制御システムが、信号の周波数解析を可能にするくらいに十分に高速でアナログ入力信号を読み取ることができる。そうすることによって、実際の電圧特性及び挙動を測定し、決定することができる。
【００１４】
次いで、ガン電圧をより高いサンプリング・レートで監視することが可能であり、したがって、電圧パターンを定義し、解析して、ガンの状態を決定することができる。
【００１５】
本発明の実施例は、プロセスコントローラを有するプラズマガンの挙動を監視するための方法を対象とする。この方法は、プラズマガンのガン電圧をサンプリングするステップと、サンプリングされたガン電圧を解析するステップと、振幅ピークを特定するステップと、特定された振幅ピークを表すパターンを生成するステップと、生成されたパターンを、記憶された既知のパターンと比較するステップとを含む。比較するステップが、プラズマガンの挙動が異常であることを示すとき、是正処置が実施される。
【００１６】
実施例によれば、サンプリングするステップ、解析するステップ、特定するステップ、生成するステップ及び記憶するステップは、プロセスコントローラとは別個に実施することができる。代替案として、サンプリングするステップ、解析するステップ、特定するステップ、生成するステップ及び記憶するステップは、プロセスコントローラにおいて実施することができる。
【００１７】
他の実施例によれば、プロセスコントローラは、是正処置を実施することができる。
【００１８】
他の実施例において、記憶された既知のパターンは、既知の正常な動作パターンの組と既知の異常な動作パターンの組とを少なくとも含むことができる。さらに、データ記録装置が、生成されたパターンを既知の正常な動作パターンの組における既知の正常な動作パターンと比較することができる。生成されたパターンが既知の正常な動作パターンに対応するとき、プラズマガンの挙動を正常として示すことができ、方法を繰り返すことができる。さらに、生成されたパターンが、既知の正常な動作パターンの組における既知の正常な動作パターンのいずれにも対応しないとき、データ記録装置は、生成されたパターンを既知の異常な動作パターンの組における既知の異常な動作パターンと比較することができる。生成されたパターンが既知の異常な動作パターンに対応するとき、プラズマガンの挙動を異常として示すことができ、正しい処置がプロセスコントローラに伝達される。さらに、それぞれの記憶された既知の異常な動作パターンを異常な動作の既知の原因と動作を正常に戻す是正処置とに関連付けることができるので、方法は、生成されたパターンが既知の異常な動作パターンに対応するとき、データ記録装置がプラズマガンの挙動を正常な動作に戻すように是正処置をプロセスコントローラに提供することができることを含むこともできる。
【００１９】
さらに他の実施例によれば、方法は、プラズマガンの使用の前、間、及び後のうちの少なくとも１つにおいて実施することができる。
【００２０】
他の実施例によれば、特定された振幅ピークを表すパターンを生成するステップは、特定された振幅ピークの全領域を決定するステップと、最大振幅における特定されたピークの周波数及び振幅を決定するステップと、特定されたピークの全領域の５０％における特定されたピークの周波数及び振幅を決定するステップと、特定されたピークの全領域の１０％における特定されたピークの周波数及び振幅を決定するステップと、特定されたピークの全領域の９０％における特定されたピークの周波数及び振幅を決定するステップとを含むことができる。
【００２１】
他の実施例において、ガン電圧をサンプリングするステップをリアルタイムで実施することができる。
【００２２】
さらに他の実施例において、電圧を解析するステップは、サンプリングされたガン電圧に対して高速フーリエ変換を実施するステップを含むことができる。
【００２３】
本発明の実施例は、プラズマガンの挙動を監視するための装置を対象とする。この装置は、プラズマガンの動作パラメータを制御するように構造化（ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄ）され配列（ａｒｒａｎｇｅｄ）されたプロセスコントローラと、プラズマガンのガン電圧をサンプリングするように構造化され配列された電圧センサと、サンプリングされたガン電圧を解析し、振幅ピークを特定し、特定された振幅ピークを表すパターンを生成するように構成されたデータ・プロセッサと、既知のガン動作パターンを記憶するように構成されたメモリと、生成されたパターンを、記憶された既知のガン動作パターンと比較するように構成された比較器とを含む。比較するステップが、プラズマガンの挙動が異常であることを示したとき、プロセスコントローラは、是正処置を実施するように命令される。
【００２４】
実施例によれば、記憶された既知のガン動作パターンは、既知の正常な動作パターンの組と既知の異常な動作パターンの組とを少なくとも含むことができる。さらに、データ・プロセッサを、生成されたパターンを既知の正常な動作パターンの組における既知の正常な動作パターンと比較するように構成することができ、したがって、生成されたパターンが既知の正常な動作パターンに対応するとき、プラズマガンの挙動を正常として示すことができる。さらに、生成されたパターンが、既知の正常な動作パターンの組における既知の正常な動作パターンのいずれにも対応しないとき、データ・プロセッサは、生成されたパターンを既知の異常な動作パターンの組における既知の異常な動作パターンと比較するように構成することができ、したがって、生成されたパターンが既知の異常な動作パターンに対応するとき、プラズマガンの挙動を異常として示すことができ、正しい処置が、プロセスコントローラに伝達される。さらに、それぞれの記憶された既知の異常な動作パターンは、異常な動作の既知の原因と動作を正常に戻す是正処置とに関連付けられ、したがって、生成されたパターンが既知の異常な動作パターンに対応するとき、データ・プロセッサは、プラズマガンの挙動を正常な動作に戻すように是正処置をプロセスコントローラに提供することができる。
【００２５】
他の実施例によれば、装置は、プラズマガンの使用の前、間、及び後のうちの少なくとも１つにおいてプラズマガンの挙動を監視するように構成することができる。
【００２６】
本発明のさらに他の実施例によれば、データ・プロセッサは、プログラムを実行して、サンプリングされたガン電圧を解析するように構成される、及びデジタル信号プロセッサのファームウェアを実行して、サンプリングされたガン電圧を解析するように構成される、のうちの少なくとも１つとしてよい。さらに、特定された振幅ピークの全領域を決定すること、最大振幅における特定されたピークの周波数及び振幅を決定すること、特定されたピークの全領域の５０％における特定されたピークの周波数及び振幅を決定すること、特定されたピークの全領域の１０％における特定されたピークの周波数及び振幅を決定すること、並びに特定されたピークの全領域の９０％における特定されたピークの周波数及び振幅を決定することによって、特定された振幅ピークを表すパターンを生成することができる。
【００２７】
本発明の他の例示的な実施例及び利点は、本開示及び添付の図面を検討することによって突き止めることができる。
【００２８】
本発明は、本発明の例示的な実施例の非限定的な実例により、図面のいくつかの図の全体を通して同じ参照番号が同様の部分を表す、注釈付きの複数の図面を参照して、後に続く詳細な説明においてさらに説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】新しいガンのハードウェアを用いて毎秒１回行われたＦ４ガンの電圧トレースを示す図である。
【図２】使用済みのハードウェアを用いて毎秒１回行われたＦ４ガンの電圧トレースを示す図である。
【図３】４，６１３Ｈｚでの及び〜５０，０００Ｈｚでの２つの一次振動（ｐｒｉｍａｒｙ  ｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎ）を示すＦ４プラズマガンの電圧トレースを示す図である。
【図４】〜２５００Ｈｚ及び〜２５，０００Ｈｚでの２つの一次振動を示すＴｒｉｐｌｅｘ  Ｐｒｏ  ２１０プラズマガンの電圧トレースを示す図である。
【図５】電圧データを取得するためのハードウェアのセットアップ（構成）を示す図である。
【図６】電圧データを取得し、解析するための例示的な方法を示す流れ図である。
【図７】ＦＦＴトレースの周波数振幅ピークをピークのサイズ及び形状を定義する１組の値に変換することを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
本明細書に示す詳細は、実例によるものであり、本発明の実施例の例示的な説明だけのためであり、本発明の原理及び概念的側面の最も有用で容易に理解される説明と信じられるものを提供するために提示される。この点において、本発明の構造的詳細を、本発明を基本的に理解するのに必要である以上に詳細に示す試みは何もされていないが、図面と併せて行われる説明は、本発明のいくつかの形態を実際にどのように具現化することができるのかを当業者に対して明らかにする。
【００３１】
低いサンプリング・レートにおいても、ガンのハードウェアの摩耗から生じた電圧の変化は容易に識別できる。実例として、図１は、新たに設置された電極（陰極）及びノズル（陽極）による１時間の動作の後のＯｅｒｌｉｋｏｎ  Ｍｅｔｃｏ  Ｆ４ＭＢ−ＸＬプラズマガンのガン電圧を示す。図２は、１７時間の動作の後の同じガン及びハードウェアを示し、ハードウェアはその寿命の終わり近くにある。より低いサンプリング・レートにおいても電圧挙動が明らかに異なることは明確である。
【００３２】
各プラズマガン及びハードウェアの組（ノズル及び電極）は、様々な振動（ｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎ）から生成された周波数の観点から明確な電圧挙動を有する。これらの振動は、最高から最低の周波数に構成された以下の物理的状態から導き出される。
（１）今まで測定された１７，０００から６０，０００ヘルツの周波数の範囲にわたる、ガンの内側の自然な音響効果、
（２）ガンの種類、ガンのハードウェア、及び動作パラメータにより１，５００から８，５００ヘルツの周波数の範囲にわたるガンの口径の内側のプラズマ・アークの振動、
（３）入力３相電気周波数により３００から３６０ヘルツでスイッチングする電源シリコン制御整流器（ＳＣＲ：Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ  Ｒｅｃｔｉｆｉｅｒ）から誘導された電源リップル。
（４）０．５ヘルツから数百ヘルツまでもの高さに変動することがある、時間の経過とともにノズル口径の内側で生じ、変化する不連続面によって生成された振動。これらの低周波数振動パターンは、図１及び２に示すように、従来のプラズマコントローラにおける典型的な電圧ピックアップにおいて容易に見られる。
【００３３】
図３は、標準電極及び６ｍｍノズルが、典型的なアルゴン／水素パラメータを用いて動作するＦ４プラズマガン電圧のオシロスコープ・トレースの実例を示す。２つの一次周波数が明らかである。すなわち、最高周波数及びより小さい振幅振動がおおよそ５０，０００ヘルツであり、２番目の低い周波数及びより大きい振幅振動が４，６１３ヘルツで測定される。これらの振動は、口径の内側の音響状態及びプラズマ・アークの動きに対応する。
【００３４】
図４は、９ｍｍノズルが、典型的なアルゴン／ヘリウム・パラメータを用いて動作する、Ｏｅｒｌｉｋｏｎ  Ｍｅｔｃｏ  Ｔｒｉｐｌｅｘ  Ｐｒｏ  ２１０プラズマガン電圧のオシロスコープ・トレースの実例を示す。この場合も、２つの一次周波数が明らかである。すなわち、最高周波数及びより小さい振幅振動がおおよそ２５，０００ヘルツであり、２番目の低い周波数及びより大きい振幅振動がおおよそ２，５００ヘルツである。この場合も、これらの振動は、口径の内側の音響状態及びプラズマ・アークの動きに対応する。
【００３５】
図３及び図４に示す実例は、様々な振動の周波数の範囲がいかに広く変動することがあるか、並びに各ガン、ハードウェアの組の各種類、及びさらには使用されたガスにいかに固有であるかを示し、それにより、容易に特定することが可能になる。一般に、同じことが摩耗などの変化する状態又は前に定義したガンの動作性能問題の他の原因にも当てはまる。
【００３６】
リアルタイムプラズマガン電圧監視を実施するには、毎秒少なくとも１つのデジタル化されたサンプル、好ましくは毎秒１０，０００のサンプル及び最も好ましくは毎秒１００，０００のサンプルを提供することができるアナログ入力を有するためのプラズマコントローラ又は別個の監視デバイスを必要とする。毎秒単一のサンプルは、能力をガンの摩耗の検出だけに制限するが、毎秒１０，０００のサンプルにより、プラズマ・アークの動きに関連した追加の診断が可能になり、毎秒１００，０００のサンプルにより、ガス及びガス流などのガンの音響効果に影響する状態を含む全範囲の診断が可能になる。
【００３７】
図５は、プラズマ・プロセスコントローラ１０７と通信する別個の監視デバイスを使用する電圧データ取得セットアップ１００の１つの実例を示す。補助電圧ピックアップが電圧をサンプル・ストリームとして取得し、次いでデジタル化するためにジャム・ボックス（ｊａｍ  ｂｏｘ）に使用され、データ記録デバイスに記録される。電力が電源１０１からジャム・ボックス１０３を介してプラズマガン１０２に供給され、ジャム・ボックス１０３は、電力及び水がガンに結合され、監視される箇所としての役割を果たす。例示した実例において、電線路５０と６０との間の電圧が、補助電圧ピックアップ１４によって、例えば電圧分配器によって取得され／読み取られ、次いでＡ／Ｄ変換器１０５においてデジタル化され、ガンによって生成された電圧が、解析のためにサンプル・ストリームとしてリアルタイムでサンプリングされ、データ記録装置１０６に記録される。電圧ピックアップ１４は、本発明の実施例の精神及び範囲を逸脱することなく、電源に、好ましくはジャム・ボックスに、及び最も好ましくはガンに配置することもできることを理解されたい。サンプリングされた電圧の周波数スペクトルは、周波数解析を、例えば高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を使用して解析することができ、次いでＦＦＴパターンは、正しい動作及び異常な動作の両方のための既知のシグネチャと比較することができる数値の組又はシグネチャにまで変換することができる。特注の解析ソフトウェアを上記の数値の組又はシグネチャを実現するように当業者によって設計し、実装することができるが、Ｎａｔｉｏｎａｌ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ（登録商標）からのＬａｂＶＩＥＷ又はＭＡＴＬＡＢ（登録商標）などの、信号解析を実施するための既存の解析データ・アプリケーションを本発明の実施例によるパターンを生成するために採用することができることが理解される。代替案として、解析作業を実施するためにソフトウェア・アプリケーションを使用する代わりに、本発明の実施例の精神及び範囲を逸脱することなく、専用のデジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ：Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｓｉｇｎａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）ファームウェアを処理チップに設けることができることも理解される。
【００３８】
既知のシグネチャは、データ記録装置１０６による検索のために、例えばデータ記憶装置１８に記憶することができる。データ記憶装置１８は、例えばウェブ・ベースのサーバ（クラウド）又は各ローカル・システムに実装されるオンサイト・サーバなどの集中型の記憶場所で維持することができる。さらに、ローカル・システムに常駐するパターンのデータ・ベースは、本発明の実施例の精神及び範囲を逸脱することなく、中央ソース（例えばウェブ・ベースのサーバ／クラウド）から更新することができることを理解されたい。
【００３９】
最良適合技法を使用して、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）パターンと既知のシグネチャとの間の高い相関性（例えば７０％以上）によって、適切な動作又は任意の異常な挙動の原因を特定することができる。異常な挙動の特定された原因の解決策は、データ記憶装置１８に記憶し、異常な挙動が特定されたときデータ記録装置１０６によって検索することもできる。データ記録装置１０６は、プラズマ・プロセスコントローラ１０７に接続することもでき、プラズマ・プロセスコントローラ１０７は、プラズマガンプロセスを制御するために電源１０１及びジャム・ボックス１０３を制御する。プラズマ・プロセスコントローラ１０７は、本発明の実施例の精神及び範囲を逸脱することなく、データ記録装置１０６内に組み込むことができることも理解されたい。したがって、特定された異常な挙動の解決策がデータ記録装置１０６によって検索されたとき、この解決策は、プラズマガンの動作を正常に戻す解決策を実施するためにプロセスコントローラ１０７に転送することができる。さらに、例示的な図５に示すように、電圧データ取得及び解析を別個のデバイスを用いて行うことができるが、このプロセスは、特許請求される実施例の精神及び範囲を逸脱することなく、プロセスコントローラに直接、又はさらには運動制御システムに、例えばロボットに統合することもできることを理解されたい。
【００４０】
図６は、データを取得し、処理するための例示的な方法の流れ図を示す。例示的な方法においては、２０１において、ガン電圧データがリアルタイムで記録される。この記録されたガン電圧データは、監視されたアナログガン電圧を、例えばジャム・ボックスにおいてデジタル化することによって生成されるサンプル・ストリームであることができる。さらに、アナログガン電圧は、ガンの初期セットアップの間、プラズマガンの現場監視を行う溶射の間、及び／又はガンが溶射を終了した後に監視することができる。デジタル化された電圧サンプル・ストリームは、２０２においてデータ記録デバイスに供給され、そこで、周波数解析アルゴリズム、例えば高速フーリエ変換（ＦＦＴ）が実施されて、周波数／振幅グラフを作成する。２０３において、主要振幅（ｋｅｙ  ａｍｐｌｉｔｕｄｅ）ピークが特定され、ピークのサイズ及び形状を定義する値の組に変換され、それによって、例えば図７に示すようにピークを表すパターンが生成される。主要振幅ピークは、説明した振動、特に音響効果振動及びプラズマ・アーク振動に関連付けられたものを含む。好ましくは、電圧パターンは、ガンが始動された瞬間からガンが停止された時まで連続的に監視される。現場監視では、データ収集及び変換を連続的に又はより好ましくは、それらが結果として不良の溶射部分又はさらにはガンの損傷になり得るまでに不要な挙動を収集するのに十分に短い離散した時間間隔で行われることがある。連続的監視は、時間の経過とともに電圧データの移動ストリームを利用し、むしろ計算集約的であり、専用のプロセッサ、例えばデジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）を必要とすることがある。離散時間間隔がより好ましく、毎秒１回もの短さから３０秒ごとに１回もの長さまでの範囲にわたることがあり、好ましい間隔は３秒から５秒の範囲である。３〜５秒の更新により、深刻な損傷がガン又は溶射部分に行われる前に、水漏れなどの差し迫ったガンの故障及び過熱又は摩耗によるガンのスピッティングの開始を検出することが可能になる。
【００４１】
被試験ガンに対して取得されたピーク振幅及び周波数パターンは、２０４においてガンの動作のためにデータ記憶装置に記憶された既知のパターンと比較される。パターン照合の初期実装例は、まず、各ガン、ハードウェアの組、及びガンが正しく動作しているかどうかを決定するために使用されたパラメータに対する正常な動作電圧パターンを特定することである。許容可能な／正常な動作に対して、及び異常な動作に対して、既知のパターンは、今後の参照及び被試験ガンから取得したパターンとの比較のためにデータ記憶装置（例えばクラウド又はローカル・データ・ベース）にロードすることができる。データを「クラウド」などのオープン・プラットフォームにロードすることにより、他のシステムがこの情報にアクセスすることが可能になり、パターンがロードされ、利用可能とされたとき、電圧パターン経験の共有が可能になる。異常な状態が検出され、これらの異常な状態の電圧パターンが得られたとき、それらは実装例を促進するためにロードすることもできる。
【００４２】
電圧パターンが得られると、それは、２０５において、パターンがパラメータの正常なパターンを表すかどうかを検証するために、時間の経過とともに収集され、データ記憶装置に記憶された既知の許容可能なパターンと比較することができる。パターンが、既知の正常なパターン、例えば被試験パターンと既知の正常なパターンとの間の少なくとも７０％の相関性に対応するとき、すなわち２０５においてＹ（はい）であるとき、プロセスは、試験されたパターンを許容可能とみなし、２０６において、プロセスは、２０１におけるガン電圧を監視するプロセスの初めに戻る。パターンが既知の正常なパターンに対応しない場合、すなわち、２０５においてＮ（いいえ）である場合、パターンのピーク振幅及び周波数が、２０７において、既知の異常なパターンと比較され（それは、データ記憶装置に記憶されてもよい）、対応する既知の異常なパターン、例えば被試験パターンと既知の異常なパターンとの間の少なくとも７０％の相関性を見つける。既知の異常なパターンとの一致が見つかったとき、異常状態の原因を突き止めることができ、並びに異常な動作に対処し、それを克服する是正処置を２０８において見つけることができる。既知の異常なパターンに関連付けられた原因及びそのような異常なパターンを克服する是正処置をデータ記憶装置に記憶することができる。次いで、２０９において、図５に示すようにデータ処理がプロセスコントローラとは別個である場合、是正処置を実施するために、原因及び是正処置をプロセスコントローラに中継することができ、プロセスコントローラは、データ処理システムとは別個であることができ、又はデータ処理システム内に組み込むことができる。
【００４３】
図７を参照すると、検査のための主要振幅ピークが示される。主要ピークは、背景ノイズよりも高く、例えば背景ノイズよりも少なくとも１０％高く、また好ましくは背景ノイズよりも１０％から２５％の間高く上昇するピークとして、信号対ノイズ比に基づいて定義することができる。主要ピークの開始は、平均又は傾向線（トレンドライン）よりも高い連続的な上昇として指定することができ、主要ピークの終わりは、平均若しくは傾向線への、又はそれよりも低い復帰として指定することができる。例示的な図に示すように、主要ピークは、ピークのサイズ及び形状を定義する値の組に変換することができる。実例により、ある定量化された値、例えば、平均又は傾向線よりも高いピークの全領域、最大振幅における周波数及び振幅、ピークの全領域の５０％における周波数及び振幅、ピークの全領域の１０％における周波数及び振幅、並びにピークの全領域の９０％における周波数及び振幅を記録することができる。これらの値は、上記の実施例による既知の正常な及び、必要に応じ、既知の異常な状態との比較のために、ピークを表すパターンを生成するのに使用することができる。
【００４４】
データ記憶装置におけるファイルにない新たな又は固有のパターンは、パターンの原因を特定し、次いで、そのパターン及び情報をデータ・バンクにアップロードして、既知のパターンの群に追加することを必要とするはずである。より多くのパターンが特定され、データ・バンクにロードされるにつれて、より多くの異常な状態を診断し、是正する能力が増大する。
【００４５】
この方法の実例は、定義されたガン及びハードウェアの組に水漏れがあるとき、電圧挙動を表すデータ・バンクにロードされた既存の異常なパターンを有するはずである。そのパターンが実際の水漏れに対応する溶射事象の間に検出されたとき、それは迅速に特定することができ、ガンへの損傷を引き起こし又はコーティング不良を生成する前にガンが停止されるはずである。
【００４６】
この方法の別の実例は、データ・バンクにロードされた二次ガス流のシフトに対応する外部電圧パターンを有するはずである。動作の間、異常なパターンが検出され、データ・バンクと一致したとき、起こり得るシフトについて操作者に警告し、十分なパターン・マッピングが存在する場合、二次ガス流を調整して、異常状態を是正することを推奨する。
【００４７】
さらに、本発明の実施例による方法及び装置を任意のプラズマ溶射システムに、並びに処理材料のためのもの、又は宇宙環境を模擬するためのプラズマ発生器及びオゾン発生器としての役割を果たすものなど、任意の同様のプラズマ・デバイスに適用することができる。本発明の実施例による方法は、異なる技法を適用して、周波数／振幅ピークをピークの形状及びサイズを表す明確な値に変換することができることも理解されたい。
【００４８】
前述の実例は、単に説明のためだけに提供されており、決して本発明を限定するものと解釈してはならないことに留意されたい。本発明は例示的な実施例を参照して説明してきたが、本明細書に使用してきた単語は、限定の単語ではなく、説明及び例示の単語であることが理解される。添付の特許請求の範囲内で、本発明の範囲及び精神から、その態様において逸脱することなく、現在記載したように、及び修正されたように変更を加えることができる。本発明を特定の手段、材料及び実施例を参照して本明細書に説明してきたが、本発明は、本明細書に開示した詳細に限定されるものではない。むしろ、本発明は、添付の特許請求の範囲内であるなど、すべての機能的に同等の構造、方法及び使用にまで及ぶ。
【図１】
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【図２】
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【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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【国際調査報告】
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