JP2006190251A - 工業プロセスを監視するためのセンサ手段を備えたモジュール - Google Patents

Abstract

【課題】少なくとも一つの処理ステーションで一つ以上のプロセス量を検出するセンサ手段と、センサ手段によって発せられた測定信号を取得する取得手段と、プロセスの情報を得るために取得手段によって生成された信号に基づいて作動する処理手段と、プロセス品質の情報に基づいて作動する、製造フローを管理する手段と、を備える、工業プロセスを監視するシステムを提供する。
【解決手段】取得手段32は、少なくとも一つの処理ステーション20に局所的に配置されるとともに、センサ手段17によって生成された測定信号Rをコード化信号にコード化する手段33を備え、製造フロー19を管理する手段は、取得・処理手段32に関して遠隔に配置されて、取得手段32によって生成されたコード化信号T,T1を製造フロー19を管理する手段に送るために、取得手段に連関した無線送受信手段42,43が存する。
【選択図】図３

Description

本発明は、少なくとも一つの処理ステーションにおける一つ以上のプロセス量を検出するためのセンサ手段と、前記センサ手段によって発せられた測定信号を得るための取得手段と、プロセス情報を得るための前記取得手段によって生成された信号に基づいて作動する処理手段と、プロセス品質に関する前記情報に基づいて作動する製造フローを管理するための手段と、を含む、工業プロセスを監視するためのシステム及び方法に関する。

上に述べたような方法及びシステムは、既に提案され、例えばレーザ溶接プロセスを特に金属シート溶接の場合にオンラインで監視するために過去に用いられている。監視システムは、溶接領域におけるまたは突き合わせ接合の（butt-jointed）薄い金属シートの場合での孔隙（porosity）の存在、オーバーラップするまたは分離する金属シートによる欠点の存在、を評価することができる。同様のシステムも、レーザ切断操作の品質を監視するために用いられている。

図１は、既知のタイプのレーザプロセスの品質のモニタのためにシステムを示している。

図１を参照する。番号1は、レーザプロセス(例えばレーザ溶接プロセス)の品質を監視するためのシステムを全体的に示している。その例は、レーザ・ビームによる作業または処理ステーションで溶接された二つの金属シート2，3のケースを示している。番号4は、レーザ・ジェネレーター(不図示)によって発生されて、レンズLを通過した後に半反射鏡6によって反射されたレーザ・ビームによって達したレンズ5を含む、合焦ヘッドの全体を示している。溶接領域から発せられた放射光Eは、反射鏡6を通過して、プロセスを管理するパソコン9に連関した（associated）電子制御の処理装置8にその出力信号を送ることができるフォトダイオードから成るセンサ7によって捉えられる。

実際的な実施態様では、用いられる半反射鏡6は、2インチの直径及び5mmの厚さを持ったZnSe鏡である。センサ7は、190〜1100nmのスペクトル感度、1.1×1.1mmの活動的な（active）領域及び石英窓を備えたフォトダイオードである。

図２は、パソコン9に連関した電子制御の処理装置8をさらに詳細に示している。前記処理装置8は、センサ7によって送られた信号に基づいて作動するアンチエイリアシング・フィルタ11を備えており、A/D変換器を装備した取得ボード12がある。それは、フィルターされた信号をサンプリングし、それを数的に変換する。前記取得ボード12は、パソコン9に直接に接続されている。

取得ボード12は、2¹⁶ヘルツ以上の周波数でセンサ7によって発せられた信号を取得する。

パソコン9は、取得した信号の分析に基づいた品質監視システムを実行する。

今まで用いられてきたシステムの欠点は、合焦ヘッドの内部に配置されたセンサ(それは、溶接プロセスから来る放射光を取得する)が、パソコンの中にある取得ボードに接続されていることである。それは、適切なケーブルを通してプロセスを監視する。

しかしながら、前記ケーブルは、取得・処理システムを遠隔に配置することに関する問題を引き起こす。さらに、その場合、より多くの接続ケーブルを配線しなければならないので、様々な溶接ステーションでのより多くのプロセスを監視しなければならないならば、前記ケーブルは、さらに重大な欠点に導く。実は、前記接続ケーブルは、ケーブルが運ぶ信号上に非常に多くの雑音を導入しないように、制限された長さを有しているべきである。溶接ステーションの内部にある接続ケーブルの通路は、電力ケーブルとの磁気干渉による欠点に導く。さらに、低いノイズを有するために、前記接続ケーブルは、ハイ・インピーダンス・ケーブルであり、したがって極めて高価である。

本発明の目的は、前述の欠点のすべてを克服することである。

前記目的の達成を考慮して、本発明の目的は、最初に述べた特徴を有するとともに、前記取得手段が少なくとも一つの処理ステーションに局所的に配置され、前記センサ手段によって生成された前記測定信号をコード化信号にコード化するための手段を備え、製造フローを管理するための前記手段が、取得・処理手段に関して遠隔に配置され、前記取得手段によって生成されたコード化信号を製造フローを管理するための前記手段に送るための前記取得手段に連関した無線送受信手段が存在することを特徴とする、工業プロセスの品質を監視するためのシステムである。

好ましい実施態様では、前記無線送受信手段は、例えばブルートゥース・プロトコルに従って作動するラジオ周波数（radio-frequency）送受信手段である。しかし、プロセス情報は、プロセス品質に関する情報である。

もちろん、本発明の目的は、上記システムを実行する工業プロセスの品質を監視する方法である。

本発明のさらなる特徴及び利点は、単なる非限定的な例として提供される添付図面を参照して、次の説明から明白になるであろう。

要するに、提案されたシステムによれば、知能を持った（intelligent）ユニットは、作業（working）ステーションの中に局所的に配置されている。前記知能ユニットは、センサ上に直接に組み立てられて、前記センサからの信号を取得するように構成されている。このように、遠隔配置のプロセッサに無線送受信するための前記信号を(まだ局所的に)コード化する。それは、欠点を評価して例えば拒絶管理手順（reject management procedure）を実行することによりプロセスを監視する。

図３は、本発明に係る工業プロセスを監視するためのシステムのブロック図を示している。番号17は、作業ステーション20において、例えばCO₂レーザの合焦ヘッドの内側に、あるいは、レーザが、ネオジムYAGタイプである場合には、キャビティの内側に配置されているセンサを示している。したがって、前記センサ17は、作業ステーション20の近くに配置され、レーザ溶接プロセスから来る放射光Sを検出し、それにより、特に0乃至0.5Ｖのアナログ電圧信号Rを生成する。

前記アナログ電圧信号Rは、取得・コード化のモジュール32に転送される。本発明の好ましい実施態様に係る、センサ17と取得モジュール32との間の接続40は、ケーブル無しの直接の接続である。言いかえれば、好ましくは、取得・コード化のモジュール32及びセンサ17は、例えば溶接によって、センサ17の電圧出力に直接に接続された例えばプリント基板または集積回路の形式で一体化モジュールを構築する。

取得モジュール32は、センサ17からのアナログ電圧信号Rの取得を管理し、かつそこに含まれたコード化モジュール33によってそれをコード化するようにプログラムされる。それは、シリアル信号T(つまり、隣接した作業ステーション20における進行中のプロセスに対してセンサ17によって測定された値をシリアルに表示するもの)を供給する。前記処理は、特にプロセス品質を評価するために、プロセス情報モニタの手順によって起こる。前記手順は、パソコン19に既に搭載されたソフトウェアによって実行される。溶接プロセスの品質を決定するための処理手順の例（本願に提案されたシステムに実行される）は、出願人に出されたヨーロッパ特許公報EP 1361015号、EP 1275464号及びEP 1371443号から非限定的な例として推論することができる。

シリアル信号Tは、無線送受信ユニット42(それは例えばブルートゥース・プロトコルを用いる)、特に2.4GHzのブルートゥース送受信機を通して送信される。

上記説明から、コード化モジュール33を備える取得モジュール32、及び無線送受信ユニット42が一つのハウジングに含まれた知能基本ユニット30を構築することは明白である。それらは、作業ステーション20に局所的に配置されセンサ17と一体化されているか、迅速な接続または溶接のような単純な組み立て接続を通じてセンサ17と一体化される。

無線送受信ユニット42によって送出されたシリアル信号Tは、対応する無線受信ユニット43によって遠隔ステーション50で受け入れられ、つまり、例えばブルートゥース・タイプの無線信号上で作動する。

そして、受信信号は、例えばRS232のプロトコル下でパソコン19に転送される。パソコン19は、工業プロセスの監視者（supervisor）の役割をし、溶接品質を評価するためにシリアル信号Tに含まれた測定データを既知の方法で分析する。

前記監視（supervising）パソコン19は、生成物（product）の拒絶管理（reject management）を含む手順を実行することにより製造フローを管理すること、及びシリアル信号Tに基づいて製造の進捗（manufacturing development）についてのデータバンクの生成を管理することという特定のタスクを有している。

図４は、取得モジュールの第一の実施態様32'のブロック図を示している。図において、センサ17は、+/-0.5Ｖの大きさ（amplitude）で40kHz以上の可変周波数を持ったアナログ電圧信号Rを24ビットのアナログ・ディジタル変換モジュール62に供給する。それは、32768Hzのサンプリング周波数でサンプリングを実行し、ビットC0...C23を備えるパラレル信号Cを出力として供給する。前記パラレル信号Cは、マルチプレクサ63に供給される。マルチプレクサ63は、以下のようなシリアル信号Tを生成する。

図５（それは、マルチプレクサ63によって生成されたシリアル信号T及びその操作をスキャンするクロック信号CKを表わす)に示されたように、モジュール62によって32768kHzでサンプリングされた信号Rの各アナログ・データに対して、前記マルチプレクサ63は、４つの高いビット(クロックの4つの高いサイクル)の期間（duration）を持ったスタート・ビットSBを受け取る。

その後、マルチプレクサ63は、第一のビットC1をクロック・サイクルに入力し、そして、ロジック0を次のクロック・サイクルに入力することが続き、その後、第二のビットC2及びもう一つの0を入力する。最後のビットC23が入力されるまで、各入力がクロック・サイクルに対して行われ、最後の0を次のクロック・サイクルに入力することが続く。マルチプレクサ63に0を入力することが適切な入力0として図４に示されている。

このように、32768Hzで取得された信号Rの各アナログ・データについては、53ビットがシリアル信号Tに連続的に送信される。このことは、シリアル信号Tの出力周波数が、少なくとも53*32768=1736704Hzであり、それは、2.4GHzで作動する送受信機42によって容易にサポートすることができることを意味する。

図６は、第二の実施態様32"を示している。図６において、電圧を周波数に変換する変換モジュール72は、取得・コード化モジュールとして用いられている。

前記モジュール72は、アナログデータを可変周波数パルスの列（train）T1に変換する。それは、つまり、図６に示されるように、異なった距離でパルスを持ったものである。列T1における周波数変化は、アナログデータの大きさ（amplitude）に依存して変わる。

上で説明した特徴のおかげで、本発明に係るシステムは、センサを装備した知能モジュールを提供する。知能モジュールは、プロセス品質が監視され、製造フローが管理されている遠隔ステーションに工業プロセスが、実施される作業ステーションからプロセス監視データを取得し、コード化し、送受信する基本ユニットを表わしている。

好ましくは、本発明に係るシステムでは、知能ユニットは、例えば変換器やマルチプレクサのような単純なモジュールを備える。それは、異なった量を測定して、異なったタイプのセンサを適合させるための特別な構成を必要としない。言いかえれば、好ましくは、知能ユニットは、センサのタイプに依存しない。その結果、一つ以上の作業ステーションを監視するいくつかのタイプのセンサがあるので、各センサは、プリント基板上のピン・ボンディングのような簡単な組み立て作業によって、本発明に係る関連した同一の知能ユニットに連関することができる。

本発明に係るシステムは、遠隔に配置された監視（supervising）プロセッサと好ましくは、相互作用する知能を持った所定数の基本ユニットから構成された、知能ネットワークの構築を可能にする。異なった特性（nature）を必要とするならば、対応する知能基本ユニットによって単一のプロセスが管理されるので、提案された解決策は、同時に様々な製造領域を管理することを可能にする。

無線通信を用いるとともに、センサとパソコンのボード上の取得カードとの間の接続ケーブルをこのように除去することによって、本発明に係るシステムは、マルチセンサの基本監視ユニットを実行することを可能にする。信号用の複数のケーブルが、必要とされているので、前記マルチセンサ・ユニットがケーブルによって実行するのが難しいことが証明されている。

接続ケーブルを除去したおかげで、低いノイズを有するためにハイ・インピーダンス・ケーブルが用いられるべきでないので、前記ケーブルが作業ステーションを通過し（get through）、それにより明白なコスト削減を得るときに、本発明に係るシステムは、管理コンピューターに接続するのに必要なケーブルの長さによりノイズの問題を除去する。

監視（monitoring）・取得モジュールのサイズが小さいおかげで、本発明に係るシステムは、既存の作業ステーションに非常に簡単に導入される。したがって、それはまだ故意に調製されていない。

明らかに、本発明の根本概念が同じままであるが、構造細部及び実施態様は、本発明のフレームワークを残さずに、単なる例示として記載され且つ示されたものに関して幅広く変更することができる。

もしプロトコル及び方法が、所望の距離に及び必要とされたバンド仕様で品質信号を送信することができるならば、無線送受信モジュールに関する限り、無線送受信モジュールは、ブルートゥース標準規格と異なるラジオ周波数送受信プロトコル及び方法を実行することができる。両方とも市場で利用可能で製造されている。これに関して、品質信号が、その送受信のために非常に狭い帯域幅を必要とするので、本発明に係るシステムで、例えば制限のあるバンドの非常に単純な送受信機の使用、または例えば市場で利用可能な広いバンドの送受信機の使用、またエラー訂正技術の実行のために品質信号送受信、パリティコードの送受信または冗長さ（redundancy）を備えた信号の送受信に関与しない（not involved）バンドの使用のような様々な選択が行なわれることは、指摘されるべきである。

従来技術に係る工業プロセスを監視するためのシステムの模式図である。 図１のシステムの細部の模式図である。 本発明に係る工業プロセスを監視するためのシステムのブロック図である。 図３のシステムのモジュールの第一の実施態様のブロック図である。 図４のモジュールによって生成された信号を示す図である。 図３のシステムのモジュールの第二の実施態様のブロック図である。

符号の説明

１７ センサ
１９ パソコン
２０ 作業（working）ステーション
３０ 知能基本ユニット
３２ 取得・コード化モジュール
４２ 無線送受信（radio transmission）ユニット
５０ 遠隔ステーション
６２ アナログ・ディジタル変換モジュール
Ｔ コード化信号

Claims (12)

1. 少なくとも一つの処理ステーション(20)で一つ以上のプロセス量を検出するためのセンサ手段(17)と、
   前記センサ手段(17)によって発せられた測定信号(R)を取得するための取得手段(32;32';32")と、
   プロセスについての情報を得るために前記取得手段(8)によって生成された信号(T;T1)に基づいて作動する処理手段(19)と、
   プロセス品質についての前記情報に基づいて作動する、製造フロー(19)を管理するための手段と、を備え、
   前記取得手段(32)は、少なくとも一つの処理ステーション(20)に局所的に配置されるとともに、前記センサ手段(17)によって生成された前記測定信号(R)をコード化信号にコード化するための手段(33)を備え、
   製造フロー(19)を管理するための前記手段は、取得及び処理手段(32)に関して遠隔の位置に配置されて、前記取得手段(32)によって生成されたコード化信号(T;T1)を製造フロー(19)を管理するための前記手段に送るために、前記取得手段に連関した無線送受信手段(42,43)が存することを特徴とする、工業プロセスを監視するためのシステム。
2. 前記無線送受信手段(42，43)が、ラジオ周波数で作動することを特徴とする、請求項１記載のシステム。
3. 前記ラジオ周波数送受信手段(42，43)が、ブルートゥース標準規格に従って作動することを特徴とする、請求項２記載のシステム。
4. 前記取得手段(32')が、前記測定信号(R)上で作動するA/D変換器(62)を備え、前記符号化手段(33)が、シリアル信号の形で前記コード化信号(T)を生成するためのマルチプレクサ(63)を備えることを特徴とする、請求項２または、３に記載のシステム。
5. 前記取得手段(32")は、前記測定信号(R)を可変周波数パルス列(T1)に変換するために電圧を周波数に変換する変換装置(72)を備えることを特徴とする、請求項３記載のシステム。
6. 前記送受信手段に含まれた前記ラジオ周波数送受信手段(42)は、前記少なくとも一つの処理ステーション(20)に局所的に配置された知能ユニット(30)に前記取得手段(32;32';32")に連関されることを特徴とする、請求項４または５に記載のシステム。
7. 前記知能ユニット(30)が、前記センサ手段(17)と一緒になった一体化モジュールであることを特徴とする、請求項６に記載のシステム。
8. 対応する作業ステーション(20)に局所的に配置された複数の前記知能ユニット(30)が、あり、製造フロー(19)を管理するための前記手段は、前記の複数の知能ユニット(30)によって送信された前記プロセス情報に基づいて前記作業ステーション(20)を管理するように構成されていることを特徴とする、請求項６または７に記載のシステム。
9. 製造フロー(19)を管理するための前記手段が、拒絶管理すること、及びプロセス情報に基づいて製造の進捗についてのデータ・ベースを生成することを含む手順を実行するように構成されることを特徴とする、請求項１乃至８のいずれか一つに記載のシステム。
10. 前記プロセス情報は、プロセス品質についての情報であることを特徴とする、請求項１乃至９のいずれか一つに記載のシステム。
11. 前記処理ステーションが、レーザ溶接プロセスを実行することを特徴とする、請求項１乃至１０のいずれか一つに記載のシステム。
12. 少なくとも一つの処理ステーション(20)での一つ以上のプロセス量(17)を検出する操作と、
    前記検出操作(7)で生成された信号(R)を取得する操作(32)と、
    プロセス情報を取得するために処理するステップ(19)と、
    前記プロセス情報に基づいて製造フロー(19)を管理する操作と、を備え、
    前記プロセスに局所的に対応する取得(32)を含む操作を実行し、前記取得操作が、前記検出操作(17)で生成された前記測定信号(R)をコード化するステップ(33)を含む操作と、
    前記プロセスに関して遠隔位置で製造フロー(19)を管理することを含む操作を実行し、操作の実施のために処理ステーション(20)で得られた前記プロセス情報の無線送受信(42)は、遠隔位置で製造フロー(9)を管理することを含み、前記操作が請求項１乃至１１記載のいずれか一つに係るシステムによって実行される操作と、
    をさらに備えることを特徴とする、工業プロセスを監視するための方法。

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