JP3182318U - 工業プロセスの品質をモニターするためのシステム及び当該方法 - Google Patents

Abstract

【課題】少なくとも一つの処理ステーションでの一つ以上のプロセス量を検出するためのセンサ手段と、プロセス品質に関する情報を得るためのセンサ手段によって生成された信号で動作する取得及び処理の手段と、プロセス品質に関する情報に基づいて動作する製造フローを管理するための手段と、を備える工業プロセスをモニターするためのシステムを提供する。
【解決手段】取得及び処理の手段３２は、センサ１７からの信号Ｒを管理し、取得及び処理の手段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。製造フロー１９を管理するための手段は、取得及び処理の手段３２に関して遠隔の位置に配置される。取得及び処理の手段３２と製造フロー１９を管理するための手段との間にプロセス品質に関する情報Ｑを交換するための無線通信手段４２、４３が設けられている。
【選択図】図３

Description

本考案は、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、プロセス品質（quantity）についての情報を得るための前記センサ手段によって生成された信号で動作する取得及び処理の手段と、プロセス品質についての前記情報に基づいて動作する製造フローを管理するための手段と、を備える、工業プロセスをモニターするためのシステム及び方法に関する。

上で説明した方法及びシステムは、例えば、レーザ溶接プロセス、特に金属板溶接の場合にオンラインでモニターするために、過去に既に提案されて用いられている。モニタリングシステムは、溶接領域の孔隙率の存在を、又は残部を継ぎ合わせた（butt-jointed）薄い金属板の場合に、金属板をオーバーラップ又は分離させることによる欠陥の存在を、評価することができる。同様のシステムも、レーザ切断作業の品質をモニター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をモニターするためのシステムを示す。

図１を参照する。参照符号1は、レーザプロセス(例えば、レーザ溶接プロセス)の品質をモニターするためのシステムの全体を示している。その実施例は、レーザ・ビームによる作業の（working）又は処理のステーションで溶接された二つの金属板2、3の場合を示している。参照符号4は、レンズLを通過した後、レーザ・ジェネレーター(不図示)によって作り出されて半反射鏡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。溶接領域から放出された放射線（radiation）Eが、反射鏡6を通過して、プロセスを管理するパソコン9に連関した電子制御処理ユニット8にその出力信号を送るのに適しているフォトダイオードから成るセンサ7によって受け取られる（picked up）。

実際的な実施態様では、用いられる半反射鏡6は、直径が2インチで厚みが5mmのZnSe鏡である。センサ7は、190乃至1100nmの間にあるスペクトル感度と、1.1×1.1mmの動作領域（active area）と、石英窓と、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処理ユニット8をさらに詳細に示している。前記処理ユニット8は、センサ7によって送られた信号で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、そして、A/D変換器を装備した取得カード（acquisition card）12が設けられている。それはフィルターされた信号をサンプリングし、それを数値に変換する。前記取得カード12は、パソコン9に直接に接続される。

取得カード12は、2¹⁶ヘルツ以上の周波数でセンサ7によって放出された信号を得る。

パソコン9は、取得した信号の分析に基づいて品質モニタリング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の放射線を得る)が、パソコンに配置された取得カード（それは適切なケーブルを介してプロセスをモニタする）に接続されていることである。

しかしながら、前記ケーブルは、取得及び処理の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、様々な溶接ステーションでより多くのプロセスをモニターする必要があるならば、より多くの接続ケーブルを配置しなければならないので、前記ケーブルはさらに重大な欠点に導く。実際のところ、前記接続ケーブルは、信号に非常に多くの雑音が乗らないように所定の長さを有しているべきである。接続ケーブルが溶接ステーションの内部を通過することは、電力ケーブルとの磁気干渉によって欠点に導く。さらに、低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。

本考案の目的は、前述の欠点のすべてを克服することである。

前記目的を達成するために、本考案は、以下の特徴を有する工業プロセスの品質をモニターするためのシステムを提供することである。すなわち、取得及び処理の手段が、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、製造フローを管理するための手段が、取得及び処理の手段に関して遠隔に配置されていて、プロセス品質についての前記情報を交換するための無線通信手段が、前記取得及び処理の手段と製造フローの管理手段との間に設けられていることを特徴とする。

好ましい実施態様では、前記無線通信手段は、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の通信手段である。

もちろん、本考案の目的は、上記システムを実行する工業プロセスの品質をモニターする方法である。

本考案のさらなる特徴及び利点は、単なる非限定的な実施例として提供される添付図面を参照して、以下の説明から明白になるであろう。

従来技術に係る工業プロセスをモニター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。 本考案に係る工業プロセスをモニターするためのシステムのブロック図である。

要するに、提案されたシステムによれば、知的な（intelligent）ユニットは、作業（working）ステーションに局所的に配置されている。知的なユニットは、センサからの信号を得ること及び低いバンド必要条件を備えた品質信号を得るために構成されている。それらの信号は、プロセスをモニタリングするプロセッサーに無線モードで送られ、例えば不合格品（reject）の管理手順を実行する。

図３は、本考案に係る工業プロセスをモニターするためのシステムのブロック図を示す。ブロック図において、参照符号17はセンサを示している。センサは、処理ステーション20において、例えば、CO₂レーザの合焦ヘッドの内側に配置されるか、レーザがネオジム-YAGタイプのものである場合に空洞の内側に配置される。したがって、このように、前記センサ17は処理ステーション20の近くに配置され、レーザ溶接プロセスから来る放射線Sを得て、アナログ電圧信号R、特に0乃至0.5Vの電圧信号を生成する。

前記アナログ電圧信号Rは、FPGA(フィールド・プログラマブル・ロジック・アレイ)モジュール33によって実行されて、取得及び処理のモジュール32に転送される。取得及び処理のモジュール32は、データを収集して処理するためのソフトウェアを含んでいる。

センサ17と取得モジュール32との関係が、同軸ケーブル40によって発生する。

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の取得を管理するようにプログラムされて、データを処理し、かつ、隣接した作業（working）ステーション20にある進行中のプロセスの品質に関係する情報を含んでいる出力品質信号Qを生成する。前記処理は、先にモジュール32へダウンロードしたソフトウェアによって起こる。溶接プロセスの品質を決定するための処理手順の例（本願で提案したシステムに実行することができる）は、出願人に出されたヨーロッパ特許公報EP 1361015、EP 1275464及びEP 1371443から非限定的な例として推測される。

このように、前記品質信号Qは、一般に、限られた（limited）数の値を持った信号である。例えば、品質信号Qは、二つのロジック（logic）値、ロジック0及びロジック1だけを取り、溶接が「良好である」か「良くない」かをそれぞれ示す。

取得モジュール32は、FPGA回路 Xilinx Virtex IIを備える、HERON-IO5Vモジュールによって例えば実行することができる。それは、450MHzの入力周波数、及び200MHzの出力周波数で作動する。

そして、出力信号Qは、取得モジュール32に含まれたRS232タイプの通信ポート41を通して無線（radio transmission）ユニット42に伝えられる。それは、ブルートゥース・プロトコルを使用し、特に2.4GHzのブルートゥース発信機を使用する。

取得モジュール32及び無線（radio transmission）ユニット42は、一つのハウジングに含まれて、知的な（intelligent）基本の（elementary）ユニット30を構築する。知的な基本の（elementary）ユニット30は、処理ステーション20に局所的に配置され、同軸ケーブル40によって表わされる局所的な接続を通じてセンサ17に電気的に接続される。他のバージョンでは、センサ17は知的な基本の（elementary）ユニット30に一体化することもできる。

その後、無線（radio transmission）ユニット42によって送出された出力信号Qは、対応する電波受信（radio receiving）ユニット43によって遠隔のステーション50で受信され、つまり、例えばブルートゥース・タイプの無線信号（radio signal）で作動する。

RS232プロトコルによって動作するさらなる接続43によって、出力信号Qはパソコン19に転送される。パソコン19は、工業プロセスのスーパーバイザ（supervisor）の役割をする。

前記のスーパーバイザの（supervising）パソコン19は、不合格品の管理（article reject management）と、出力信号Qに基づいて製造進行に関するデータバンクの生成とを含む実行手順によって、製造フローを管理する特定のタスクを有する。

本考案に係るシステムは、センサを備えた知的なモジュールを提供する。それは、処理ステーションからプロセス品質に関するデータの取得、処理及び送信を行う基本のユニットを示している。処理ステーションでは、プロセス品質がモニターされて製造フローが管理される遠隔のステーションに工業プロセスが実施される。

好ましくは、本考案に係るシステムでは、品質信号だけが、チャネル上の高いバンドを必要とし、チャネル上の妨害により高いエラー確率を生じさせるセンサによって検出されたすべてのデータの遠隔処理のために送信の必要が無く、無線モードでチャネルに送信される。さらに、品質信号はあまり複雑ではなく、したがって、本質的に、妨害によってもたらされたエラーに対して強い。処理ステーションから遠隔の処理ステーションへの無線モードでのチャネル送信のさらなる利点は、もし遮られれば、品質信号だけに関する送信されたデータが、そういうものとして意味がないことである。それはセンサによって検出されたデータの場合でない。したがって、本考案に係るシステムは、より優れたセキュリティ・プロファイルを実行する。

本考案に係るシステムは、知的なネットワークを構築することを可能にする。知的なネットワークは、遠隔に配置されたスーパーバイザの（supervising）プロセッサーと相互作用する所定数の知的な基本のユニットからできている。単一のプロセスが対応する知的な基本のユニットによって管理されるので、異なった特性（nature）のものが必要であるならば、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。

無線通信を用いて、センサとパソコンに搭載された取得カードとの間にある接続ケーブルを除去することによって、本考案に係るシステムは、基本のマルチセンサ・モニタリング・ユニットを実行することを可能にする。複数の信号用ケーブルが必要であるので、前記のマルチセンサ・ユニットは、ケーブルによって実行するのが困難であることがはっきりとしている。

反対に、FPGAモニタリング及び取得モジュールは、好ましくは、所定数の入力チャネルを備えている。つまり、多くのセンサが多くのFPGAモジュールを必要としない。いったんプログラムされると、FPGAモジュールが外部電源供給だけを必要とする独立型のモジュールであることに注目するべきである。

接続ケーブルを除去したおかげで、前記ケーブルが処理ステーションを通過して（get through）、本考案に係るシステムは、管理コンピューターへの接続ケーブルの長さに起因したノイズの問題を除去して、ハイ・インピーダンス・ケーブルは低ノイズのために用いられるべきでないので、明白なコスト削減を得る。

モニタリング及び取得のモジュールのサイズが小さいおかげで、本考案に係るシステムは、既存の、つまり、既に故意に準備されていない処理ステーションにおいて、非常に簡単な導入するものである。

明確に、本考案の根本概念は同じままであるが、構造の細部及び実施態様は、本考案の枠組み（framework）を残さずに、単なる実施例として記載し示したものについて幅広く変更することができる。

無線送信モジュールに関する限り、もし送信プロトコルが所望の距離に、及び必要とされたバンド仕様（specification）で品質信号を送信することができるのであれば、市場で入手可能で意図的に生成されたブルートゥース標準規格と異なるラジオ周波数の送信プロトコル及び方法を実施することができる。これに関して、品質信号がその送信用に非常に狭いバンド幅を必要とするので、本考案に係るシステムにおいて、例えば限定的なバンドを持った非常に単純な発信機の使用、又は例えば、市場で入手可能な、広いバンドを持った発信機の使用、及び、エラー修正技術の実行のための品質信号送信、パリティコードの送信、又は冗長さ（redundancy）を持った信号の送信に関係していない（not involved）バンドの使用のような、様々な選択がなされることは指摘されるべきである。

１７ センサ
１９ パソコン
２０ 作業（working）ステーション
３２ 取得モジュール
３３ FPGA(フィールド・プログラマブル・ロジック・アレイ)モジュール
４０ 同軸ケーブル
４１ 通信ポート
４２ 無線（radio transmission）ユニット
５０ ステーション
Ｑ 出力信号（情報）

Claims (11)

1. 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ためのセンサ手段と、
   プロセス品質に関する情報を取得するために前記センサ手段によって生成されたプロセス量を示す信号に基づいて作動する取得・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管理手段と、を備え、
   前記取得・処理手段が前記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、
   前記製造フローを管理するための前記管理手段は、前記取得・処理手段に関して遠隔に配置され、前記取得・処理手段と前記管理手段との間でプロセス品質に関する前記情報を交換するための無線通信手段が設けられていることを特徴とする、工業プロセスをモニターするためのシステム。
2. 前記無線通信手段が、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. 前記無線通信手段が、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・処理手段は、センサ手段によって生成された信号を取得するための取得手段と、プロセス品質に関する前記情報を得るための処理手段と、を備えることを特徴とする、請求項２又は３のいずれかに記載のシステム。
5. 前記取得・処理手段が、FPGAモジュールによって実行されることを特徴とする請求項４記載のシステム。
6. 前記無線通信手段に含まれた前記ラジオ周波数で作動する無線通信手段は、前記取得・処理手段と連関して、知的なユニットが、前記少なくとも一つの処理ステーションにおいて局所的に配置されていることを特徴とする、請求項４又は５のいずれかに記載のシステム。
7. 前記の知的なユニットが、それに一体化された前記センサ手段を含んでいることを特徴とする、請求項６記載のシステム。
8. 対応する処理ステーションに局所的に配置される複数の知的なユニットがあり、
   前記管理手段は、前記の複数の知的なユニットによって送信されたプロセス品質に関する前記情報に基づいて前記処理ステーション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又は７のいずれかに記載のシステム。
9. 前記管理手段は、不合格品の管理と、プロセス品質に関する前記情報に基づいて製造の進行についてのデータバンクの生成と、を含む手順を実施するように構成されてい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. 前記処理ステーションが、レーザ溶接プロセスを行なうことを特徴とする、請求項１乃至９のいずれか一つに記載のシステム。
11. 前記取得・処理手段は、プロセス品質に関する前記情報を示すために、前記センサ手段によって生成されたプロセス品質に関する前記情報を示す信号に基づいて得られる「良い」品質又は「良くない」品質を示す２値だけを取る信号を生成するように構成されていて、前記２値が「ロジック０」及び「ロジック１」であ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。

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