KR102598654B1 - 실시간 전압 모니터링을 사용한 플라즈마 건 진단 - Google Patents

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데이브 홀리
삼라윗 헤르모실로
호세 콜메나레스
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오를리콘 메트코 (유에스) 아이엔씨.
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Abstract

적절한 건 작동을 결정할 수 있고, 제대로 작동하지 않으면 끔찍한 작동의 잠재적인 원인을 진단할 수 있는, 건의 성능을 모니터링 및 진단하기 위한 방법 및 장치가 도출된다. 건에 의해 생성된 전압은 실시간으로 샘플링될 수 있으며, 생성된 주파수 스펙트럼은 FFT(Fast Fourier Transform)를 사용하여 분석된 다음 FFT 패턴을 일련의 숫자 값 또는 올바른 작동과 비정상 작동 모두에 대해 알려진 사인과 비교될 수 있는 사인으로 감소할 수 있다. 가장 적합한 기술을 사용하면, 비정상 동작의 원인이 식별될 수 있다. 이 방법은 또한 하드웨어 수명의 종료를 예측하고, 마모 및 사용에 대한 사전 통지를 제공함으로써 생산 일정 및 예비 부분 획득을 지원하는데 사용될 수 있다.

Description

실시간 전압 모니터링을 사용한 플라즈마 건 진단
본 출원은 2017년 5월 25일자로 출원된 미국 가출원인 제 62/510,999호의 35조 U.S.C 119(e)에 따른 우선권을 주장하며, 이는 원용에 의해 본원에 그 전체로서 포함된다.
본 발명의 실시예는 플라즈마 건의 부적절한 작동 및/또는 플라즈마 건의 손상을 방지하기 위해 플라즈마 건 행동을 모니터링하는 방법에 관한 것이다. 특히, 이러한 방법은 조작자에게 곧 닥칠 부적절한 스프레이 및/또는 곧 닥칠 건의 고장을 알리기 위해 사용될 수 있다.
열 스프레이 플라즈마 건은 전극(캐노드)과 노즐(애노드)을 사용하여 가스를 통과시켜 이온화하여 플라즈마 기둥(plume)을 생산하는 플라즈마 아크를 생성한다. 분말을 기둥에 주입하여 입자를 가열하고 기판 상에 가속시켜 코팅을 형성한다. 건은 구성을 녹지 않도록 방지하도록 물 냉각된다. 시간이 지남에 따라, 캐소드와 애노드는 극한 조건에서 마모되며, 건 하드웨어 교체가 필요할 때까지 플라즈마 건의 성능이 저하된다. 또한, 이하와 같은 이유로 건 작동에 문제가 발생할 수 있다:
1. 건이 잘못 조립될 수 있어서, 누수가 발생하는 위치에 따라 플라즈마 아크 또는 기둥에 영향을 미치는 누수를 야기할 수 있다.
2. 건은 잘못된 노즐 및/또는 전극과 조립될 수 있어서, 잘못된 기둥 에너지를 야기할 수 있다.
3. 건의 구성품 또는 부분에 결함이 있을 수 있다. 종종, 이러한 결함은 건 조립 시 명확하게 보이지 않는다.
4. 플라즈마 건에 사용된 가스가 오염되었거나, 및/또는 잘못된 가스일 수 있다.
5. 플라즈마 건으로의 가스 흐름을 조절하는데 사용되는 장비가 보정을 벗어나거나 오작동한다.
6. 수동으로 작동되는 장비의 경우, 잘못된 가스 흐름 또는 작동 파라미터가 설정될 수 있다.
건 하드웨어 마모를 포함한 이러한 조건은 사양을 벗어난 코팅의 결과를 야기할 가능성이 있는데, 예를 들어, 다공성, 경도, 또는 코팅 두께와 같은 원하는 특성이 잘못될 수 있다. 이는 코팅 공정의 완료 이후까지 검출되지 않기 때문에, 파생한 결과(ramifications)가 상당히 비쌀 수 있다. 최소한의 코팅을 벗겨내고 다시 적용되어야 한다. 최악의 경우에는, $100,000를 초과하는 값을 가질 수 있는 부분은 완전히 폐기해야 한다.
역사적으로, 작업자의 건 하드웨어 교체 시기를 알거나 학습하였고, 또는 건 전압, 기둥 안정성, 및/또는 건에서 발생하는 소리의 변화를 듣는 것에 기초하여 잘못된 것을 인식하도록 훈련받았다. 이러한 기술은 건, 작업자, 및 작동 파라미터에 따라 다르다. 보다 자동화된 장비의 도입으로 작업자는 이제 공정으로부터 멀어지므로 건 작동의 감각을 잃게 된다.
공정을 모니터링하기 위한 이전의 개발은 광학 감지를 통해 플라즈마 기둥 및 분말 주입을 이미징하여 기둥 강도 및 분말 에너지(동역학 및 열)가 예상 범위 내에 있는지 확인하는 것을 포함했다. 이는 건이 시작된 후 스프레이 전에 기둥이 이미지화될 수 있는 고정된 위치로 플라즈마 건을 이동함으로써만 가능하다. 이 방법은 건 작동과 연관된 많은 잠재적인 문제를 검출할 수 있지만 두가지 주요 단점이 있다:
1. 기둥은 스프레이 전에만 관찰되므로, 본 방법은 스프레이하는 동안 자체에는 건을 모니터링할 수 없다. 따라서, 긴 스프레이 실행, 방법은 제한적이다.
2. 본 방법은 전체적인 코팅 공정에 시간을 더해서 귀중한 분말 재료를 낭비하는데, 그 비용은 파운드 당 수백 달러를 초과할 수 있다.
결과적으로, 광학 이미징 방법은 시간과 비용의 추가 비용이 정당화될 수 있는 매우 비싼 스프레이 공정 및 부분에만 사용된다.
최근의 발전은, 그 전체로서 원용에 의해 본원에 포함된 미국 특허 공개공보 제2016/0356747호를 참조하면, 하드웨어가 교체를 요구하는 시점까지 마모된 경우를 결정하도록 하기 위하여, 플라즈마 건 행동을 측정하기 위해 사운드 측정의 사용을 통합하였다. 이러한 개념은 작업자의 능력과, 건이 만드는 소리에 의해 하드웨어와 건이 제대로 적절하게 작동하는지 말할 수 있는 열 스프레이 플라즈마 건을 작동한 경험이 있는 작업자를 기반으로 한다. 구현은 공정 제어에 사운드 감지 기술과 음향 처리를 추가하는 것을 요구한다. 본 방법은 실제 스프레이 중에 건을 현장에서 모니터링할 수 있는 문제를 해결하지만, 이하와 같은 제한이 있다:
1. 사운드 미터는 먼지가 많은 스프레이 환경에 적합하지 않으며, 수명이 짧아서 지속적으로 모니터링하고 청소를 요구한다.
2. 건으로부터 나오는 사운드가 부스와 상호 작용하여 건이 움직이는 동안 사운드에 영향을 미치는 반향을 야기한다.
3. 각 부스마다 고유한 사운드 사인이 있으므로, 부스 또는 위치 간에 사운드 사인이 공유되지 않도록 각 부스를 각각의 건 파라미터로 개별적으로 교정되어야 한다. 동일한 건, 건 하드웨어, 및 스프레이 파라미터로 작동하여 스프레이 부스를 수십개나 가지는 것은 드문 일이 아니다.
당업계에서 요구되는 것은, 시스템에 복잡성을 추가하지 않으면서 건의 행동을 측정하는, 예컨대 스프레이 동안 건의 행동을 측정하는, 보다 직접적인 방식이다. 이상적으로, 이 방법은 건을 작동하는데 사용되는 스프레이 부스 또는 시스템과 독립적이어야 한다.
플라즈마 제어기는 플라즈마 건 또는 건에 근접한 정션 박스(junction box)에서 건 전압을 측정하는 방법을 제공한다. 이러한 전압 측정값은 1초에 1~2회만 기록되고 표시되므로, 신호를 쉽게 읽을 수 있는 느린 응답이 나타난다. 이는 건 전압을 결정하는 기초가 될 수 있으며, 실제 건 전압 진동 및 불안정성의 실시간 역학을 반영하지 않는다.
실시예에서, 적절한 건 작동을 결정할 수 있고, 제대로 작동하지 않으면 끔찍한 작동의 잠재적인 원인을 진단할 수 있는, 건의 성능을 모니터링 및 진단하기 위한 방법 및 장치가 도출된다. 건에 의해 생성된 전압은 실시간으로 샘플링될 수 있으며, 생성된 주파수 스펙트럼은 FFT(Fast Fourier Transform)와 같은 주파수 분석을 사용하여 분석된 다음 FFT 패턴을 일련의 숫자 값 또는 올바른 작동과 비정상 작동 모두에 대해 알려진 사인과 비교될 수 있는 사인으로 감소할 수 있다. 가장 적합한 기술을 사용하면, 비정상 동작의 원인이 식별될 수 있다. 이 방법은 또한 하드웨어 수명의 종료를 예측하고, 마모 및 사용에 대한 사전 통지를 제공함으로써 생산 일정 및 예비 부분 획득을 지원하는데 사용될 수 있다.
PLC 및 산업용 PC를 포함한 최신 제어 시스템은 신호의 주파수 분석을 허용하도록 아날로그 입력 신호를 충분히 높은 속도로 읽을 수 있다. 그렇게 함으로써, 실제 전압 특성과 동작이 측정되고 결정된다.
이어서, 건 패컨이 정의되고 분석되어서 건의 상태를 결정할 수 있도록 더 높은 샘플링 레이트에서 건 전압을 모니터링할 수 있다.
본 발명의 실시예는 공정 제어기를 갖는 플라즈마 건의 동작을 모니터링하는 방법에 관한 것이다. 본 방법은 플라즈마 건의 건 전압(gun voltage)을 샘플링하는 단계; 샘플링된 건 전압을 분석하는 단계; 진폭 피크를 식별하는 단계; 식별된 진폭 피크를 나타내는 패턴을 생성하는 단계; 및 생성된 패턴을 저장된 알려진 패턴들과 비교하는 단계를 포함한다. 비교하는 단계에 의해 상기 플라즈마 건의 동작이 비정상이라고 지시되는 경우, 수정 조치가 수행된다.
실시예들에 따르면, 샘플링하는 단계, 분석하는 단계, 식별하는 단계, 생성하는 단계, 및 저장하는 단계는 공정 제어기와 별개로 수행될 수 있다. 대안적으로, 샘플링하는 단계, 분석하는 단계, 식별하는 단계, 생성하는 단계 및 저장하는 단계는 공정 제어기에서 수행될 수 있다.
다른 실시예들에 따르면, 공정 제어기는 수정 조치를 수행할 수 있다.
다른 실시예들에서, 저장된 알려진 패턴들은 적어도 알려진 정상 작동 패턴 세트 및 알려진 비정상 작동 패턴 세트를 포함할 수 있다. 또한, 데이터 레코더는 생성된 패턴을 알려진 정상 작동 패턴의 세트의 알려진 정상 작동 패턴과 비교할 수 있다. 생성된 패턴이 알려진 정상 작동 패턴에 대응하는 경우, 플라즈마 건의 동작이 정상으로 지시될 수 있고, 본 방법이 반복될 수 있다. 또한, 생성된 패턴이 알려진 정상 작동 패턴 세트의 알려진 정상 작동 패턴들 중 어느 것에도 대응하지 않는 경우, 데이터 레코더는 생성된 패턴을 알려진 비정상 작동 패턴 세트의 알려진 비정상 작동 패턴들과 비교할 수 있다. 생성된 패턴이 알려진 비정상 작동 패턴에 대응하는 경우, 플라즈마 건의 동작이 비정상으로 지시될 수 있으며, 수정 조치가 공정 제어기로 전송된다. 또한, 저장된 알려진 비정상 작동 패턴 각각은, 비정상 작동의 알려진 원인 및 정상 작동으로 복귀하기 위한 수정 조치와 연관될 수 있기 때문에, 본 방법은 또한 생성된 패턴이 알려진 비정상 작동 패턴에 대응하는 경우, 데이터 레코더는 플라즈마 건의 동작을 정상 작동으로 복귀시키기 위해 수정 조치를 공정 제어기에 제공할 수 있다.
또 다른 실시예에 따르면, 본 방법은 플라즈마 건을 사용하기 전, 플라즈마 건을 사용하는 동안, 및 플라즈마 건을 사용한 후 중 적어도 하나에서 수행될 수 있다.
다른 실시예에 따르면, 식별된 진폭 피크를 나타내는 패턴을 생성하는 단계는, 식별된 진폭 피크의 총 면적을 결정하는 단계, 최대 진폭에서 식별된 피크의 주파수 및 진폭을 결정하는 단계, 식별된 피크의 총 면적의 50%에서 식별된 피크의 주파수 및 진폭을 결정하는 단계, 식별된 피크의 총 면적의 10%에서 식별된 피크의 주파수 및 진폭을 결정하는 단계, 및 피크의 총 면적의 90%에서 식별된 피크의 주파수 및 진폭을 결정하는 단계를 포함한다.
다른 실시예에서, 건 전압을 샘플링하는 단계는 실시간으로 수행될 수 있다.
또 다른 실시예에서, 전압을 분석하는 단계는 샘플링된 건 전압에 대해 고속 푸리에 변환을 수행하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예는 플라즈마 건의 동작을 모니터링하기 위한 장치에 관한 것이다. 본 장치는 플라즈마 건의 작동 파라미터를 제어하도록 구성되고 배열된 공정 제어기; 플라즈마 건의 건 전압을 샘플링하도록 구성되고 배열된 전압 센서; 샘플링된 건 전압을 분석하고, 진폭 피크를 식별하고, 식별된 진폭 피크를 나타내는 패턴을 생성하도록 구성된 데이터 프로세서; 알려진 건 작동 패턴을 저장하도록 구성된 메모리; 및 생성된 패턴을 저장된 알려진 건 작동 패턴과 비교하도록 구성된 비교기를 포함한다. 비교에 의해 플라즈마 건의 동작이 비정상이라고 지시되면, 상기 공정 제어기는 수정 조치를 수행하도록 지시된다.
실시예에 따르면, 저장된 알려진 건 작동 패턴들은 적어도 알려진 정상 작동 패턴 세트 및 알려진 비정상 작동 패턴 세트를 포함할 수 있다. 또한, 데이터 프로세서는 생성된 패턴을 알려진 정상 작동 패턴 세트의 알려진 정상 작동 패턴들과 비교하도록 구성될 수 있어서, 생성된 패턴이 알려진 정상 작동 패턴에 대응하는 경우, 플라즈마 건의 동작은 정상으로 지시될 수 있다. 더 나아가, 생성된 패턴이 알려진 정상 작동 패턴 세트의 알려진 정상 작동 패턴들 중 어느 것에도 대응하지 않는 경우, 데이터 프로세서는 생성된 패턴을 알려진 비정상 작동 패턴 세트의 알려진 비정상 작동 패턴들과 비교하도록 구성될 수 있어서, 생성된 패턴이 알려진 비정상 작동 패턴에 대응하는 경우, 플라즈마 건의 동작이 비정상으로 지시될 수 있고 수정 조치가 공정 제어기에 전송될 수 있다. 또한, 저장된 알려진 비정상 작동 패턴 각각은, 비정상 작동의 알려진 원인 및 정상 작동으로 복귀하기 위한 수정 조치와 연관되어서, 생성된 패턴이 알려진 비정상 작동 패턴에 대응하는 경우, 데이터 프로세서는 플라즈마 건의 동작을 정상 작동으로 복귀시키기 위해 수정 조치를 공정 제어기에 제공할 수 있다.
다른 실시예들에 따르면, 장치는 플라즈마 건을 사용하기 전, 플라즈마 건을 사용하는 동안, 및 플라즈마 건을 사용한 후 중 적어도 하나에서 플라즈마 건 동작을 모니터링하도록 구성될 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 데이터 프로세서는 샘플링된 건 전압을 분석하기 위한 프로그램을 실행하도록 구성되거나; 및 샘플링된 건 전압을 분석하기 위해 디지털 신호 프로세서의 펌웨어를 실행하도록 구성되는 것 중 적어도 하나일 수 있다. 더 나아가, 식별된 진폭 피크를 나타내는 패턴은 식별된 진폭 피크의 총 면적을 결정하는 단계, 최대 진폭에서 식별된 피크의 주파수 및 진폭을 결정하는 단계, 식별된 피크의 총 면적의 50%에서 식별된 피크의 주파수 및 진폭을 결정하는 단계, 식별된 피크의 총 면적의 10%에서 식별된 피크의 주파수 및 진폭을 결정하는 단계, 및 피크의 총 면적의 90%에서 식별된 피크의 주파수 및 진폭을 결정하는 단계에 의해 생성될 수 있다.
본 발명의 다른 예시적인 실시예 및 장점은 본 발명 및 첨부 도면을 검토함으로써 확인될 수 있다.
본 발명은, 본 발명의 예시적인 실시예의 비 제한적인 예시에 의해 언급된 복수의 도면을 참조하여 이하의 상세한 설명에서 추가로 기술되며, 유사한 참조 번호는 여러 도면에 걸쳐 유사한 부분을 나타낸다.
도 1은 새로운 건 하드웨어로 초당 1회 촬영된 F4 건의 전압 트레이스를 도시한다.
도 2는 사용된 하드웨어로 초당 1회 촬영된 F4 건의 전압 트레이스를 도시한다.
도 3은 4,613 Hz에서 및 ~50,000 Hz에서 2개의 1차 진동을 도시하는 F4 플라즈마 건의 전압 트레이스를 도시한다.
도 4는 ~2500 Hz 및 ~25,000 Hz에서 2개의 1차 진동을 도시하는 Triplex 프로 210 플라즈마 건의 전압 트레이스를 도시한다.
도 5는 전압 데이터를 획득하기 위한 하드웨어 셋업을 도시한다.
도 6은 전압 데이터를 획득하고 분석하기 위한 예시적인 방법의 흐름도를 도시한다.
도 7은 FFT 트레이스의 주파수 진폭 피크를 피크의 크기 및 형상을 정의하는 일련의 값으로 감소시키는 것을 도시하는 도면을 도시한다.
본 명세서에 도시된 세부 사항은 단지 예시로서 그리고 본 발명의 실시예에 대한 예시적인 논의를 목적으로 하며, 본 발명의 원리 및 개념적인 측면에 대한 가장 유용하고 쉽게 이해되는 것이라고 여겨지는 설명을 제공하는 원인으로 제시된다. 이와 관련하여, 본 발명의 기본적인 이해를 위해 필요한 것보다 더 상세하게 본 발명의 구조적인 세부 사항을 도시하려는 시도는 하지 않았으며, 실제로 구현될 수 있는 본 방법의 여러 형태를 통상의 기술자에게 명백하게 하는 도면과 함께 설명이 기술된다.
낮은 샘플링 속도에서도, 건 하드웨어 마모로 인한 전압 변화를 쉽게 인식할 수 있다. 예를 들어, 도 1은 새로 설치된 전극(캐소드)과 노즐(애노드)로 1시간의 작동 후 Oerlikon Metco F4MB-XL 플라즈마 건의 건 전압을 도시한다. 도 2는 17시간 작동 후 동일한 건과 하드웨어를 도시하며, 이로 인해 하드웨어 수명이 거의 다 되었다. 낮은 샘플링 속도에서도, 전압 동작은 확실히 다르다는 것이 분명하다.
각 플라즈마 건과 하드웨어 세트(노즐 및 전극)는 다양한 진동으로 생성된 주파수 측면에서 뚜렷한 전압 동작을 갖는다. 이러한 진동은 최고에서 최저 주파수로 배열된 다음과 같은 물리적 조건으로부터 파생된다:
1. 현재까지 측정된 17,000 내지 60,000 헤르츠의 주파수 범위의 건 내부의 자연 음향.
2. 건의 종류, 건 하드웨어, 및 작동 파라미터에 따라 1,500 내지 8,500 헤르츠 범위의 건 보어 내부의 플라즈마 아크의 진동(oscillation).
3. 유입하는 3-상 전기 주파수에 따라 300에서 360 헤르츠로 스위칭하는, 전원 실리콘 제어된 정류기(silicon controlled rectifiers, SCR)로부터 유도된 전원 리플.
4. 노즐 보어 내부에서 발전되고 시간에 따라 변화하며 0.5 헤르츠에서 높게는 수백 헤르츠까지 변할 수 있는 표면 불연속에 의해 생성된 진동. 이러한 저주파 진동은 도 1과 도 2에 묘사된 것처럼 종래의 플라즈마 제어기의 전형적인 전압 픽업(pickups)에서 쉽게 볼 수 있다.
도 3은 전형적인 아르곤/수소 파라미터로 작동하는 표준 전극과 6mm 노즐을 가지는 F4 플라즈마 건 전압의 오실로스코프 트레이스의 예시를 도시한다. 2개의 주요 주파수는 명백하다: 가장 높은 주파수와 더 작은 진폭 진동은 약 50,000 헤르츠이고, 두번째로 낮은 주파수와 더 큰 진폭 진동은 4,613 헤르츠에서 측정된다. 이러한 진동은 보어 내부의 음향 조건과 플라즈마 아크 모션에 대응한다.
도 4는 전형적인 아르곤/헬륨 파라미터와 함께 작동하는 9mm 노즐을 갖는 Oerlikon Metco Triplex 프로 210 플라즈마 건 전압의 오실로스코프 트레이스의 예시를 도시한다. 다시, 2개의 주요 주파수는 명백하다: 가장 높은 주파수와 더 작은 진폭 진동은 약 25,000 헤르츠이고, 두번째로 낮은 주파수와 더 큰 진폭 진동은 약 2,500 헤르츠이다. 또 다시, 이러한 진동은 보어 내부의 음향 조건과 플라즈마 아크 모션에 대응한다.
도 3 및 도 4에 도시된 예시는 다양한 진동에 대한 주파수의 범위가 어떻게 광범위하게 변할 수 있고, 각각의 건, 각각의 하드웨어 세트, 및 심지어 사용된 가스에 고유하게 준비된 식별을 가능하게 한다. 이는 마모되거나 이전에 정의된 건 작동 성능 문제의 다른 원인과 같은 조건 변경에 대해서도 동일하게 적용된다.
실시간으로 플라즈마 건 전압 모니터링을 구현하기 위해, 초당 적어도 1개의 디지털화된 샘플, 바람직하게는 초당 10,000개의 샘플, 더욱 바람직하게는 초당 100,000개의 샘플을 제공할 수 있는 아날로그 입력을 가지는 플라즈마 제어기 또는 별도의 모니터링 디바이스를 필요로 한다. 초당 단일 샘플은 건 마모만을 검출하는 기능을 제한할 것이고, 그 동안 초당 10,000개의 샘플은 플라즈마 아크 모션과 관련된 추가 진단을 가능하게 하며, 초당 100,000개의 샘플은 가스 및 가스 흐름과 같은 건 음향에 영향을 미치는 조건을 포함하는 전체 범위의 진단을 가능하게 할 것이다.
도 5는 플라즈마 공정 제어기(107)와 통신하는 별도의 모니터링 디바이스를 사용하는 전압 데이터 획득 셋업(voltage data acquisition setup)(100)의 일 예시를 도시한다. 전압을 획득하고 샘플 스트림으로 디지털화하며 데이터 레코딩 디바이스에 기록하기 위해 보조 전압 픽업(auxiliary voltage pickup)은 잼박스(jambox)에서 사용된다. 전력은 잼박스(103)를 통해 전원(101)으로부터 플라즈마 건(102)으로 공급되며, 이는 전력 및 물이 건에 결합되고 모니터링되는 지점으로 기능한다. 도시된 예시에서, 전기적 라인(50 및 60) 사이의 전압은 보조 전압 픽업(14), 예를 들어, 분압기에 의해 획득되고/판독되며, 그 후, A/D 컨버터(105)에서 디지털화되어 건에 의해 생성된 전압이 분석을 위해 실시간으로 샘플 스트림으로 샘플링되며, 데이터 레코더(106)에 기록된다. 전압 픽업(14)은 또한 본 발명의 실시예의 사상 및 범위를 벗어나지 않으면서 전원, 바람직하게는 잼박스에 위치되는, 더욱 바람직하게는 건에 위치될 수도 있다는 것을 이해해야 한다. 샘플링된 전압의 주파수 스펙트럼은 고속 푸리에 변환(Fast Fourier Transform, FFT)와 같은 주파수 분석을 사용하여 분석된 다음 FFT 패턴을 일련의 숫자 값 또는 올바른 작동과 비정상 작동 모두에 대해 알려진 사인과 비교될 수 있는 사인으로 감소할 수 있다. 사용자 분석 소프트웨어는 전술한 일련의 수치 또는 사인을 달성하기 위해 통상의 기술자에 의해 설계되고 구현될 수 있지만, National Instruments® 또는 MATLAB®으로부터의 LABVIEW와 같은 신호 분석을 수행하기 위한 기존의 분석 데이터 어플리케이션은 본 발명의 실시예에 따른 패턴을 생성하는데 채용될 수 있다는 것이 이해된다. 대안적으로, 분석 작업을 수행하기 위해 소프트웨어 어플리케이션을 사용하는 대신에, 전용 디지털 신호 프로세서(DSP) 펌웨어가 본 발명의 실시예의 사상 및 범위를 벗어나지 않으면서 프로세싱 칩에 제공될 수 있다는 것 또한 이해된다.
알려진 사인은, 예를 들어, 데이터 레코더(106)에 의한 검색을 위해 데이터 스토리지(18)에 저장될 수 있다. 데이터 스토리지(18)는, 예를 들어, 웹 기반 서버(클라우드) 또는 현장 서버와 같은 중앙 집중식 스토리지에 유지되어 각 로컬 시스템에 구현될 수 있다. 또한, 로컬 시스템에 존재하는 패턴의 데이터 베이스는 본 발명의 실시예의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 중앙 소스(예를 들어, 웹 기반 서버/클라우드)로부터 업데이트될 수 있음을 이해해야 한다.
가장 적합한 기술을 사용하여, FFT 패턴과 알려진 사인 간의 상관 관계, 예를 들어, 70% 이상의 높은 상관 관계는 적절한 작동 또는 임의의 비정상적인 동작의 원인을 식별할 수 있다. 비정상적인 동작의 식별된 원인에 대한 해결책은 또한 데이터 스토리지(18)에 저장될 수 있고, 비정상적인 동작이 식별되는 경우 데이터 레코더(106)에 의해 검색될 수 있다. 데이터 레코더(106)는 또한 플라즈마 건 공정을 제어하기 위해 전원(101) 및 잼박스(103)를 제어하는 플라즈마 공정 제어기(107)에 연결될 수 있다. 플라즈마 공정 제어기(107)는 본 발명의 실시예들의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 데이터 레코더(106) 내에 통합될 수 있음을 이해해야 한다. 따라서, 식별된 비정상 동작에 대한 해결책이 데이터 레코더(106)에 의해 검색되는 경우, 이러한 해결책은 플라즈마 건 동작을 정상으로 복귀시키기 위한 해결책을 구현하기 위해 공정 제어기(107)로 전달될 수 있다. 또한, 전압 데이터 획득 및 분석은 예시적인 도 5에 도시된 바와 같이 별도의 디바이스로 수행될 수 있지만, 본 발명의 실시예의 사상 및 범위를 벗어나지 않으면서, 이러한 공정은 또한 공정 제어기에 직접 또는 심지어 모션 제어 시스템, 예를 들면, 로봇에 통합될 수 있음을 이해해야 한다.
도 6은 데이터를 획득하고 처리하기 위한 예시적인 방법의 흐름도를 도시한다. 예시적인 방법에서, 건 전압 데이터는 201에서 실시간으로 기록된다. 이러한 기록된 건 전압 데이터는, 예를 들어, 잼 박스에서 모니터링되는 아날로그 건 전압을 디지털화함으로써 생성된 샘플 스트림일 수 있다. 또한, 건의 초기 시동 동안, 플라즈마 건의 현장 모니터링을 제공하기 위해 스프레이하는 동안 아날로그 건 전압이 모니터링될 수 있고, 및/또는 건이 스프레이하는 것이 끝난 후에 모니터링될 수 있다. 디지털화된 전압 샘플 스트림은 202에서 데이터 레코딩 디바이스로 공급되며, 여기서 주파수 분석 알고리즘, 예를 들어, 고속 푸리에 변환(FFT)은 주파수/진폭 플롯을 생성하기 위해 수행된다. 203에서, 주요 진폭 피크가 식별되고 피크의 크기 및 형상을 정의하는 일련의 값으로 감소되어, 예컨대 도 7에 도시된 바와 같이 피크를 나타내는 패턴을 생성한다. 주요 진폭 피크는 기술된 진동, 특히 음향 진동 및 플라즈마 아크 진동과 연관된 것들을 포함한다. 바람직하게는, 전압 패턴은 건이 시작된 순간부터 건이 셧다운 될 때까지 연속적으로 모니터링된다. 현장 모니터링의 경우, 데이터 캡쳐 및 감소는 스프레이된 부분이 불량하거나 심지어 건이 손상되기 전에 연속적으로 또는 더 바람직하게는 바람직하지 않는 동작을 캡쳐하기에 충분히 짧은 불연속적인 시간 간격으로 발생할 수 있다. 연속적인 모니터링은 시간이 지남에 따라 이동하는 전압 데이터 스트림을 활용하며 계산 프로세서를 많이 사용하기 때문에, 전용 프로세서, 예를 들어, 디지털 신호 프로세서(digital signal processors, DSP)가 필요하다. 불연속적인 시간 간격이 보다 바람직하며, 3초 내지 5초 범위의 선호 간격으로 짧게는 초당 1회, 길게는 30초 마다 1회까지의 범위일 수 있다. 3-5초 업데이트는 건이나 스프레이된 부분이 심각하게 손상되기 전에 과열 또는 마모로 인한 누수 및 건 분사와 같은 임박한 건 고장을 검출하는 것을 가능하게 한다.
시험 중인 건에 대해 획득된 피크 진폭 및 주파수 패턴은 204에서 건 작동을 위해 데이터 스토리지에 저장된 알려진 패턴과 비교된다. 패턴 매칭의 초기 구현은 먼저 건이 올바르게 작동하는지 결정하기 위해 사용되는 각 건, 하드웨어 세트, 및 파라미터에 대한 정상 작동 전압 패턴을 식별하는 것이다. 허용 가능한/정상 작동 및 비정상 작동을 위한 알려진 패턴은 추후 참조되고 또한 테스트 중인 건으로부터 획득된 패턴과 비교하기 위해 데이터 스토리지(예를 들어, 클라우드 또는 로컬 데이터 베이스)에 로드될 수 있다. "클라우드"와 같은 개방형 플랫폼에 데이터를 로드하면 다른 시스템이 이 정보에 액세스하는 것을 가능하게 하며, 패턴이 로드되고 사용 가능해짐에 따라 전압 패턴 경험을 공유하는 것을 허용한다. 비정상 조건이 검출되고, 이러한 비정상 조건의 전압 패턴이 획득됨에 따라, 추가 구현을 위해 이들이 또한 로드될 수도 있다.
일단 전압 패턴이 획득되면, 205에서 패턴이 파라미터에 대한 정상 패턴을 나타내는지 검증하기 위해 시간에 걸쳐 수집된 데이터 스토리지에 저장된 알려진 허용 가능한 패턴과 비교될 수 있다. 패턴이 알려진 정상 패턴, 예를 들어, 테스트 중인 패턴과 알려진 정상 패턴, 즉, 205에서 Y, 사이의 적어도 70%의 상관 관계에 대응하는 경우, 공정은 테스트된 패턴을 수용 가능한 것으로 간주하고, 206에서, 공정은 201에서 건 전압을 모니터링하는 공정의 시작으로 복귀한다. 패턴이 알려진 정상 패턴, 예를 들어, 205에서 N에 대응하지 않는 경우, 대응하는 알려진 비정상 패턴, 예를 들어, 테스트 중인 패턴과 알려진 비정상 패턴 사이의 적어도 70% 상관 관계인 알려진 비정상 패턴을 찾기 위해, 패턴의 피크 진폭 및 주파수는 207에서 데이터 스토리지에 저장될 수 있는 알려진 비정상 패턴과 비교된다. 알려진 비정상 패턴과 매치되는 것을 발견한 경우, 비정상의 원인을 확인할 수 있을 뿐만 아니라 비정상 작동을 해결하고 극복하기 위한 수정 조치가 208에서 발견될 수 있다. 알려진 비정상 패턴과 연관된 원인 및 그러한 비정상 패턴을 극복하기 위한 수정 조치는 데이터 스토리지에 저장될 수 있다. 209에서, 원인 및 수정 조치는, 만약 데이터 처리가 도 5에 도시된 것처럼 공정 제어기로부터 분리된다면 수정 조치를 구현하기 위해 데이터 처리 시스템으로부터 분리되거나 데이터 처리 시스템 내에 통합될 수 있는 공정 제어기로 중계될 수 있다.
도 7을 참조하면, 검사를 위한 주요 진폭 피크가 도시되어 있다. 피크는 배경 노이즈 이상이기 때문에, 예를 들어, 배경 노이즈의 10% 이상, 바람직하게는 배경 노이즈의 10% 내지 25%이기 때문에, 주요 피크는 신호 대 노이즈 비에 기초하여 정의될 수 있다. 주요 피크의 시작은 평균 또는 추세선 이상의 연속적인 상승으로 지정될 수 있으며, 주요 피크의 끝은 평균 또는 추세선으로의 복귀 또는 그 아래로 지정될 수 있다. 예시적인 도면에 도시된 바와 같이, 주요 피크는 피크의 크기 및 형상을 정의하는 일련의 값으로 감소될 수 있다. 예시로서, 특정 정량화된 값은 기록될 수 있는데, 예를 들어, 평균 또는 추세선 위의 피크의 총 면적; 최대 진폭에서의 주파수 및 진폭; 피크의 총 면적의 50%에서의 주파수 및 진폭; 피크의 총 면적의 10%에서의 주파수 및 진폭; 피크의 총 면적의 90%에서의 주파수 및 진폭이 기록될 수 있다. 이들 값은 전술한 실시예에 따라 알려진 정상 및, 필요하다면 알려진 비정상 조건과 비교하기 위한 피크를 나타내는 패턴을 생성하는데 사용될 수 있다.
데이터 스토리지에 파일되어 있지 않는 새롭거나 고유한 패턴은 패턴의 원인을 식별한 다음 그 패턴 및 정보를 데이터 뱅크에 업로드하여 알려진 패턴의 컬렉션에 추가하는 것을 필요로 한다. 더 많은 패턴이 식별되어 데이터 뱅크에 로드됨에 따라 더 많은 비정상 조건을 진단하고 수정하는 기능이 향상된다.
본 방법의 예시는 정의된 건 및 하드웨어 세트에서 누수가 있는 경우 전압 동작을 나타내는 데이터 뱅크에 로드된 기존의 비정상 패턴을 가질 것이다. 실제 누수에 대응하는 스프레이 이벤트 중에 그 패턴이 검출되는 경우, 패턴이 신속하게 식별될 수 있으며 건이 손상되거나 나쁜 코팅을 생성하기 전에 건이 셧 다운될 수 있다.
본 방법의 다른 예시는 데이터 뱅크에 로드된 2차 가스 흐름의 시프트에 대응하는 외부 전압 패턴을 가질 것이다. 작동 중에, 비정상적인 패턴이 검출되고, 데이터 뱅크와 매치되는 경우에 작업자에게 가능한 시프트를 경고하고, 만약 충분한 패턴 매핑이 존재하는 경우에는 이상을 수정하도록 2차 가스 흐름을 조정하는 것을 추천한다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 방법 및 장치는 임의의 플라즈마 스프레이 시스템 및 재료를 처리하기 위한 장치 또는 우주 환경 및 오존 발생기를 시뮬레이션하기 위한 플라즈마 발생기로서의 것과 같은 임의의 유사한 플라즈마 장치에 적용될 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 방법은 주파수/진폭 피크를 피크의 형상 및 크기를 나타내는 별개의 값으로 감소시키기 위해 상이한 기술을 적용할 수 있음을 이해해야 한다.
전술한 예시는 단지 설명의 목적으로만 제공된 것이며, 본 발명을 한정하는 것으로 해석되어서는 안된다. 본 발명은 예시적인 실시예를 참조하여 기술되었지만, 본원에서 사용된 단어는 한정의 단어가 아니라 설명 및 예시의 단어로 사용된 것이라고 이해된다. 첨부된 청구범위의 범위 내에서, 현재 언급되고 수정된 바와 같이, 본 발명의 범위 및 사상을 벗어나지 않는 범위에서 변경이 일어날 수 있다. 본 발명은 특정 수단, 재료, 및 실시예를 참조하여 본 명세서에서 기술되었지만, 본 발명은 본 명세서에 개시된 특정 사항으로 한정되는 것은 아니며, 오히려, 첨부된 청구 범위의 범위 내에 있는 것과 같이 기능적으로 동등한 모든 구조, 방법, 및 용도로 확장된다.

Claims (20)

  1. 공정 제어기를 갖는 플라즈마 건의 동작을 모니터링하는 방법으로서,
    플라즈마 건의 건 전압(gun voltage)을 샘플링하는 단계;
    샘플링된 건 전압을 분석하는 단계;
    진폭 피크를 식별하는 단계;
    식별된 진폭 피크를 나타내는 패턴을 생성하는 단계;
    알려진 건 작동 패턴들을 저장하는 단계; 및
    생성된 패턴을 저장된 알려진 패턴들과 비교하는 단계를 포함하고,
    상기 비교하는 단계에 의해 상기 플라즈마 건의 동작이 비정상이라고 지시되는 경우, 수정 조치가 수행되는,
    플라즈마 건의 동작을 모니터링하는 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 샘플링하는 단계, 상기 분석하는 단계, 상기 식별하는 단계, 상기 생성하는 단계, 및 저장하는 단계는 상기 공정 제어기와 별개로 수행되는,
    플라즈마 건의 동작을 모니터링하는 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 샘플링하는 단계, 상기 분석하는 단계, 상기 식별하는 단계, 상기 생성하는 단계, 및 저장하는 단계는 상기 공정 제어기에서 수행되는,
    플라즈마 건의 동작을 모니터링하는 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 공정 제어기는 수정 조치를 수행하는,
    플라즈마 건의 동작을 모니터링하는 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 저장된 알려진 패턴들은 적어도 알려진 정상 작동 패턴 세트 및 알려진 비정상 작동 패턴 세트를 포함하는,
    플라즈마 건의 동작을 모니터링하는 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    데이터 레코더는 상기 생성된 패턴을 상기 알려진 정상 작동 패턴 세트의 알려진 정상 작동 패턴들과 비교하고, 상기 생성된 패턴이 알려진 정상 작동 패턴에 대응하는 경우, 상기 플라즈마 건의 동작이 정상으로 지시되며, 상기 플라즈마 건의 동작을 모니터링하는 방법이 반복되는,
    플라즈마 건의 동작을 모니터링하는 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 생성된 패턴이 상기 알려진 정상 작동 패턴 세트의 알려진 정상 작동 패턴들 중 어느 것에도 대응하지 않는 경우, 상기 데이터 레코더는 상기 생성된 패턴을 상기 알려진 비정상 작동 패턴 세트의 알려진 비정상 작동 패턴들과 비교하며,
    상기 생성된 패턴이 알려진 비정상 작동 패턴에 대응하는 경우, 상기 플라즈마 건의 동작이 비정상으로 지시되며 수정 조치가 상기 공정 제어기에 전송되는,
    플라즈마 건의 동작을 모니터링하는 방법.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 저장된 알려진 비정상 작동 패턴 각각은, 비정상 작동의 알려진 원인 및 정상 작동으로 복귀하기 위한 수정 조치와 연관되며,
    상기 플라즈마 건의 동작을 모니터링하는 방법은,
    상기 생성된 패턴이 알려진 비정상 작동 패턴에 대응하는 경우, 상기 데이터 레코더가 플라즈마 건의 동작을 정상 작동으로 복귀시키기 위해 수정 조치를 상기 공정 제어기에 제공하는 단계를 더 포함하는,
    플라즈마 건의 동작을 모니터링하는 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 플라즈마 건의 동작을 모니터링하는 방법이 플라즈마 건을 사용하기 전, 플라즈마 건을 사용하는 동안, 및 플라즈마 건을 사용한 후 중 적어도 하나에서 수행되는,
    플라즈마 건의 동작을 모니터링하는 방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 식별된 진폭 피크를 나타내는 패턴을 생성하는 단계는,
    전압의 식별된 주파수 및 진폭 플롯의 총 면적을 결정하는 단계,
    최대 진폭에서 식별된 피크의 주파수 및 진폭을 결정하는 단계,
    식별된 피크의 총 면적의 50%에서 식별된 피크의 주파수 및 진폭을 결정하는 단계,
    식별된 피크의 총 면적의 10%에서 식별된 피크의 주파수 및 진폭을 결정하는 단계, 및
    식별된 피크의 총 면적의 90%에서 식별된 피크의 주파수 및 진폭을 결정하는 단계를 포함하는,
    플라즈마 건의 동작을 모니터링하는 방법.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 건 전압을 샘플링하는 단계는 실시간으로 수행되는,
    플라즈마 건의 동작을 모니터링하는 방법.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 전압을 분석하는 단계는, 샘플링된 건 전압에 대해 고속 푸리에 변환(fast Fourier transform)을 수행하는 단계를 포함하는,
    플라즈마 건의 동작을 모니터링하는 방법.
  13. 플라즈마 건의 동작을 모니터링하기 위한 장치로서,
    플라즈마 건의 작동 파라미터를 제어하도록 구성되고 배열된 공정 제어기;
    플라즈마 건의 건 전압을 샘플링하도록 구성되고 배열된 전압 센서;
    샘플링된 건 전압을 분석하고, 진폭 피크를 식별하며, 식별된 진폭 피크를 나타내는 패턴을 생성하도록 구성된 데이터 프로세서;
    알려진 건 작동 패턴들을 저장하도록 구성된 메모리; 및
    생성된 패턴을 저장된 알려진 건 작동 패턴들과 비교하도록 구성된 비교기를 포함하고,
    상기 비교에 의해 상기 플라즈마 건의 동작이 비정상이라고 지시되면, 상기 공정 제어기는 수정 조치를 수행하도록 명령되는,
    플라즈마 건의 동작을 모니터링하기 위한 장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 저장된 알려진 건 작동 패턴들은 적어도 알려진 정상 작동 패턴 세트 및 알려진 비정상 작동 패턴 세트를 포함하는,
    플라즈마 건의 동작을 모니터링하기 위한 장치.
  15. 제14항에 있어서,
    데이터 프로세서는 상기 생성된 패턴을 상기 알려진 정상 작동 패턴 세트의 알려진 정상 작동 패턴들과 비교하도록 구성되고,
    상기 생성된 패턴이 알려진 정상 작동 패턴에 대응하는 경우, 상기 플라즈마 건의 동작은 정상으로 지시되는,
    플라즈마 건의 동작을 모니터링하기 위한 장치.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 생성된 패턴이 상기 알려진 정상 작동 패턴 세트의 알려진 정상 작동 패턴들 중 어느 것에도 대응하지 않는 경우, 상기 데이터 프로세서는 상기 생성된 패턴을 상기 알려진 비정상 작동 패턴 세트의 알려진 비정상 작동 패턴들과 비교하도록 구성되고,
    상기 생성된 패턴이 알려진 비정상 작동 패턴에 대응하는 경우, 상기 플라즈마 건의 동작이 비정상으로 지시되며 수정 조치가 상기 공정 제어기에 전송되는,
    플라즈마 건의 동작을 모니터링하기 위한 장치.
  17. 제15항에 있어서,
    저장된 알려진 비정상 작동 패턴 각각은, 비정상 작동의 알려진 원인 및 정상 작동으로 복귀하기 위한 수정 조치와 연관되며,
    상기 생성된 패턴이 알려진 비정상 작동 패턴에 대응하는 경우, 상기 데이터 프로세서는 플라즈마 건의 동작을 정상 작동으로 복귀시키기 위해 수정 조치를 상기 공정 제어기에 제공하는,
    플라즈마 건의 동작을 모니터링하기 위한 장치.
  18. 제13항에 있어서,
    플라즈마 건을 사용하기 전, 플라즈마 건을 사용하는 동안, 및 플라즈마 건을 사용한 후 중 적어도 하나에서 플라즈마 건의 동작을 모니터링하도록 구성되는 것인,
    플라즈마 건의 동작을 모니터링하기 위한 장치.
  19. 제13항에 있어서,
    상기 데이터 프로세서는,
    샘플링된 건 전압을 분석하기 위한 프로그램을 실행하도록 구성되는 것; 및
    샘플링된 건 전압을 분석하기 위해 디지털 신호 프로세서의 펌웨어를 실행하도록 구성되는 것 중 적어도 하나인,
    플라즈마 건의 동작을 모니터링하기 위한 장치.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 식별된 진폭 피크를 나타내는 패턴은,
    전압의 식별된 주파수 및 진폭 플롯의 총 면적을 결정하는 것,
    최대 진폭에서 식별된 피크의 주파수 및 진폭을 결정하는 것,
    식별된 피크의 총 면적의 50%에서 식별된 피크의 주파수 및 진폭을 결정하는 것,
    식별된 피크의 총 면적의 10%에서 식별된 피크의 주파수 및 진폭을 결정하는 것, 및
    식별된 피크의 총 면적의 90%에서 식별된 피크의 주파수 및 진폭을 결정하는 것에 의해 생성되는,
    플라즈마 건의 동작을 모니터링하기 위한 장치.
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