使用实时电压监控的等离子体喷枪诊断的制作方法

相关申请的交叉引用

本申请根据35u.s.c.§119（e）要求于2017年5月25日提交的美国临时专利申请no.62/510,999的权益，其公开内容被通过引用而在其整体上明确地合并于此。

发明背景

1.技术领域

本发明的实施例涉及用于监控等离子体喷枪行为以防止等离子体喷枪的不正确的操作和/或对等离子体喷枪的损坏的方法。特别是，本方法可以用于通知操作员即将发生的不正确的喷射和/或即将发生的喷枪故障。

背景技术：

热喷射等离子体喷枪使用电极（阴极）和喷嘴（阳极）来创建等离子体弧，气体经该等离子体弧通过并且被离子化以产生等离子体羽流。将粉末注入羽流中以加热颗粒并且将颗粒加速到基材上以形成涂层。喷枪是水冷的，以防止组件熔化。随时间的经过，阴极和阳极因极端条件而磨损并且等离子体喷枪的性能劣化，直到需要更换喷枪硬件为止。此外，由于以下原因，可能随着喷枪操作而产生问题：

1.喷枪可能被不正确地组装，造成水泄漏，这取决于在何处发生泄漏而影响等离子体弧或羽流；

2.喷枪可能被组装有错误的喷嘴和/或电极，造成不正确的羽流能量；

3.喷枪中的组件或部件可能有缺陷。通常，这些缺陷在组装喷枪时并非是清楚可见的；

4.在等离子体喷枪中使用的气体被污染，和/或可能是错误的气体；

5.用于调节气体向等离子体喷枪的流动的装置变得未校准或者失效；和

6.对于手动操作的装置而言，可能设置了错误的气体流动或工作参数。

包括喷枪硬件磨损的这些情况中的任何一个将可能造成涂层不合规格，例如，诸如孔隙率、硬度或涂层厚度之类的想要的特性可能是不正确的。由于这直到涂覆处理完成之后才被检测到，因此后果可能是相当高代价的。至少不得不将涂层剥离并且重新施涂。在最坏的情况下，可能具有超过100000美元的价值的部件可能不得不全部报废。

历史上，操作员被训练知悉或者使其学得何时更换喷枪硬件或者基于观察喷枪电压、羽流稳定性和/或聆听由喷枪产生的声音上的改变来识别某些情况有错误。这些技术取决于喷枪、操作员和工作参数而变化。在引入更自动化的装置的情况下，操作员现在更远离于处理并且因此失去对喷枪操作的感觉。

用于监控处理的先前的进展已经包括经由光学感测对等离子体羽流和粉末注入进行成像，以确认羽流强度和粉末能量（动能和热能）是否在预期的范围内。这可能只能通过将等离子体喷枪移动到在其处可以在启动喷枪之后并且在喷射之前对羽流进行成像的固定位置来做到。虽然该方法可以检测与喷枪操作相关的许多潜在的问题，但是它有如下两个主要缺点：

1.由于仅在喷射之前观察羽流，因此该方法不能在喷射本身期间监控喷枪。因此，在持续长的喷射的情况下，该方法受到限制；以及

2.该方法增加了整个涂覆处理的时间，并且因此浪费了有价值的粉末材料，其成本可能超过每磅数百美元。

作为结果，光学成像的方法仅在非常昂贵的喷射处理和部件的情况下使用，其中所增加的时间和金钱成本可以受到担保。

最近的进展已经在确定何时硬件被磨损到要求更换的点的尝试中将声音测量的使用合并到测量等离子体喷枪行为，参见美国专利公开no.2016/0356747，其公开内容被通过引用而在其整体上明确地合并于此。该构想基于操作员和具有操作热喷射等离子体喷枪的经验的人员的能力以便能够单纯地通过喷枪发出的声音来判明硬件和喷枪是否正确地工作。该实现要求对处理控制增加声音感测技术和声学处理。虽然该方法的确解决了能够在实际喷射期间对喷枪进行在位监控的问题，但是它具有如下限制：

1.声音计量仪并不理想地适用于多尘的喷射环境，并且它们的寿命可能是短的，要求不断的监控和清洁；

2.从喷枪发出的声音将与隔室相互作用，造成混响，其将在喷枪处于运动时影响声音读数；以及

3.由于每个隔室具有独特的声音签名，因此将必须利用每个喷枪参数对每个隔室单独地校准以防止在各隔室或各位置之间共享声音签名。对于大的应用而言，具有十多个那么多的利用相同的喷枪、喷枪硬件和喷射参数进行操作的喷射隔室并不罕见。

技术实现要素：

本领域需要的是更直接的例如在喷射期间测量喷枪行为而不增加系统复杂性的方法。理想地，该方法应当独立于用于操作喷枪的喷射隔室或系统。

等离子体控制器提供了在等离子体喷枪处或者在接近于喷枪的接线盒处测量喷枪电压的方法。由于该电压测量每秒仅被记录和显示一次或两次，因此呈现出慢的响应以易于读取信号。这可以是用于确定喷枪电压的基础并且不反映实际的喷枪电压振荡和不稳定性的实时动态。

在实施例中，得到了一种用于监控和诊断喷枪性能的方法和设备，其可以确定正确的喷枪操作，并且如果没有正确地操作，则诊断针对令人生厌的操作的潜在原因。可以实时地采样由喷枪产生的电压，并且使用频率分析（例如，快速傅立叶变换（fft））来分析所产生的频谱，并且然后将fft模式向下降低为一组数字值或签名，其可以与针对正确操作和异常操作这两者的已知的签名进行比较。使用最佳拟合技术，于是可以标识任何异常行为的原因。方法还可以被用于预测硬件寿命的结束并且通过提供磨损和使用的提前通知来辅助生产计划和备件采购。

包括plc和工业pc的现代控制系统可以以足够高的速率读取模拟输入信号，以允许进行信号的频率分析。通过这样做，可以测量和确定实际的电压特性和行为。

然后可能的是以更高的采样速率监控喷枪电压，从而可以限定和分析电压模式以确定喷枪的状况。

本发明的实施例涉及一种用于监控具有处理控制器的等离子体喷枪的行为的方法。该方法包括：对等离子体喷枪的喷枪电压进行采样；分析所采样的喷枪电压；标识幅度峰值；产生表示所标识的幅度峰值的模式；以及将所产生的模式与存储的已知模式进行比较。当比较指示为等离子体喷枪的行为异常时，执行纠错动作。

根据实施例，可以与处理控制器分离地执行采样、分析、标识、生产和存储。替换地，可以在处理控制器中执行采样、分析、标识、生产和存储。

根据其它实施例，处理控制器可以执行纠错动作。

在其它实施例中，存储的已知模式可以至少包括一组已知的正常操作模式和一组已知的异常操作模式。进一步地，数据记录器可以将所产生的模式与该组已知的正常操作模式中的已知的正常操作模式进行比较。当所产生的模式对应于已知的正常操作模式时，可以将等离子体喷枪的行为指示为正常并且可以重复该方法。更进一步，当所产生的模式不对应于该组已知的正常操作模式中的任何已知的正常操作模式时，数据记录器可以将所产生的模式与该组已知的异常操作模式中的已知的异常操作模式进行比较。当所产生的模式对应于已知的异常操作模式时，可以将等离子体喷枪的行为指示为异常并且将纠错动作传输到处理控制器。此外，由于每个存储的已知的异常操作模式可以与已知的异常操作的原因和使操作恢复正常的纠错动作相关联，因此该方法还可以包括：当所产生的模式对应于已知的异常操作模式时，数据记录器可以向处理控制器提供纠错动作，以使等离子体喷枪的行为恢复到正常操作。

根据另外的其它实施例，可以在使用等离子体喷枪之前、期间和之后中的至少之一执行该方法。

根据其它实施例，产生表示所标识的幅度峰值的模式可以包括：确定所标识的幅度峰值的总面积；确定在最大幅度处所标识的峰值的频率和幅度；确定在所标识的峰值的总面积的50％处所标识的峰值的频率和幅度；确定在所标识的峰值的总面积的10％处所标识的峰值的频率和幅度；以及确定在所标识的峰值的总面积的90％处所标识的峰值的频率和幅度。

在其它实施例中，可以实时地执行喷枪电压的采样。

在另外的其它实施例中，分析电压可以包括对采样的喷枪电压执行快速傅立叶变换。

本发明的实施例涉及一种用于监控等离子体喷枪的行为的设备。该设备包括：处理控制器，被构造和布置为控制等离子体喷枪的工作参数；电压传感器，被构造和布置为对等离子体喷枪的喷枪电压进行采样；数据处理器，被配置为分析所采样的喷枪电压、标识幅度峰值并且产生表示所标识的幅度峰值的模式；存储器，被配置为存储已知的喷枪操作模式；以及比较器，被配置为将所产生的模式与存储的已知的喷枪操作模式进行比较。当比较指示为等离子体喷枪的行为异常时，指示处理控制器执行纠错动作。

根据实施例，所存储的已知的喷枪操作模式可以至少包括一组已知的正常操作模式和一组已知的异常操作模式。此外，数据处理器可以被配置为将所产生的模式与该组已知的正常操作模式中的已知的正常操作模式进行比较，从而当所产生的模式对应于已知的正常操作模式时，可以将等离子体喷枪的行为指示为正常。进一步地，当所产生的模式不对应于该组已知的正常操作模式中的任何已知的正常操作模式时，数据处理器可以被配置为将所产生的模式与该组已知的异常操作模式中的已知的异常操作模式进行比较，从而当所产生的模式对应于已知的异常操作模式时，可以将等离子体喷枪的行为指示为异常，并且将纠错动作传输到处理控制器。还进一步地，每个存储的已知的异常操作模式与已知的异常操作的原因和使操作恢复正常的纠错动作相关联，从而当所产生的模式对应于已知的异常操作模式时，数据处理器可以向处理控制器提供纠错动作以使等离子体喷枪的行为恢复到正常操作。

根据其它实施例，设备可以被配置为在使用等离子体喷枪之前、期间和之后中的至少之一监控等离子体喷枪行为。

根据本发明的再一些其它实施例，数据处理器可以是如下的至少以下之一：被配置为执行程序以分析采样的喷枪电压；以及被配置为执行数字信号处理器的固件以分析采样的喷枪电压。进一步地，可以通过如下来产生表示所标识的幅度峰值的模式：确定所标识的幅度峰值的总面积；确定在最大幅度处所标识的峰值的频率和幅度；确定在所标识的峰值的总面积的50％处所标识的峰值的频率和幅度；确定在所标识的峰值的总面积的10％处所标识的峰值的频率和幅度；并且确定在所标识的峰值的总面积的90％处所标识的峰值的频率和幅度。

通过回顾本公开和随附附图，可以确认本发明的其它示例性实施例和优点。

附图说明

在下面的详细描述中，通过本发明的示例性实施例的非限制性示例的方式参照所标明的多个附图来进一步描述本发明，其中同样的参考标号贯穿于附图的若干视图表示相似的部分，并且其中：

图1图示利用新的喷枪硬件每秒取得一次的f4喷枪的电压迹线；

图2图示利用使用过的硬件每秒取得一次的f4喷枪的电压迹线；

图3图示f4等离子体喷枪的电压迹线，示出在4613hz和〜50000hz处的两个主振荡；

图4图示triplexpro210等离子体喷枪的电压迹线，示出在〜2500hz和〜25000hz处的两个主振荡；

图5图示用于获取电压数据的硬件设置；

图6图示用于获取和分析电压数据的示例性方法的流程图；和

图7图示示出将fft迹线的频率幅度峰值降低为限定峰值的大小和形状的一组值的图。

具体实施方式

在此示出的细节是示例方式的，并且仅是为了说明性地讨论本发明的实施例的目的，并且是为了提供如下内容而呈现的：所述内容被认为是本发明的原理和构思方面的最有用并且易于理解的描述。在这方面，并未进行尝试以与对于基本上理解本发明而言必要的相比更多的细节来示出本发明的结构细节，与附图一起作出的描述使得如下对于本领域技术人员而言是显而易见的：本发明的若干种形式可以如何体现在实践中。

即使在低采样速率下，起因于喷枪硬件磨损的电压上的改变是容易地可分辨的。作为示例，图1示出针对oerlikonmetcof4mb-xl等离子体喷枪的在利用新安装的电极（阴极）和喷嘴（阳极）操作1小时之后的喷枪电压。图2示出在操作17小时之后的同一喷枪和硬件，其中硬件接近于其寿命终止。清楚的是即使在较低的采样速率下电压行为也明显不同。

每个等离子体喷枪和硬件组（喷嘴和电极）就产生于各种振荡的频率而言具有不同的电压行为。这些振荡得自于从最高频率到最低频率布置的以下的物理条件：

1.喷枪内部的自然声学，如迄今为止所测量的那样在频率上范围从17000赫兹到60000赫兹；

2.等离子体弧在喷枪孔内的振荡，其取决于喷枪类型、喷枪硬件和工作参数而在频率上范围从1500赫兹到8500赫兹；

3.由电源可控硅整流器（scr）取决于到来的三相电频率在300赫兹到360赫兹下开关而引发的电源纹波；以及

4.由随时间经过在喷嘴孔内部发展并改变的表面不连续性产生的、并且可能从0.5赫兹变化到如几百赫兹那么高的振荡。如在图1和图2中描绘那样，在常规的等离子体控制器中容易在典型的电压拾取器中看到这些低频振荡模式。

图3示出在利用典型的氩气/氢气参数进行的操作中在标准电极和6mm喷嘴的情况下f4等离子体喷枪电压的示波器迹线的示例。两个主要频率是明显的：在大约50000赫兹处的最高频率的并且较小幅度的振荡；以及在4613赫兹处测量到的第二较低频率的并且较大幅度的振荡。这些振荡对应于孔内部的声学条件和等离子体弧运动。

图4示出在利用典型的氩气/氦气参数进行的操作中在9mm喷嘴的情况下oerlikonmetcotriplexpro210等离子体喷枪电压的示波器迹线的示例。再次地两个主要频率是明显的：在大约25000赫兹处的最高频率的并且较小幅度的振荡；以及在大约2500赫兹处的第二较低频率的并且较大幅度的振荡。再次地这些振荡对应于孔内部的声学条件和等离子体弧运动。

在图3和图4中示出的示例示出针对各种振荡的频率范围可以如何大范围地变化并且该频率范围对于每个喷枪、每种类型的硬件组、以及甚至所使用的气体来说是独特的，这允许进行有准备的标识。这一般同样地适用于改变诸如磨损或先前定义的喷枪操作性能问题的其它原因的条件。

实现实时等离子体喷枪电压监控要求等离子体控制器或者分离的监控设备具有如下的模拟输入：其可以每秒提供至少一个数字化的样本，优选地每秒提供10000个样本，并且最优选地每秒提供100000个样本。每秒单个样本将把能力限制为仅检测喷枪磨损，而每秒10000个样本将使得能够进行与等离子体弧运动有关的附加诊断，并且每秒100000个样本将使得能够进行全范围的诊断，包括诸如气体和气体流动的影响喷枪声学的条件。

图5示出使用与等离子体处理控制器107通信的分离的监控设备的电压数据获取设置100的一个示例。在混合盒（jambox）中使用辅助电压拾取器以获取电压，并且然后将其数字化为样本流，并且记录在数据记录设备中。将电力从电源101经由混合盒103供给到等离子体喷枪102，混合盒103用作在其处将电力和水结合到该喷枪并且进行监控的点。在所图示的示例中，电线50和电线60之间的电压被由辅助电压拾取器14（例如分压器）获取/读取，并且然后在a/d转换器105中数字化，由此把由喷枪产生的电压实时地采样为样本流以用于分析并且被记录在数据记录器106中。要理解的是在不脱离本发明的实施例的精神和范围的情况下，电压拾取器14还可以位于电源处，优选地位于混合盒处，并且最优选地位于喷枪处。可以使用频率分析（例如快速傅立叶变换（fft））来分析采样的电压的频谱，并且然后可以将fft模式向下降低为一组数字值或降低为可以与针对正确操作和异常操作这两者的已知签名进行比较的签名。虽然本领域普通技术人员可以设计和实现定制的分析软件以实现上面描述的一组数字值或签名，但是理解的是用于执行信号分析的现有的分析数据应用程序（诸如来自美国国家仪器（nationalinstruments®）的labview或matlab®）可以被采用以根据本发明的实施例来产生模式。替换地，还理解的是，在不脱离本发明的实施例的精神和范围的情况下，代替使用软件应用程序来执行分析工作，可以在处理芯片中提供专用的数字信号处理器（dsp）固件。

已知的签名可以被存储在例如数据存储18中以用于由数据记录器106检索。数据存储18可以被保持在中央化的存储位置（诸如例如在基于web的服务器（云））中或者被保持在要被实现在每个本地系统上的现场服务器中。此外，要理解的是在不脱离本发明的实施例的精神和范围的情况下，可以从中央源（例如，基于web的服务器/云）更新驻留在本地系统中的模式的数据库。

使用最佳拟合技术，fft模式与已知的签名之间的高相关度（例如70％或更大）可以标识正确的操作或任何异常行为的原因。对于标识出的异常行为的原因的解决方案也可以被存储在数据存储18中，并且在标识到异常行为时由数据记录器106检索。数据记录器106还可以连接到等离子体处理控制器107，其控制电源101和混合盒103以便控制等离子体喷枪处理。还要理解的是在不脱离本发明的实施例的精神和范围的情况下，等离子体处理控制器107可以被合并在数据记录器106内。因此，当由数据记录器106检索到针对标识出的异常行为的解决方案时，可以将该解决方案转发到处理控制器107以实现该解决方案以使等离子体喷枪操作恢复正常。进一步地，虽然可以如在示例性的图5中示出那样利用分离的设备来完成电压数据的获取和分析，但是要理解的是在不脱离要求保护的实施例的精神和范围的情况下，该处理还可以被直接整合到处理控制器中或者甚至被整合在运动控制系统（例如机器人）中。

图6示出用于获取和处理数据的示例性方法的流程图。在示例性方法中，在201处实时地记录喷枪电压数据。该记录的喷枪电压数据可以是通过对例如在混合盒中监控的模拟喷枪电压进行数字化而产生的样本流。进一步地，可以在喷枪的初始启动期间、为提供对等离子体喷枪的原位监控而在喷射期间、以及/或者在喷枪已经完成喷射之后监控模拟的喷枪电压。在202处将数字化的电压样本流馈送到数据记录设备，在其处执行频率分析算法（例如快速傅立叶变换（fft））以创建频率/幅度线图。在203处标识关键幅度峰值并且将其降低为定义峰值的大小和形状的一组值，由此产生表示峰值的模式，如例如在图7中示出那样。关键幅度峰值包括与所描述的振荡—并且特别是声学振荡和等离子体弧振荡—关联的那些峰值。优选地，从启动喷枪的时刻起到在其处喷枪被关闭的时间内连续地监控电压模式。对于原位监控而言，可以在连续的基础上或者更优选地以足够短的离散时间间隔来产生数据捕获和降低，以在不想要的行为可能造成不良的喷射部件或者甚至喷枪损坏之前捕获它们。连续的监控将随时间的经过而利用运动的电压数据流并且可能是相当计算密集的，要求专用的处理器，例如数字信号处理器（dsp）。离散的时间间隔是更优选的，并且可以范围从如每秒一次那么短到如每30秒一次那么长，其中优选的间隔在3至5秒的范围内。3至5秒的更新使得能够在对喷枪或喷射部件造成严重损坏之前检测到即将到来的喷枪故障，该喷枪故障诸如为水泄漏和由于过度加热或磨损所致的喷枪喷溅的产生。

在204处，将针对被测试的喷枪获取的峰值幅度和频率模式与针对喷枪操作的存储在数据存储中的已知模式进行比较。模式匹配的初始实现将是首先针对每个喷枪、硬件组和所使用的参数标识正常的操作电压模式，以便确定喷枪是否正确地操作。可以将针对可接受的/正常的操作和针对异常的操作的已知模式加载到数据存储（例如，云或本地数据库）中以用于将来参考并且与从被测试的喷枪获取的模式进行比较。将数据加载到诸如“云”的开放平台中将使得其它系统能够访问该信息，并且由于加载了模式并且使其可用而允许共享电压模式经验。由于异常情况被检测并且获得了这些异常情况的电压模式，因此它们还可以被加载到进一步的实施。

一旦获得了电压模式，就可以在205处将其与存储在数据存储中的已经随时间的经过采集的已知的可接受模式进行比较，以验证该模式是否表示针对参数的正常模式。当模式对应于已知的正常模式，例如在被测试的模式与已知的正常模式之间的至少70％的相关度，即在205处为“是”时，处理认为被测试的模式是可接受的，并且在206处，处理返回到处理的开始以在201处监控喷枪电压。如果模式不对应于已知的正常模式，即在205处为“否”，则在207处将模式的峰值幅度和频率与也可以被存储在数据存储中的已知的异常模式进行比较，以找出对应的已知的异常模式，例如在被测试的模式与已知的异常模式之间的至少70％的相关度。当找出对于已知的异常模式的匹配时，可以确认异常的原因，并且可以在208处找出解决和克服该异常操作的纠错动作。与已知的异常模式相关联的原因和用于克服这样的异常模式的纠错动作可以被存储在数据存储中。在209处，如果如在图5中示出那样数据处理与处理控制器分离，则那么可以将原因和纠错动作中继到处理控制器—其可以与数据处理系统分离或者被合并在数据处理系统中—以实施纠错动作。。

参照图7，示出用于检查的关键幅度峰值。可以基于信噪比将关键峰值定义为高于背景噪声的峰值上升，例如在背景噪声之上至少10％并且优选地在背景噪声之上10％和25％之间。关键峰值的起始可以被指定为高于平均或趋势线的连续上升，并且关键峰值的结束可以被指定为返回到或者低于平均值或趋势线。如在示例性的图中示出那样，关键峰值可以被降低为定义峰值的大小和形状的一组值。通过示例的方式，可以记录某些量化值，例如平均或趋势线之上的峰值的总面积；最大幅度处的频率和幅度；在峰值的总面积的50％处的频率和幅度；在峰值的总面积的10％处的频率和幅度；以及在峰值的总面积的90％处的频率和幅度。根据上面描述的实施例，这些值可以被用于产生表示峰值的模式，以用于与已知的正常情况以及如果必要的话与已知的异常情况进行比较。

数据存储中未存档的新的或者独特的模式将要求标识模式的原因，并且然后将该模式和信息上载到数据库中以添加到已知模式的采集。随着更多的模式被标识并且加载到数据库中，用以针对更多异常情况进行诊断和纠正的能力增强。

该方法的示例可以使现有的异常模式被加载到数据库中，该异常模式表示当在所限定的喷枪和硬件组中存在水泄漏时的电压行为。当在对应于实际的水泄漏的喷射事件期间检测到该模式时，于是可以快速地标识该模式，并且在引起喷枪的损坏或产生不良涂层之前关闭喷枪。

该方法的另一示例可以使对应于在辅助气体流动上的偏移的外部电压模式被加载到数据库中。在操作期间，检测到异常模式，并且当匹配于数据库时，警告操作员可能有偏移，并且如果存在足够的模式映射，则建议调整辅助气体流动以纠正异常。

进一步地，根据本发明的实施例的方法和设备可以应用于任何等离子体热喷射系统以及应用于任何类似的等离子体设备，诸如用于处理材料的那些等离子体设备或者用作用于模拟空间环境的等离子体发生器和臭氧发生器的那些等离子体设备。还要理解的是，根据本发明的实施例的方法可以应用不同的技术来将频率/幅度峰值降低为表示峰值的形状和大小的不同的值。

注意的是已经仅为了解释的目的提供了前述示例，并且前述示例绝不被解释为对本发明的限制。虽然已经参考示例性实施例描述了本发明，但是理解的是已经在此使用的词语是描述和说明的词语而不是限制性词语。在本发明的各方面中，在不脱离本发明的范围和精神的情况下，可以在所附权利要求的范围内如目前说明以及如修改的那样作出改变。虽然在此已经参考特定的手段、材料和实施例描述了本发明，但是本发明不意图被限制于在此公开的特定情况；相反，本发明扩展到诸如在所附权利要求的范围内的所有在功能上等同的结构、方法和用途。