JP2015520676A - 加熱トーチを用いた材料加工の最適化および制御 - Google Patents

Abstract

加熱トーチ用の消耗部品が提供される。消耗部品は、消耗部品本体と、消耗部品に関連付けられた信号を伝送するために、その消耗部品本体の表面または内部に配置された信号デバイスとを含む。信号は、消耗部品の検出可能な物理的特性とは無関係のものであってよい。

Description

本発明は概して、加熱トーチの消耗品に関連付けられた信号を用いて材料加工を制御および最適化することに関する。

プラズマアークトーチ等の加熱トーチは、材料の加熱、切断、削り取りおよびマーキングに広く使われている。プラズマアークトーチは一般に、電極、トーチ本体内に設けられた中央出口オリフィスを有するノズル、電気接続部、冷却通路、およびアーク制御流体（例えばプラズマガス）用通路を含む。任意選択により、プラズマチャンバー内で電極とノズルとの間に形成される流体のフローパターンを制御するために、渦状リングが使用される。いくつかのトーチでは、ノズルおよび／または渦状リングをプラズマアークトーチ内に維持するために保持キャップが使用され得る。動作中、トーチはプラズマアークを生成する。プラズマアークは、溶融金属の除去を促進するのに十分な運動量を有する高温の電離ガスの狭窄噴流である。

典型的には、プラズマアークトーチは多数の消耗品を含む。各消耗品は、切断される材料の種類や所望の切断形状といった特定の加工上の制約を考慮して、最適な性能（例えば、最適電流レベル、最大耐用年数など）を実現するように選択することができる。トーチに不適当な消耗品を取り付けると、切断性能の悪化や切断速度の低下をもたらす場合がある。さらに、不適当な消耗品は消耗品の耐用期間を短縮させて早期の消耗品故障を引き起こし得る。トーチに適当な消耗品を取り付けた時でさえ、操作者が、選択された消耗品セットに相応するトーチの動作パラメータを手動で構成し最適化することは困難な場合がある。その上、トーチシステムにアフターマーケットの消耗品が用いられた場合、トーチ構成部品のメーカーが性能を保証することも困難となり得る。

したがって、プラズマアークトーチに適合しない消耗品を検出するためのシステムおよび方法が必要である。また、トーチの動作パラメータを自動的に調整して、切断性能を向上させ消耗品の耐用期間を長期化させるためのシステムおよび方法が必要である。特に、トーチシステムの様々な構成部品の間で効率的に情報を伝え、動作の制御および最適化を容易にするためのシステムおよび方法が必要である。

一態様において、加熱トーチの消耗部品が提供される。消耗部品は、消耗部品本体と、消耗部品に関連付けられた信号を伝送するために、その消耗部品本体の表面または内部に配置された信号デバイスとを含む。信号は、消耗部品の検出可能な物理的特性とは無関係のものである。

別の態様において、信号受信器を含む加熱トーチの消耗部品に関する情報を伝える方法が提供される。この方法は、トーチに信号受信器および消耗部品を取り付ける工程を含む。消耗部品はそれに装着される信号コンポーネントを有する。信号コンポーネントは、消耗部品に関する情報を伝える信号を生成するように適合されている。この方法はまた、信号コンポーネントから信号受信器へ信号を送る工程を含む。

別の態様において、加熱トーチに関する情報を伝えるためのシステムが提供される。このシステムは、信号検出器と、電極、ノズル、シールド、保持キャップ、溶接チップ、および渦状リングを含む群から選択される少なくとも１つの消耗品とを含む。このシステムはまた、上記少なくとも１つの消耗品に関する情報を信号検出器に送るための、上記少なくとも１つの消耗品に装着される少なくとも１つの信号デバイスを含む。このシステムは、ｉ）上記少なくとも１つの信号デバイスから情報を受け取るため、およびｉｉ）その情報の少なくとも一部を、プロセッサ、ガスコンソール、ネスティングソフトウェア、高さ制御装置、および駆動モータのうちの少なくとも１つに伝送するための、信号検出器に接続された制御装置をさらに含む。プロセッサ、ガスコンソール、ネスティングソフトウェア、高さ制御装置、および駆動モータのうちの少なくとも１つは、上記情報に基づいてトーチの動作を調整する。

他の例において、上記の態様はいずれも下記特徴のうちの１つ以上を含むことができる。いくつかの実施形態において、信号デバイスは、消耗部品に割り当てられた情報を保存するための無線自動識別（ＲＦＩＤ）タグである。いくつかの実施形態において、信号は無線信号、空気圧信号、磁気信号、光信号、または液圧信号のいずれかである。いくつかの実施形態において、トーチはプラズマアークトーチである。

いくつかの実施形態において、信号デバイスによって伝送される信号は、消耗部品の種類に特有の少なくとも１つの特徴を特定する。消耗部品の種類には、ノズル、シールド、電極、内側保持キャップ、外側保持キャップ、渦状リング、溶接チップまたは交換可能なトーチ本体が含まれ得る。信号デバイスによって伝送される信号はまた、消耗部品に特有の少なくとも１つの特徴を特定可能である。

いくつかの実施形態において、信号デバイスは、トーチの動作中の熱への曝露を最小限にするため、前記本体の表面に配置される。この表面は、トーチの冷却機構に隣接させるか、トーチのプラズマアークから離すか、トーチのＯ−リング状チャネル内に配置させるか、またはこれらの組合せとすることができる。信号デバイスが、熱エネルギー、放射線、有害ガス、または高周波エネルギーの少なくともいずれかに曝されるのを最小限にするため、信号デバイスは別のトーチ構成部品によって遮蔽されてもよい。

いくつかの実施形態において、信号デバイスは、プラズマアークの点火前、点火中、または点火後に、あるいはこれらの組合せにおいて信号を伝送するように適合される。いくつかの実施形態において、信号デバイスによって伝送される信号は、消耗部品がトーチに取り付けられた後でトーチの内側から読み取り可能である。信号デバイスによって伝送される信号はまた、消耗部品がトーチに取り付けられた後でトーチの外側から読み取り可能である。

いくつかの実施形態において、信号コンポーネントは消耗部品の物理的変更を測定するためのセンサを含む。物理的変更は、消耗部品内を通るガスの流量を制限するための消耗部品の変更を含み得る。

別の態様において、トーチを含む熱加工システムにおける消耗品を特定する方法が提供される。この方法は、第１の特性を有する第１の消耗品および第２の特性を有する第２の消耗品を提供する工程を含む。第２の特性は第１の特性とは異なっており、かつ、第１の特性および第２の特性の少なくとも一方は、対応する消耗品の測定された物理的特性とは無関係である。この方法はまた、第１の消耗品および第２の消耗品の少なくとも一方をトーチに取り付ける工程を含む。この方法は、第１の消耗品の第１の特性および第２の消耗品の第２の特性のうち少なくとも一方に関する情報を、第１の手法によって制御装置に伝達する工程をさらに含む。

いくつかの実施形態において、前記方法は、第１の消耗品の第１の特性および消耗品の第２の特性に関する情報を、第１の手法によって制御装置に伝達する工程を含む。
いくつかの実施形態において、前記方法は、第１の消耗品の第１の特性に関する情報を、第１の手法によって制御装置に伝達し、第２の消耗品の第２の特性に関する情報を、第２の手法によって制御装置に伝達する工程をさらに含む。第２の手法は第１の手法とは異なる。第１の手法は、第１の消耗品に結合された第１の信号デバイスを使用して、第１の特性を第１の信号として伝送することを含んでもよい。第２の手法は、第２の消耗品に結合された第２の信号デバイスを使用して、第２の特性を第２の信号として伝送することを含んでもよい。第１または第２の信号は、空気圧信号、無線信号、光信号、磁気信号または液圧信号を含む。

いくつかの実施形態において、第１の消耗品および第２の消耗品は実質的に同一である。いくつかの実施形態において、第１の手法は、第１の消耗品および第２の消耗品のうち少なくとも一方に結合された信号デバイスを使用して、情報を信号として伝達することを含む。信号は空気圧信号、無線信号、光信号、磁気信号または液圧信号とすることができる。

さらに、本発明の様々な態様および実施形態は、様々に組み合わせ可能であることが理解されるべきである。本明細書の教示に基づき、当業者はこれらの様々な実施形態の組み合わせ方を容易に決定することができる。例えば、いくつかの実施形態において、上記の態様はいずれも上記の特徴の１つまたは複数を含むことができる。本発明の一実施形態は上記の特徴および利点の全てを提供可能である。

上述した本発明の利点および更なる利点は、以下の説明を添付の図面と共に参照することにより、より良く理解されよう。図面は必ずしも一定の縮尺ではなく、むしろ発明の原理を説明することに主眼を置いている。

例示的なプラズマアークトーチの断面図を示す。 例示的な通信ネットワークを示す。 様々な消耗品の変更された形状を示す。 図２の通信ネットワークを用いてプラズマアークトーチの動作を制御する、例示的な熱加工システムを示す。

図１は、トーチ本体１０２およびトーチ先端部１０４を含む例示的なプラズマアークトーチ１００の断面図である。トーチ先端部１０４は複数の消耗品、例えば、電極１０５、ノズル１１０、保持キャップ１１５、渦状リング１２０、およびシールド１２５を含む。トーチ本体１０２は概して円筒形状であり、電極１０５およびノズル１１０を支持する。ノズル１１０は電極１０５とは離間しており、トーチ本体１０２内に設けられた中央出口オリフィスを有する。渦状リング１２０はトーチ本体１０２に取り付けられ、放射状に均等配置または角度付けされた一連のガス分配孔１２７を有する。ガス分配孔１２７はプラズマガス流に接線方向速度成分を与え、プラズマガス流の旋回をもたらす。同じく出口オリフィスを有するシールド１２５は、保持キャップ１１５に結合（例えばねじ込み）される。示されている保持キャップ１１５は、ノズル１１０にしっかりと結合（例えばねじ込み）された内側保持キャップである。いくつかの実施形態において、外側保持キャップ（図示略）がシールド１２５に固定されている。トーチ１００はさらに電気接続部、冷却通路、およびアーク制御流体（例えばプラズマガス）用通路、および電源を含んでいてもよい。いくつかの実施形態において、消耗品は点火された溶接ガスを通すためのノズルである溶接チップを含む。

動作中、プラズマガスはガス入口管（図示略）および渦状リング１２０内のガス分配孔１２７を通って流れる。そこから、プラズマガスはプラズマチャンバー１２８に流入し、ノズル１１０の出口オリフィスおよびシールド１２５を通ってトーチ１００から流出する。最初にパイロットアークが電極１０５とノズル１１０との間で生成される。パイロットアークは、ノズル出口オリフィスおよびシールド出口オリフィスを通過するガスを電離する。このアークは続いてノズル１１０からワークピース（図示略）に移動し、ワークピースを熱加工（例えば、切断または溶接）する。トーチ１００における構成部品の配置、ガスや冷却流体の流れる方向、および電気接続部を含む説明された詳細は、様々な形態を取り得ることに留意されたい。

動作工程が異なれば、要求されるシールドおよび／またはプラズマガス流量もしばしば異なり、このため、要求される消耗品のセットも異なる。その結果、現場では種々の消耗品が使用されている。適当な消耗品を使用し、それらを適切に適合させることは、最適な切断性能を実現するために不可欠である。消耗品の不適合（例えば、１０５アンペアで動作しているトーチに、６５アンペアで動作するように作られた消耗品を使用する等）は、消耗品の耐用期間の短縮および／またはプラズマアークトーチの性能の低下を引き起こし得る。

図２は、本発明の例示的な通信ネットワーク２００を示す。通信ネットワーク２００は、図１のプラズマアークトーチ１００のような加熱トーチの消耗品にそれぞれ割り当てられた１つまたは複数の信号デバイス２０２を含む。例示的な消耗品は、電極１０５、ノズル１１０、保持キャップ１１５、渦状リング１２０、およびシールド１２５を含む。いくつかの実施形態において、信号デバイス２０２は、消耗品に関する情報を１つまたは複数の信号の形態で伝送するように構成された電気的に書き込み可能なデバイスである。例えば、信号デバイス２０２は、消耗部品に割り当てられた情報を保存するための無線自動識別（ＲＦＩＤ）タグまたはカード、バーコードラベルまたはタグ、集積回路（ＩＣ）プレート等であってもよい。いくつかの実施形態において、信号デバイス２０２は、消耗品の物理的特性を検出し、検出した情報を１つまたは複数の信号の形態で伝送するための検出器（例えばセンサ）である。通信ネットワーク２００はまた、ｉ）信号デバイス２０２によって伝送された信号を受け取るため、ｉｉ）その信号によって伝えられるデータを抽出するため、およびｉｉｉ）抽出したデータを、分析およびさらなる処理のためにプロセッサ２０６に提供するための、少なくとも１つの受信器２０４を含む。プロセッサ２０６は、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、コンピュータ、コンピュータ数値制御（ＣＮＣ）工作機械、プログラマブルロジックコントローラ（ＰＬＣ）、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）等とすることができる。

いくつかの実施形態において、各信号デバイス２０２には、その信号デバイス２０２が割り当てられている消耗品に関する情報が符号化される。符号化情報は、消耗品の名称、商標、メーカー、シリアル番号、および／または種類のような一般情報または固定情報とすることができる。符号化情報は、例えば、消耗品がノズルであることを一般的に示すためのモデル番号を含むことができる。いくつかの実施形態において、符号化情報は、消耗品の金属組成、消耗品の重量、消耗品が製造された日付、時間および／または場所、消耗品の担当責任者といった、消耗品に固有のものである。一例として、符号化情報は、製造された各トーチ構成部品に特有のシリアル番号、例えば、ノズルタイプＡ、シリアル番号１と、ノズルタイプＡ、シリアル番号２とを識別するためのシリアル番号を提供可能である。

いくつかの実施形態において、対応する消耗品の製造時に、情報が信号デバイス２０２に符号化される。情報は、消耗品の耐用期間中に、例えば毎回の消耗品の使用後に信号デバイス２０２に符号化されてもよい。そのような情報は、消耗品使用の日付、時間および場所、使用中に検出された任意の異常、および／または使用後の消耗品の状態を含むことができ、これにより消耗品に関連する故障事象または耐用期間末期の事象を予測するための記録を取ることができる。

信号デバイス２０２に符号化された情報は、動作パラメータを特定することもできる。例えば、シールド１２５に関連付けられた信号デバイス２０２について、その信号デバイス２０２に符号化されたデータは、シールドガスの種類および／またはそのシールド１２５にとって適切なガス流量を示すことができる。いくつかの実施形態において、信号デバイス２０２の符号化データは他の関連するトーチ構成部品に関する情報を提供する。例えば、符号化データは割り当てられた消耗品と適合する他のトーチ構成部品を特定することができ、特定の性能測定基準に達するように消耗品セット全体のトーチへの取り付けを支援する。

いくつかの実施形態において、信号デバイス２０２は、対応する消耗品に関する情報であって、その消耗品の検出可能な物理的特性とは無関係の情報を含む。消耗品の検出可能な物理的特性の例として、トーチに取り付けられた検出器によって測定される消耗品の磁気特性、表面反射率、密度、音響特性および他の触覚的特徴が挙げられる。したがって、消耗品の検出可能な物理的特性と無関係な消耗品データの例には、消耗品の名称、種類、メーカー、製造日、製造場所、シリアル番号、または消耗品の他の非触覚的特徴が挙げられる。いくつかの実施形態において、信号デバイス２０２は、トーチに取り付けられる前に、消耗品の物理的特性を含む予め収集された情報を保存するが、信号デバイス２０２は物理的特性を能動的に測定または検出するようには構成されていない。しかしながら、信号デバイス２０２は、センサ等の別のデバイスによって測定または検出された消耗品に関する物理的特性を保存することができる。概して、信号デバイス２０２は主にデータ保存の目的で用いられる。

いくつかの実施形態において、信号デバイス２０２はトーチ１００の内部または表面に配置される。例えば、信号デバイス２０２は、トーチ先端部１０４の内部に最終的に取り付けられる消耗品の表面に装着されてもよい。信号デバイス２０２は、トーチ１００の内部の、割り当てられた消耗品以外の構成部品に装着されてもよい。例えば、信号デバイス２０２を電極１０５に関するデータを保存するために割り当て、かつその信号デバイス２０２を保持キャップ１１５の表面に取り付けることができる。いくつかの実施形態において、信号デバイス２０２はトーチ１００とは物理的に結合していない外部源に結合される。例えば、消耗品を保管するために使用され、かつ消耗品がトーチ１００に取り付けられると消耗品から離されるパッケージに、信号デバイス２０２が装着されてもよい。信号デバイス２０２がトーチ１００の内部に配置される場合、信号デバイス２０２が装着される表面は、トーチ１００の動作中に熱への曝露を抑制または最小限にするように選択され得る。例えば、熱への曝露を抑制または最小限にするために、信号デバイス２０２をトーチ１００の冷却機構の付近に配置させるか、プラズマアークから離すか、Ｏ−リング状チャネル内に配置させるか、またはこれらの組合せとすることができる。さらに、トーチの動作中の過熱から保護するために、信号デバイス２０２を熱保護材料で被覆してもよい。概して、信号デバイス２０２は、別のトーチ構成部品によって遮蔽されるなどして、熱エネルギー、放射線、有害ガス（例えばオゾン）、および／または高周波エネルギーへの曝露が最小限になるような状態に置かれる。

いくつかの実施形態において、信号デバイス２０２は、１回または複数回のトーチ点火の最中またはその後も耐久性であるように、すなわち機能するように設計される。いくつかの実施形態において、信号デバイス２０２は毎回のトーチ使用ごとにまたは数回の使用ごとに使い捨てされる。いくつかの実施形態において、信号デバイス２０２は、例えば消耗品が最初に製造された時にその消耗品に関する情報を符号化するために、１回書き込み可能である。いくつかの実施形態において、信号デバイス２０２は、例えば対応する消耗品の耐用期間全体にわたって複数回書き込み可能である。

通信ネットワーク２００において、信号デバイス２０２は保存している情報を１つまたは複数の信号の形態で受信器２０４に無線で伝送することができる。受信器２０４はこれらの信号を処理して、消耗品についての関連データを抽出し、そのデータを分析のためプロセッサ２０６に転送するように適合されている。いくつかの実施形態において、受信器２０４はプラズマアークトーチ１００の中または表面に配置される。例えば、受信器２０４はトーチ本体１０２の中に配置されてもよい。いくつかの実施形態において、受信器２０４は、電源モジュール、ガスコンソール、プロセッサ２０６等に装着されるなど、トーチ１００の外部に配置される。

いくつかの実施形態において、信号デバイス２０２の少なくとも１つはＲＦＩＤタグであり、受信器２０４はそのＲＦＩＤタグからデータを得るために用いられる読取機である。そのような実施形態において、ＲＦＩＤタグは情報を保存するためのマイクロチップおよびＲＦ信号を受信および伝送するためのアンテナを含む。読取機は、１）タグからデータを得るために、ＲＦ信号をＲＦＩＤタグに伝送するアンテナ、および２）ＲＦＩＤタグによって伝送された応答を、プロセッサ２０６に転送する前に解読するためのコンポーネントを含むことができる。ＲＦＩＤタグはアクティブ型でもパッシブ型でもよい。アクティブＲＦＩＤタグは、読取機へのより強力な電磁的リターン信号を生成するためのバッテリーを含み、これによりＲＦＩＤタグと読取機との間の可能な伝送距離が増加する。ＲＦＩＤタグと読取機との間の距離は、出力、使用される無線周波数、およびＲＦ信号を伝送させる材料の種類に応じて、２．５ｃｍ（１インチ）未満から３０．５ｍ（１００フィート）以上までとすることができる。一例では、ＲＦＩＤタグと、対応する読取機アンテナとの間の距離は約２〜４ｃｍである。読取機アンテナおよび残りの読取機構成部品は同じパッケージ内にある必要はない。例えば、読取機アンテナがトーチ本体１０２の表面または内部に配置され、かつ残りの読取機構成部品がトーチ１００の外部にあってもよい。ＲＦＩＤタグを使用すると、これを読取機と（例えばワイヤを介して）直接接触させる、あるいは（例えば光信号を介して）直接的な見通し線上に置く必要がなく、過酷な環境での使用にも十分適するため、有利である。

いくつかの実施形態において、信号デバイス２０２は、消耗品をその種類または個性によって特異的に識別するために、その消耗品の少なくとも１つの物理的マーカーを検出する検出器（例えばセンサ）である。物理的マーカーは、例えば消耗品の物理的変更とすることができる。図３に示すように、消耗品の特定は、消耗品がトーチ１００内に取り付けられた時に隣接する冷却通路４０２の壁に作用することで、そこを流れるクーラントの速度が変化するような態様で、消耗品の形状を変更することにより達成される。具体的には、クーラント通路４０２の変更された部分はクーラント流の速度を制限してもよい。信号デバイス２０２は、クーラント流速の関数としての圧力変化の測定に使用されてもよい。したがって、クーラント圧力変化の測定値は消耗品の識別材料としての役割を果たす。別の例では、図３に示されるように、ノズル１１０を特定するために、バルブおよび流量計に結合した予備ベント線４０４がノズル１１０に取り付けられている。プラズマアーク点火の前にバルブが開けられ、パージサイクルの間、予備ベント線流量が、プラズマ圧力の関数として信号デバイス２０２によって測定される。したがって、測定流量はノズル１１０の識別材料としての役割を果たす。別の例では、外側保持キャップがトーチ１００に取り付けられたら、外側保持キャップを特定するために１つまたは複数の特有の大きさの計量孔（図示略）を外側保持キャップに穿設してもよい。各計量孔の大きさは、閉バルブ圧力および／またはシールドガスの流量に対し特有の作用を与えるように構成される。したがって、パイロットアーク点火前のプリフロールーチンにおいて信号デバイス２０２によって得られたこれらの測定値は、外側保持キャップを特定する役割を果たす。

さらに別の例において、シールド１２５が参照トーチデータムに対する消耗品の長さを測定することによって特定されてもよい。例示的な測定工程において、トーチ高さ制御装置は、既知のトーチが点火してワークピースを切断し始める高さを決定するために使用される。この高さは参照トーチデータムとして機能し得る。続いて、トーチに未特定の消耗品を取り付けた後、参照データムに対する高さを決定する。したがって、上記２つの高さを用いた簡単な計算によって、未特定の消耗品の相対的長さを決定することができる。この相対的消耗品長さは、続いて、例えば相対的消耗品長さを消耗品パーツと関連付けるルックアップテーブルを参照することによって、消耗品の特定に使用することができる。

いくつかの実施形態において、信号デバイス２０２は、対応する消耗品に関するデータの光学的機械表現を提供するバーコードである。バーコードは、バーコードリーダの形態の受信器２０４によって読み取ることができる。概して、信号デバイス２０２は消耗品に関するデータを、無線信号、光信号または他の光に基づく信号（例えば赤外線信号または紫外線信号）、磁気信号、空気圧信号、または液圧信号を含む任意の機械読み取り可能な信号の形態で伝えることができる。

いくつかの実施形態において、トーチの各消耗品に単一の信号デバイス２０２が割り当てられ、対応する消耗品に関する関連情報を伝送する。いくつかの実施形態において、同一の消耗品に２つまたはそれ以上の信号デバイス２０２が割り当てられ、その消耗品に関する異なる情報を伝送する。例えば、１つの信号デバイス２０２がモデル番号や消耗品の種類についての動作パラメータといった消耗品の種類に特有の情報を伝送し、一方、別の信号デバイス２０２が消耗品の重量および利用履歴といった消耗品それ自体に特有の情報を伝送してもよい。いくつかの実施形態において、通信ネットワーク２００内の信号デバイス２０２はデータ伝送の様々な態様を採用する。例えば、１つの信号デバイス２０２はデータをＲＦ信号として伝送し、一方、別の信号デバイス２０２はデータを光信号として伝送する。いくつかの実施形態において、ネットワーク２００は複数の受信器２０４を含む。各受信器２０４は１つまたは複数の信号デバイス２０２からの信号を読み取り、抽出されたデータをプロセッサ２０６に伝送するように構成（例えば調整）される。いくつかの実施形態において、通信ネットワーク２００内の全ての信号デバイス２０２からの信号を読み取るために単一の受信器２０４が用いられる。したがって、プロセッサ２０６は複数の消耗品に関連付けられたデータを同時に処理することができる。

図４は、図１のプラズマアークトーチ１００のような加熱トーチの動作を制御するために図２の通信ネットワークを用いる例示的な熱加工システム３００である。プラズマアークトーチ１００は、ノズル１１０、電極１０５、シールド１２５、内側保持キャップ１１５および外側保持キャップ３０２を含む１つまたは複数の消耗品を備えていてもよい。少なくとも１つの信号デバイス２０２が、消耗品の少なくとも１つと関連付けられて、対応する消耗品に関する情報を受信器２０４を介してプロセッサ２０６に伝送する。システム３００はまた、トーチ１００においてプラズマアークを発生させるために必要な電流を提供するための電源３０４を含む。信号デバイス２０２から収集された各消耗品に関するデータは、プロセッサ２０６によって、プラズマ電源３０４、モータおよびドライバ３０６、ガスコンソール３０８、高さ制御装置３１０およびネスティングソフトウェア３１２のうちの少なくとも１つの動作を制御および最適化するために使用され得る。

プロセッサ２０６はプラズマアークトーチ１００の内部または外部に配置され得る。いくつかの実施形態において、プロセッサ２０６は電源３０４内に収容される。いくつかの実施形態において、プラズマ電源３０４、モータおよびドライバ３０６、ガスコンソール３０８、高さ制御装置３１０およびネスティングソフトウェア３１２の各々は、信号デバイス２０２からのデータを処理して各モジュール３０４、３０６、３０８または３１０の機能を制御するための少なくとも１つのプロセッサを収容する。

信号デバイス２０２から収集された情報に基づき、プロセッサ２０６は多くのプラズマシステム機能を同時またはほぼ同時に、かつリアルタイムまたはほぼリアルタイムで調節することができる。これらのシステム機能は、開始シーケンス、ＣＮＣインターフェース機能、ガスおよび動作パラメータ、およびシャットオフシーケンスを含むがこれらに限定されない。いくつかの実施形態において、プロセッサ２０６はシステム３００の様々なパラメータを自動的に設定するために消耗品情報を用いる。いくつかの実施形態において、プロセッサ２０６は、システム３００の特定のプリセットパラメータがトーチ１００の内部の消耗品と適合するか否かを確認するために消耗品情報を用いる。一例として、トーチ１００の複数の消耗品に関する収集されたデータに基づき、プロセッサ２０６は下記のシステム構成要素のうちの１つまたは複数を制御および点検することができる：ｉ）トーチ１００への電力を調節するための電源３０４の設定、ｉｉ）ワークピースを加工するためのネスティングソフトウェア３１２の設定、ｉｉｉ）トーチ１００に供給されるシールドガスおよび／またはプラズマガスを制御するためのガスコンソール３０８の設定、ｉｖ）トーチ１００とワークピースとの間の高さを調整するための高さ制御装置３１０の設定、およびｖ）様々なモータおよびドライバ３０６の設定。

いくつかの実施形態において、１つまたは複数の信号デバイス２０２から収集されたデータに基づき、プロセッサ２０６はネスティングソフトウェア３１２と相互作用して、ワークピースを加工するための切断速度、方向、経路、ネスティングシーケンス等のようなパラメータを設定する切断プログラムを自動的に選択する。切断プログラムはまた、収集された消耗品データを考慮して、ガスの種類、ガス圧力および／またはフロー設定およびトーチの高さ制御設定を決定することもできる。従来、消耗品のセットがトーチに組み付けられると、トーチの切断プログラムを作成するために、操作者が加工されるワークピース材料の種類および厚さ、使用されるガスの種類、および消耗品セットの定格電流を含む情報をソフトウェアに与えることによって手動でネスティングソフトウェア３１２を構成することが必要である。特に、操作者がプロセッサ２０６に消耗品セットの定格電流を手入力する必要がある。本発明では、各消耗品の定格電流情報は少なくとも１つの信号デバイス２０２に保存されているため、プロセッサ２０６はそのような情報を、１つまたは複数の信号デバイス２０２から電子的に収集し、ユーザの入力なしに適切な電流設定を自動的に決定することができる。

いくつかの実施形態において、収集された消耗品データに基づき、プロセッサ２０６は、信号デバイス２０２からの消耗品データ、ならびに、切断されるワークピースの特性および所望の切断形状を含むユーザ入力動作パラメータを考慮して、適切なネスティングソフトウェア３１２から切断プログラムを選択する。例えば、操作者は最初にネスティングソフトウェア３１２にジェネリックプログラムファイルを送ってもよい。ジェネリックプログラムファイルは、各ワークピースについて、厚さ、可変切断速度、ガス流、切口補償（ｋｅｒｆ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎｓ）、トーチ高さ等を特定し、これらは異なる消耗品パーツによって変化する。したがって、信号デバイス２０２を用いて消耗品を特定した後、プロセッサ２０６はジェネリックプログラムファイルと相互作用してトーチの切断プログラムを構成する。いくつかの実施形態において、切断プログラムが作成された後、プロセッサ２０６は信号デバイス２０２から収集された消耗品データを用いて、そのプログラムに適切な正しい消耗品がトーチに取り付けられているか確認する。さらに、プロセッサ２０６はネスティングソフトウェア３１２に対し、トーチに取り付けられた消耗品との適合性を促進するプログラムのパラメータを自動的に設定または修正するように指示してもよい。例えば、４００Ａの電流を必要とする消耗品は、１３０Ａの電流を必要とする消耗品と比較して大きい切り口および引込線を有する。したがって、４００Ａ用消耗品がトーチに取り付けられた場合、ネスティングソフトウェア３１２は、プログラムのネストへの当てはめ用に、より少ないパーツを選択することができる。

いくつかの実施形態において、１つまたは複数の信号デバイス２０２から収集されたデータに基づき、プロセッサ２０６は、ガスコンソール設定を点検し調整することにより、プラズマガスおよびシールドガスのトーチ１００への流れを制御するようにガスコンソール３０８を操作することができる。ガスコンソール３０８は、電磁弁、流量計、圧力計、ならびにプラズマガス流およびシールドガス流の制御に用いられるスイッチを収容する。例えば、流量計はプラズマガスおよびシールドガスのプリフロー流量および切断流量を設定するのに用いられる。また、ガスコンソール３０８は、プラズマガスとシールドガスとが合わさる複数入口式ガス供給領域を有する。所望のガスを選択するために、トグルスイッチが使用されてもよい。プラズマガスおよびシールドガスはガス圧力計によってモニタリングされる。一例において、プラズマアークトーチ１００のシールド１２５に関連付けられた信号デバイス２０２は、シールド１２５と共に使用するのに適切な１つまたは複数のシールドガスの種類および組成、ならびにそのシールドガスの最適な流量設定に関する情報を保存してもよい。このデータに基づき、プロセッサ２０６はガスコンソール３０８と相互作用してプラズマアークトーチ１００に適切なシールドガスを最適な流量で提供することができる。

いくつかの実施形態において、１つまたは複数の信号デバイス２０２から収集されたデータに基づき、プロセッサ２０６は、ワークピースに対するトーチ１００の高さを設定するトーチ高さ制御装置３１０を操作する。トーチ高さ制御装置３１０は、切断中に、所定のアーク電圧値を維持するように離間状態（すなわち、トーチ１００とワークピースとの間の距離）を調整することによりアーク電圧を制御するための制御モジュールを含むことができる。トーチ高さ制御装置３１０はまた、上記離間状態を調整する外部制御モジュールを含んでいてもよい。トーチ高さ制御装置３１０は、トーチ１００をワークピースに対して垂直方向に摺動させて切断中の所望の電圧を維持するために、上記制御モジュールによってモータまたはドライバ３０６を介して制御されるリフターをさらに含むことができる。一例において、トーチの消耗品から収集されたデータに基づき、トーチ高さ制御装置３１０は、トーチをワークピースの頂部に対して位置決めする高さを自動的に決定することができる。したがって、トーチ高さ制御装置３１０は、アーク電圧制御の開始前に適切な穿孔高さおよび切断高さを設定するための高さ検知を行わなくてよい。

いくつかの実施形態において、プロセッサ２０６は、トーチ１００に取り付けられた消耗品が互いに不適合であると判断した場合、熱加工システム３００と適合しないと判断した場合、または操作者によって入力された他の事前選択動作パラメータと不整合であると判断した場合、熱加工システム３００がワークピースに対する操作を開始するのを阻止するように構成される。このような判断がなされた場合、プロセッサ２０６は音声警報または視覚警報を発し、操作者に、取り付けられた消耗品のうちの１つまたは複数が対応しておらずその消耗品を取り換えるか、操作者の入力を修正するべきであることを指示する。加えて、プロセッサ２０６は警報が発せられた場合に操作の開始を阻止することができる。例えば、プロセッサ２０６は、シールド１２５に割り当てられた信号デバイス２０２によってプロセッサ２０６に送られるシールド１２５の電流設定が、ノズル１１０に対応する異なるまたは同じ信号デバイス２０２によってプロセッサ２０６に送られるノズル１１０の電流設定と異なる場合、トーチの動作を停止させることができる。

いくつかの実施形態において、プロセッサ２０６は、トーチ１００に取り付けられた消耗品の少なくとも１つが許可されたメーカーによって製造されていないか、あるいはサポートされていないと判断した場合、熱加工システム３００が動作するのを阻止するように構成される。例えば、プロセッサ２０６は、消耗品の信号デバイスによって伝えられるメーカーの証明となるもの、シリアル番号および／または部品番号を認識できない場合、トーチの動作を停止させることができる。したがって、熱加工システム３００は粗悪なまたは偽造の消耗品の使用を検出し防止するのに使用することができる。

いくつかの実施形態において、プロセッサ２０６は操作者に対し、警報状態に対処するための１つまたは複数の是正措置を勧告する。例えば、プロセッサ２０６は、熱加工システム３００の他の構成部品との潜在的な不適合を避けるためにトーチ１００に取り付けるべき１つまたは複数の消耗品を提案してもよい。プロセッサ２０６は、取り付けられた消耗品セットの定格に基づいて、加工されるワークピースの適切な種類を提案してもよい。プロセッサ２０６は、取り付けられた消耗品の設定と、操作者によって提供された設定とを調和させるための切断シーケンスを勧告してもよい。

概して、信号デバイス２０４は消耗品以外のトーチ構成部品に関する情報を保存可能である。例えば、信号デバイス２０４はトーチ本体１０２または１つまたは複数のリード線に関する情報を保存可能である。したがって、当業者は十分に理解するであろうが、図２の例示的な通信ネットワーク２００および図３の構成は、任意のトーチ構成部品に関する情報を保存するように容易に適合可能である。

さらに、当業者は十分に理解するであろうが、本明細書に記載された発明はプラズマ切断装置だけでなく、溶接タイプのシステムおよび他の熱加工システムにも適用可能である。いくつかの実施形態において、本明細書に記載された発明は、プラズマアーク、レーザ、酸素燃料、および／またはウォータージェット技術を含むがこれらに限定されない種々の切断技術を用いて動作するように構成される。例えば、信号デバイス２０２は上記切断技術の１つまたは複数を用いて動作するように構成された１つまたは複数の消耗品に結合されてもよい。プロセッサ２０６は、信号デバイス２０２によって伝送された情報を用いて、トーチに取り付けられた消耗品が特定の切断技術と適合するか否かを決定することができる。いくつかの実施形態において、選択された切断技術および消耗品情報に基づき、プロセッサ２０６は、ワークピースからの切断ヘッドの高さ等の、切断技術および消耗品に応じて変化し得る動作パラメータを適切に設定または調整することができる。

一例として、高圧かつ高速のウォータージェットを生じるウォータージェットシステムを使用して、様々な材料を切断することが知られている。これらのシステムは典型的には、水または別の適切な流体を高圧（例えば最大６２１ＭＰａ（９０，０００ポンド／スクエアインチ）以上）に加圧し、小さいノズルオリフィスにその流体を高速で通過させて大量のエネルギーを小さい領域に集中させることにより機能する。アブレーシブジェットはウォータージェットの一種であり、より硬い材料を切断するため、流体ジェット中に研磨材料を含む場合がある。いくつかの実施形態において、信号デバイス２０２は、ウォータージェットノズル、アブレーシブジェットノズル、研磨粒子を流体と混合するのに用いられる混合チューブ、および／または１つまたは複数のバルブおよびフィルタ等のウォータージェットシステムの消耗品に装着される。アブレーシブジェットノズルに関連付けられた信号デバイス２０２は、例えばそのノズルでの使用に適切な研磨材の種類、ノズルに供給可能な加圧流体の圧力の大きさを特定することができ、また、特定のノズルでの使用に適切な他の消耗品を指示することができる。所定のウォータージェットシステムのための特定の消耗品セットの組合せの特定は、所定のシステムとの適合性を確認するために、または、最大圧力またはフロー設定、あるいは研磨材の種類または量といった動作条件およびパラメータを制限するために行われてもよい。

本発明の様々な態様および実施形態はまた、様々な方法で組み合わせ可能であることが理解されるべきである。本明細書の教示に基づき、当分野の通常の技術者は、これらの様々な実施形態をどのように組み合わせるか容易に決定することができる。さらに、当業者が本明細書を読めば、変更例も想起可能であろう。本願はそのような変更例も包含し、請求項の範囲によってのみ限定される。

Claims (34)

1. 加熱トーチの消耗部品であって、
   消耗部品本体と、
   信号デバイスであって、消耗部品に関連付けられた信号を伝送するために、前記消耗部品本体の表面または内部に配置された無線自動識別（ＲＦＩＤ）タグを含む信号デバイスとを含み、
   前記信号は消耗部品の検出可能な物理的特性とは無関係のものであり、
   消耗品の、名称、商標、メーカー、シリアル番号、利用履歴、少なくとも１つの動作パラメータ、および種類のうちの２つまたはそれ以上を特定する、消耗部品。
2. 信号デバイスによって伝送される信号は、消耗部品の種類に特有の少なくとも１つの特徴を特定する、請求項１に記載の消耗部品。
3. 前記消耗部品の種類は、ノズル、シールド、電極、内側保持キャップ、外側保持キャップ、渦状リングまたは溶接チップを含む、請求項２に記載の消耗部品。
4. 信号デバイスによって伝送される信号は、消耗部品に特有の少なくとも１つの特徴であって、その消耗部品と、同じ種類の別の消耗部品とを識別可能な特徴を特定する、請求項１に記載の消耗部品。
5. 信号デバイスは、トーチの動作中の熱への曝露を最小限にするため、前記本体の表面に配置される、請求項１に記載の消耗部品。
6. 前記表面は、トーチの冷却機構に隣接しているか、トーチのプラズマアークから離れているか、またはトーチのＯ−リング状チャネル内に配置されるか、あるいはこれらの組合せである、請求項５に記載の消耗部品。
7. 信号デバイスは、熱エネルギー、放射線、有害ガス、または高周波エネルギーのうちの少なくとも１つに曝されるのを最小限にするため、信号デバイスは別のトーチ構成部品によって遮蔽される、請求項５に記載の消耗部品。
8. 信号デバイスは、プラズマアークの点火前、点火中、または点火後に、あるいはこれらの組合せにおいて信号を伝送するように適合される、請求項１に記載の消耗部品。
9. 信号デバイスによって伝送される信号は、消耗部品がトーチに取り付けられた後でトーチの内側から読み取り可能である、請求項１に記載の消耗部品。
10. 信号デバイスによって伝送される信号は、消耗部品がトーチに取り付けられた後でトーチの外側から読み取り可能である、請求項１に記載の消耗部品。
11. 前記トーチはプラズマアークトーチを含む、請求項１に記載の消耗部品。
12. 信号受信器を含む加熱トーチの消耗部品に関する情報を伝える方法であって、
    トーチに信号受信器および消耗部品を取り付ける工程であって、消耗部品はそれに装着される信号コンポーネントを有し、信号コンポーネントは、消耗部品に関する情報を伝える信号を生成するように適合されている、工程と、
    信号コンポーネントから信号受信器へ信号を伝達する工程と、
    トーチの動作後に信号コンポーネントに符号化された情報を更新する工程と
    を含む方法。
13. 消耗部品は、電極、ノズル、シールド、渦状リング、保持キャップまたは交換可能なトーチ本体のうちの１つを含む、請求項１２に記載の方法。
14. 信号コンポーネントは消耗部品に割り当てられた情報を保存するためのＲＦＩＤタグを含む、請求項１２に記載の方法。
15. 信号コンポーネントは消耗部品の物理的変更を測定するためのセンサを含み、前記物理的変更は消耗部品内を通るガスの流量を制限するための消耗部品の変更を含む、請求項１２に記載の方法。
16. 信号は、無線信号、空気圧信号、磁気信号、光信号、または液圧信号のうちの１つを含む、請求項１２に記載の方法。
17. 加熱トーチに関する情報を伝えるためのシステムであって、
    信号検出器と、
    電極、ノズル、シールド、保持キャップ、溶接チップ、および渦状リングを含む群から選択される少なくとも１つの消耗品と、
    前記少なくとも１つの消耗品に関する情報を信号検出器に送るための、前記少なくとも１つの消耗品に装着される少なくとも１つの信号デバイスであって、前記情報はトーチの少なくとも１つの動作パラメータおよび前記少なくとも１つの動作パラメータに関する値を特定する、信号デバイスと、
    ｉ）前記少なくとも１つの信号デバイスから情報を受け取るため、およびｉｉ）その情報の少なくとも一部を、プロセッサ、ガスコンソール、ネスティングソフトウェア、高さ制御装置、および駆動モータのうちの少なくとも１つに伝送するための、信号検出器に接続された制御装置であって、前記プロセッサ、ガスコンソール、ネスティングソフトウェア、高さ制御装置、および駆動モータのうちの少なくとも１つは前記少なくとも１つの動作パラメータの値に基づきトーチの動作を調整する、制御装置と
    を含むシステム。
18. トーチを含む熱加工システムにおける消耗品を特定する方法であって、
    第１の特性を有する第１の消耗品および第２の特性を有する第２の消耗品を提供する工程であって、第２の特性は第１の特性とは異なり、かつ、第１の特性および第２の特性の少なくとも一方は、対応する消耗品の測定された物理的特性とは無関係である、工程と、
    第１の消耗品および第２の消耗品をトーチに取り付ける工程と、
    第１の消耗品の第１の特性および第２の消耗品の第２の特性のうち少なくとも一方に関する情報を、第１の手法によって制御装置に伝達する工程
    を含む方法。
19. 第１の手法は、第１の消耗品または第２の消耗品の少なくとも一方に結合された信号デバイスを使用して、前記情報を、空気圧信号、無線信号、光信号、磁気信号または液圧信号である信号として伝達することを含む、請求項１８に記載の方法。
20. 第１の消耗品の第１の特性に関する情報を、第１の手法によって制御装置に伝達する工程と、
    第２の消耗品の第２の特性に関する情報を、第１の手法とは異なる第２の手法によって制御装置に伝達する工程と
    をさらに含む、請求項１８に記載の方法。
21. 第１の手法は、第１の消耗品に結合された第１の信号デバイスを使用して、第１の特性を第１の信号として伝送することを含み、第２の手法は、第２の消耗品に結合された第２の信号デバイスを使用して、第２の特性を第２の信号として伝送することを含み、第１または第２の信号は、空気圧信号、無線信号、光信号、磁気信号または液圧信号を含む、請求項２０に記載の方法。
22. 第１の消耗品の第１の特性および消耗品の第２の特性に関する情報を、第１の手法によって制御装置に伝達する工程をさらに含む、請求項１８に記載の方法。
23. 信号コンポーネントに符号化された情報の更新は、トーチの動作後に、信号コンポーネントに消耗部品を使用した日付、時間、または場所に関するデータを書き込むことを含む、請求項１２に記載の方法。
24. 更新された情報に基づき、消耗部品の故障事象または耐用期間末期の事象を検出する工程をさらに含む、請求項２３に記載の方法。
25. 無線自動識別（ＲＦＩＤ）デバイスおよびＲＦＩＤ読取機を含む加熱トーチの消耗部品に関する情報を伝える方法であって、
    ＲＦＩＤデバイスに、消耗部品の、名称、商標、メーカー、シリアル番号、種類、利用履歴および少なくとも１つの動作パラメータのうちの２つまたはそれ以上に対応するデータを保存する工程であって、前記データの少なくとも一部は消耗部品に特有の特徴を特定する、工程と、
    トーチにＲＦＩＤデバイス、ＲＦＩＤ読取機および消耗部品を取り付ける工程であって、消耗部品はそれに装着されたＲＦＩＤデバイスを有し、ＲＦＩＤデバイスは前記データを伝える信号を生成するように適合されている、工程と、
    ＲＦＩＤ読取機およびＲＦＩＤデバイスをトーチの内部またはトーチの表面に配置する工程と、
    ＲＦＩＤデバイスからＲＦＩＤ読取機に信号を伝達する工程と、
    トーチの動作後に、消耗部品の使用に関する情報を含むようにＲＦＩＤデバイスに保存されたデータを更新する工程と
    を含む方法。
26. 前記データは消耗部品の種類に特有の少なくとも１つの特徴を特定する、請求項２５に記載の方法。
27. 消耗部品の種類は、ノズル、シールド、電極、内側保持キャップ、外側保持キャップ、渦状リングまたは溶接チップを含む、請求項２５に記載の方法。
28. 消耗部品に特有の前記少なくとも１つの特徴は、その消耗部品と、同じ種類の別の消耗部品とを識別可能である、請求項２５に記載の方法。
29. ＲＦＩＤデバイスまたはＲＦＩＤ読取機の少なくとも一方は、トーチの動作中の熱への曝露を最小限にするため、前記本体の表面に配置される、請求項２５に記載の方法。
30. 前記表面は、トーチの冷却機構に隣接しているか、トーチのプラズマアークから離れているか、またはトーチのＯ−リング状チャネル内に配置されるか、あるいはこれらの組合せである請求項２９に記載の方法。
31. ＲＦＩＤデバイスまたはＲＦＩＤ読取機の少なくとも一方は、熱エネルギー、放射線、有害ガス、または高周波エネルギーのうちの少なくとも１つに曝されるのを最小限にするため、別のトーチ構成部品によって遮蔽される、請求項２５に記載の方法。
32. 消耗部品の使用に関する情報に基づき、その消耗部品の故障事象または耐用期間末期の事象を予測する工程をさらに含む、請求項２５に記載の方法。
33. 前記データの第１の部分は固定されており、かつ前記データの第２の部分は消耗部品の耐用期間中に変更可能である、請求項２５に記載の方法。
34. 前記データの第１の部分は消耗部品のシリアル番号を含み、前記データの第２の部分は消耗部品の使用後に変更可能な消耗部品の使用に関連する、請求項３３に記載の方法。