JP2009513984A - 複合構造に欠陥がないか検査するための装置および方法 - Google Patents

Abstract

材料配置機によって置かれる材料を検査するシステムおよび方法を提供する。材料の区分を照らすために、材料に対して本質的に垂直な方向に材料上へ光を導く。区分内の不完全な部分をあらわにするために予め定められた角度で、区分上へレーザエネルギを投射する。このシステムは、６インチを超える材料幅に対する照明を向上させ、さまざまな材料幅を検査するために拡大縮小可能である。

Description

発明の分野
この発明は一般に自動化された材料配置機およびその使用に関する。特に（限定されないが）、この発明は自動化された材料配置機によって置かれる材料を検査するためのシステムおよび方法に関する。

発明の背景
自動化された材料配置プロセスおよび機械は、航空宇宙産業および他の業界で大型の複合構造を製造する際に幅広く用いられている。自動化された目視検査を材料が置かれている間に実行できるシステムが利用可能である。これらのシステムは、検査のための機械の中断時間を低減するのに効果的であることが示されている。

しかしながら、現在の検査システムは、約６インチよりも広幅の材料を検査するために使用する際には有効度が限られる。

発明の要約
この発明は、１つの局面では、材料配置機によって置かれる材料を検査する方法に向けられる。材料の区分を照らすために、材料に対して本質的に垂直な方向に材料上へ光を導く。区分内の不完全な部分をあらわにするために予め定められた角度で、区分上へレーザエネルギを投射する。

他の局面では、本発明は材料配置機によって置かれる材料を検査するためのシステムに向けられる。システムは、ミラーと、ミラー上へ光を投射するよう構成される１つ以上の光源とを含む。ミラーは、投射される光を、材料の区分に対して本質的に垂直な方向に区分上へ反射させるよう構成される。１つ以上のレーザ光源は、区分内の不完全な部分をあらわにするために予め定められた角度で、区分上へレーザエネルギを投射するよう構成される。

さらに他の局面では、本発明は材料配置機によって置かれる材料を検査するためのシステムに向けられる。システムは、置かれた材料の区分の上に懸架されたミラーを含む。ミラーは１つ以上の透明部分を有する。１つ以上の光源が、ミラーの１つ以上の反射部分上へ光を投射するよう構成される。ミラーはさらに、投射される光を、区分に対して本質的に垂直な方向に材料区分上へ反射させるよう構成される。１つ以上のレーザ光源が、区分内の不完全な部分をあらわにするために予め定められた角度で、区分上へレーザエネルギを投射するよう構成される。１つ以上のカメラが、ミラーの１つ以上の透明部分を介して区分を記録するよう構成される。

本明細書中の以下に与えられる詳細な説明から、この発明の応用範囲のさらなる領域が明らかになるであろう。詳細な説明および特定的な例は、本発明のさまざまな好ましい実施例を示しているが、例示を意図しているに過ぎず、本発明の範囲を限定することを意図するものではないことを理解されたい。

この発明は、詳細な説明および添付の図面からより完全に理解されるであろう。

実施例の詳細な説明
さまざまな実施例の以下の説明は例示的な性質のものに過ぎず、本発明、その応用例、または使用を限定することを意図するものでは全くない。

いくつかの実現例では、本発明は材料配置機によって置かれる材料を検査するシステムおよび方法に向けられる。配置機は、たとえば、マルチヘッドテープラミネーション機械（ＭＨＴＬＭ）、ファイバプレースメント（ＦＰ）機械、または輪郭テープラミネーション（ＣＴＬ）機械であり得る。本発明の実現例は多種多様な材料配置機およびプロセスに関連して実践され得ることに留意すべきである。

例示的な材料配置システムのブロック図を図１において参照番号２０によって全体的に示す。材料配置機２４を用いて基板３２上に複合材料２８を置き、複合構造を製造する。機械２４は、基板３２上に材料２８を置くための、３６の番号が付けられ、かつ配置機の種類に依存する、ローラ、圧縮シューおよび／または他の構成要素を含む。システム２０は、メモリおよび／または記憶装置４４を有するプロセッサ４０を含む。プロセッサ４０は機械２４と通信している。ユーザインターフェイス５０は、たとえば、ディスプレイ画面５４ならびにキーボードおよびマウスなどの入力装置（図示せず）を含むコンピュータモニタであり得る。ユーザインターフェイス５０はプロセッサ４０と通信している。

材料配置機、たとえば機械２４、によって置かれる材料を検査する方法の１つの実現例を図２において参照番号１００によって全体的に示す。ある幅の材料２８が機械２４によって基板３２上に新たに置かれる。材料に対して本質的に垂直な方向１２０で材料２８上へ光を導いて材料を照らす。具体的におよび一例として、光は光源１２４から反射面１２８上へ投射され、面１２８によって材料２８上へ反射されて、置かれた材料の区分１３２を照らす。方法１００はまた、区分１３２内の不完全な部分をあらわにするために予め定められた角度で、区分１３２上へレーザエネルギを投射するステップを含む。この実現例では、レーザ光源１４０は、レーザエネルギを１つ以上の線１４４として区分１３２上へ投射する。線またはストライプは、たとえば、材料２８の配置の軸１４８を横切るように投射される。異なるレーザパターンおよび／またはレーザ投射の向きが使用され得る他の実現例も考えられることに留意すべきである。

材料２８の上方の光源１２４は、材料２８の全幅を照らすよう構成され得る。レーザストライプ１４４は材料２８内の間隙および／または重なりをあらわにすることができる。また、ストライプは光源１２４からの照明を増強することができ、毛玉、樹脂球、および基材などのものをあらわにする助けとなり得る。

この方法はさまざまな方法でさまざまな配置機について実現可能である。また、および以下にさらに説明するように、この方法の実現例は検査材料のさまざまな幅に合わせて拡大縮小可能である。たとえば、実現例１００では単一の光源１２４および単一のレーザ光源１４０が用いられているが、他の実現例では複数の光源および／または複数のレーザ光源が用いられ得る。

材料配置機によって置かれる材料を検査するためのシステムの１つの例示的な実施例を図３〜図７において参照番号２００によって全体的に示す。システム２００は、配置機、たとえば機械２４（図１に示す）、への取付用に構成されるブラケット２０８を有するフレーム２０４を含む。検査材料の幅および配置機の構成に依存して、システム２００の他の実施例が材料配置機に対してさまざまな方法で構成され得ることに留意すべきである。この実施例を説明するため、機械２４の構成要素３６は圧縮ローラであると仮定する。フ
レーム２０４は、たとえば、新たに置かれる材料２８の上に突き出るように圧縮ローラ３６の上方および後方に取付けられるよう構成される。ミラー２１２が、たとえば４５度の角度でフレーム２０４内に装着される。ミラー２１２は少なくとも部分的に銀を被せられて１つ以上の反射部分を提供する。

複数の光源２１６が、たとえば、材料２８の配置の軸２２０に対して本質的に平行に光を投射するよう装着される。光源２１６からの光はミラー２１２に向けて投射され、ミラーの反射部分によって、材料に対して本質的に垂直な方向に材料２８上へ反射され得る。

フレーム２０４に装着される複数のレーザ光源２２４は、材料内の不完全な部分をあらわにするために予め定められた角度で、直接に材料２８上へレーザエネルギを投射するよう構成される。レーザ光源２２４は、たとえば、ニューハンプシャー州セーレムのStockerYale, Inc.によるLasaris（登録商標）SNF line lasersであり得る。

複数のカメラ２３０がフレーム２０４内でミラー２１２の上方に装着される。カメラ２３０は、ミラー２１２の１つ以上の透明部分２３４を介して、光源およびレーザ光源２１６および２２４によって照らされる材料２８の区分を画像化するよう構成される。カメラ２３０は、たとえば、カメラ２３０および／またはメモリ４４から画像を受取るプロセッサ４０によって作動され得る。プロセッサ４０は画像を処理して信頼性のある欠陥検出を促進し得る。

カメラ２３０は、たとえば、Ｓｏｎｙ ＸＣ−ＨＲ５０カメラであるが、他のカメラを使用してもよい。カメラ２３０は集合的に、新たに置かれる材料の全幅を画像化するのに十分広範な視界を有する。白黒画像を取得可能な市販のカメラを含む、広範囲のカメラを使用することができる。１つの実施例では，カメラ２３０は、画像センサおよびカメラの動作中に光が通過するレンズを有するテレビジョンまたは他の種類のビデオカメラである。赤外線高感度カメラ、赤外線通過ろ過作用付き可視光カメラ、光ファイバカメラ、同軸カメラ、電荷結合素子（ＣＣＤ）、または相補型金属酸化物半導体（ＣＭＯＳ）センサなどの、他の種類のカメラまたは画像センサを使用してもよい。

光源およびレーザ光源２１６および２２４は、新たに置かれる材料２８の全幅を照らすよう構成される。照明は、材料中の欠陥によって、欠陥が無い材料の部分とは異なるように反射される。照明におけるそのような違いは、カメラ２３０によって生成される画像内で捕捉され得る。フレーム２０４は，カメラ２３０による画像化の質を最適化するように光源およびカメラを遮蔽するよう構成され得る。さまざまなライティングおよび反射構成が可能であることに留意すべきである。たとえば，ハーフミラーを用いて、光源からの光をミラーによって材料上へ反射させ、カメラをミラーを介してではなくミラーを過ぎて方向づけるようにしてもよい。

この構成では，光源２１６は、面照明を生成する高輝度赤色ＬＥＤを含む。蛍光を含むがこれには限定されない他のまたは追加的な種類のライティングを使用してもよい。材料２８の表面照明の質および光度は、周囲光および材料の反射率によって影響され得る。したがって、１つの実施例では、赤外構成要素を有する１つ以上の赤外光源および／または光源を用いて暗い背景の暗い傷を照らしてもよい。他の実施例では，ストロボもしくはストロボ光源、希ガスアークランプ（たとえばキセノンアーク）、金属アークランプ（たとえば金属ハロゲン化物）ならびに／またはレーザ（たとえばパルスレーザ、固体レーザダイオードアレイおよび／もしくは赤外線ダイオードレーザアレイ）を使用してもよい。光源２１６の出力レベルおよび波長は、カメラ２３０の速度および感度、材料２８が置かれる速度、伝達損失、ならびに検査中の材料の反射率に少なくとも部分的に依存し得る。たとえば、他の実施例では、高反射性材料を検査するのに好適な波長および出力レベルが利
用され得る。

図３〜図７に示される構成では、２つの光源２１６、３つのレーザ光源２２４、および３つのカメラ２３０を使用する。各レーザ光源２２４およびカメラ２３０は、たとえば、約３〜４インチの材料幅をカバーすることができる。カバー範囲は、たとえば、レンズの種類、材料とカメラおよび／またはレーザ光源との間の距離、ならびに他の要因に依存して、上述の範囲より大きくても小さくてもよい。たとえば、検査材料の幅および配置システムの構成に依存して、異なる数の光源、レーザ光源および／またはカメラを含めて材料検査を促進することができる。システム２００はしたがって、異なる材料幅に対応するために拡大または縮小可能である。

機械２４の動作中、「複合構造内の欠陥を識別するためのシステム（Systems and Methods For Determining Defect Characteristics of a Composite Structure）」と題された付録Ａとして添付の米国特許出願番号１０／７２６，０９９に開示されているように、機械の運動をプロセッサ４０によって、たとえば、圧縮ローラ上のコードリングおよびフォトインタラプタを介して検出することができ、この開示内容はここに完全に援用されている。プロセッサ４０はこれによって機械２４が動作中であると判断する。プロセッサ４０は、機械２４の動きに基づいてカメラ２３０を作動させて適切な時期に画像を得る。具体的におよび一例として、機械２４が動いた距離を追跡することにより、プロセッサ４０はカメラ２３０を作動させ、基板３２上に新たに置かれて光源およびレーザ光源２１６および２２４によって現在照らされている材料の画像を得ることができる。プロセッサ４０は各画像を受取り、固有の番号をカメラ２３０からの画像データのフレームに割当て得る。プロセッサ４０は画像フレームをメモリ４４に記憶し、基板３２上に材料が置かれるとこれらを用いて機械２４の直線位置を追跡し得る。

プロセッサ４０は、フレーム内の画像データを処理して材料２８の画像化された区分内の欠陥を検出する。プロセッサ４０はまた、選択された欠陥を分析してユーザインターフェイス５０上に表示する。欠陥寸法、たとえば欠陥幅、は以下のように決定することができる。欠陥のデジタル画像を取得すると、欠陥の幅を表わす画素セットをデジタル画像から選択する。画素セット中の画素を数え、その数を距離と相関させて欠陥幅を決定する。

プロセッサ４０はカメラ２３０および／またはメモリ４４からの画像を受取って画像を処理して、信頼性のある欠陥検出を促進し得る。プロセッサ４０は、たとえば図８に示されるように、情報をユーザインターフェイスディスプレイ画面５４上に表示し得る。ウインドウ３００は、カメラ２３０によって画像化される材料２８の区分３０８の少なくとも一部を示すフレーム３０４を含む。たとえば、区分３０８の照らされる領域３１２がウインドウ３００中に示される。レーザ光源２２４によって生成されるレーザ線３２０も領域３１２の上方で目に見える。欠陥３２４を標識付けることができ、ウインドウ３００中に示される。レーザ線３２０が当った異物／破片（ＦＯＤ）３３０は、プロセッサ４０によって強調されてフレーム３００内で表示され得る。レーザストライプ３２０は光源２１６によって光を当てられた領域の「セカンドルック」増強を提供することができ、したがって毛玉、樹脂球、および基材などの欠陥をあらわにする助けとなり得る。しかしながら、レーザストライプ３２０はフレーム３００内の照らされる領域３１２の上方で材料２８に当たっているが、光源およびレーザ光源照明の他の配置も可能であることに留意すべきである。いくつかの実施例では、光源およびレーザ光源２１６および２２４からの照明をかなりの程度まで重なり合うよう、または代替的に図８に示されるよりも互いに離れて材料に当たるよう構成してもよい。

さまざまな実現例において、カメラ２３０からの画像をさまざまな方法でユーザインターフェイス５０上に表示できることが理解されるべきである。たとえば、２つ以上のカメ
ラ２３０からの画像を同時に、たとえば画面５４上のフレーム内で並んで、または異なるフレームで順次表示することができる。

フレーム３００は処理済または未処理のカメラ画像を含み得る。追加的にまたは代替的に、フレームは２値化された画像を含み得る。２値化の際、予め定められたしきい値よりも高いすべての階調を白に変更する一方で、しきい値を下回るすべての階調を黒に変更して欠陥のコントラストを高め、欠陥検出の精度を向上させることができる。他の実施例では、２値化動作を実行する必要はないがその代わりに原画像、原画像中の光レベルの変化率、および／または画像中の色変化を用いて欠陥を認識することができる。

上述のシステムおよび方法により、異なる材料幅にわたって照明および検査が改良される。本発明のさまざまな実施例により、低入射角側のライティングを用いて検査材料を照らす現在の検査システムで可能なよりも、より効果的により広帯の材料を検査することが可能となる。本発明の実現例によって提供される二軸上ライティングは材料幅全体にわたって一様な照明を提供し、異なる幅に合わせて拡大縮小可能である。

さまざまな好ましい実施例を説明したが、当業者であれば本発明の概念から逸脱することなくなされ得る修正または変更に気付くであろう。例は本発明を例示するものであり、限定することを意図するものではない。したがって、説明および特許請求の範囲は、関連の先行技術に鑑みて必要であるようにのみ限定されるものであり、自由に解釈されるべきである。

本発明の１つの実現例に係る材料配置システムのブロック図である。 本発明の１つの実現例に係る材料配置システムによって置かれる材料を検査する方法を図示するブロック図である。 本発明の１つの実現例に係る材料配置システムによって置かれる材料を検査するためのシステムの側面斜視図である。 本発明の１つの実現例に係る材料配置システムによって置かれる材料を検査するためのシステムの上面／側面斜視図である。 本発明の１つの実現例に係る材料配置システムによって置かれる材料を検査するためのシステムの底面／側面斜視図である。 本発明の１つの実現例に係る材料配置システムによって置かれる材料を検査するためのシステムの上面図である。 本発明の１つの実現例に係る材料配置システムによって置かれる材料を検査するためのシステムの底面図である。 本発明の１つの実現例に係るユーザインターフェイス画面上に表示されるフレーム内の照らされる材料およびその画像の区分を示す図である。

Claims (20)

1. 材料配置機によって置かれる材料を検査する方法であって、
   前記材料の区分を照らすために、前記材料に対して本質的に垂直な方向に前記材料上へ光を導くステップと、
   前記区分内の不完全な部分をあらわにするために予め定められた角度で、前記区分上へレーザエネルギを投射するステップとを備える方法。
2. 光を導くステップは、
   反射面に向けて前記光を投射するステップと、
   前記反射面を用いて、投射される前記光を前記材料上へ導くステップとを備える、請求項１に記載の方法。
3. 前記光は、前記材料が配置される軸に対して本質的に平行に投射される、請求項２に記載の方法。
4. １つ以上のカメラを用いて、照らされる前記区分を画像化するステップをさらに備える、請求項１に記載の方法。
5. レーザエネルギを投射するステップは、前記区分上へ１つ以上のレーザ線を投射するステップを備える、請求項１に記載の方法。
6. レーザエネルギを投射するステップは１つ以上のレーザ光源を用いるステップを備える、請求項１に記載の方法。
7. 前記導くステップおよび投射するステップを実行するための多数の光源および多数のレーザ光源を選択するステップをさらに備え、前記選択するステップは前記区分の幅に基づいて実行される、請求項１に記載の方法。
8. 材料配置機によって置かれる材料を検査するためのシステムであって、
   ミラーと、
   前記ミラー上へ光を投射するよう構成される１つ以上の光源とを備え、前記ミラーは、投射される前記光を、前記材料の区分に対して本質的に垂直な方向に前記区分上へ反射させるよう構成され、前記システムはさらに
   前記区分内の不完全な部分をあらわにするために予め定められた角度で、前記区分上へレーザエネルギを投射するよう構成される１つ以上のレーザ光源を備える、システム。
9. 前記区分が前記光源およびレーザ光源によって照らされている間に前記区分を画像化するよう構成される１つ以上のカメラをさらに備える、請求項８に記載のシステム。
10. 前記ミラーは、前記１つ以上のカメラがそれを介して前記区分を記録するよう構成される１つ以上の透明部分を備える、請求項９に記載のシステム。
11. 前記１つ以上のレーザ光源は前記区分上へ１つ以上のレーザストライプを投射する、請求項９に記載のシステム。
12. 前記１つ以上の光源は前記区分に対して本質的に平行に光を投射するよう構成される、請求項８に記載のシステム。
13. 前記区分の幅に基づいて構成される多数の光源および多数のレーザ光源を備える、請求
    項８に記載のシステム。
14. 前記１つ以上の光源およびレーザ光源は、前記材料の配置の軸に沿って光を投射するよう構成される、請求項８に記載のシステム。
15. 材料配置機によって置かれる材料を検査するためのシステムであって、
    置かれた前記材料の区分の上に懸架されたミラーを備え、前記ミラーは１つ以上の透明部分を有し、前記システムはさらに
    前記ミラーの１つ以上の反射部分上へ光を投射するよう構成される１つ以上の光源を備え、前記ミラーはさらに、投射される前記光を、前記区分に対して本質的に垂直な方向に前記材料の区分上へ反射させるよう構成され、前記システムはさらに
    前記区分内の不完全な部分をあらわにするために予め定められた角度で、前記区分上へレーザエネルギを投射するよう構成される１つ以上のレーザ光源と、
    前記ミラーの前記１つ以上の透明部分を介して前記区分を記録するよう構成される１つ以上のカメラとを備える、システム。
16. 前記１つ以上の光源は、前記材料の配置の軸に沿って光を投射するよう構成される、請求項１５に記載のシステム。
17. 前記１つ以上のレーザ光源は、前記材料の配置の軸に沿って光を投射するよう構成される、請求項１５に記載のシステム。
18. 前記１つ以上のレーザ光源は、前記区分上へ１つ以上のレーザ線を投射するよう構成される、請求項１５に記載のシステム。
19. 前記１つ以上のカメラは前記区分を画像化する、請求項１５に記載のシステム。
20. 前記区分の幅に従って拡大縮小可能な、請求項１５に記載のシステム。

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