JP4698140B2

JP4698140B2 - 複合構造内の欠陥を識別するためのシステム

Info

Publication number: JP4698140B2
Application number: JP2003382562A
Authority: JP
Inventors: ロジャー・ダブリュ・エンゲルバート; クレーグ・ウォルターズ
Original assignee: Boeing Co
Current assignee: Boeing Co
Priority date: 2003-11-12
Filing date: 2003-11-12
Publication date: 2011-06-08
Anticipated expiration: 2023-11-12
Also published as: JP2005147750A

Description

発明の背景
この発明は、一般に複合構造の製造に関し、特に、複合構造の製造中に欠陥を見つけるように適合されたシステムおよび方法に関する。

複合構造は、当該技術分野で長年にわたって知られている。複合構造は多くのさまざまな方法で形成することができるが、複合構造を形成するための１つの有利な技術は、繊維位置付けまたは自動照合プロセスである。従来の自動照合技術では、１つまたは複数の複合材料のリボン（複合トウとしても知られる）を基板の上に並べる。基板はツールまたは心棒であってもよいが、通常は、以前に並べられかつ圧縮された下にある複合構造の１つまたは複数の層から形成される。これに関して、従来の繊維位置付けプロセスは、熱源を使用して、局所的なニップ点における複合構造のプライの圧縮を支援する。詳細には、複合材料のリボンまたはトウ、および下にある基板は、ニップ点で加熱されてプライの樹脂の粘着性が向上される一方、圧縮力にさらされて基板へと確実に接着される。たとえば、複合材料のプライは、米国特許第５，０５８，４９７号に開示される規定の圧着ロール（compliant pressure roller）によって圧縮することができ、この特許をここに引用により援用する。この部分を完成させるため、複合材料の付加的な帯を並列に適用して層を形成し、圧密化プロセス中に局所的な熱および圧力にさらしてもよい。他の従来の繊維位置付けプロセスの方法は、米国特許第５，７００，３３７号に開示されており、この特許をここに引用により援用する。

繊維位置付けプロセスによって製造される複合ラミネートには、通常、トウの隙間、重なりおよびねじれがないかを調べるプライごとの目視検査が１００％行なわれる。通常、検査は、繊維位置付け機のオペレータまたは検査員によって手動で行なわれる。検査が完了するまで、機械を停止させ、材料を並べるプロセスを中断しなければならない。検査中、オペレータは異常の疑いがあればその大きさを検証し、所与の単位領域当たりの異常の数を定量化する。異常は必要に応じて修繕され、次のプライが並べられる。しかしながら、製造プロセスが検査プロセスによって減速され、不利である。

手動での加工物の検査の短所を克服するため、機械検査システムは、映像およびその他の画像を用いており、これらをコンピュータによって処理して、検査の対象に不規則性が存在するかを検出する。たとえば、米国特許第４，７６０，４４４号は、加工物のさまざまな部分の反射率を判定するための映像検査ステーションを有する機械目視検査装置を開示している。中央処理ユニットが反射率の値をデジタル化し、デジタル化された値を記憶装置に記憶する。コンピュータは、以前に記憶装置に記憶された基準の画像も含み、これは反射率の値に対する基準としての役割を果たす。このため、コンピュータは、基準の画像をデジタル化された反射率の値と比較して異常を見つけることができる。しかしながら、このシステムが加工物を検査するときに設ける基準点は１つのみで、これはオペレータによって変更することができない。

別の検査システムが米国特許第４，０６４，５３４号に開示されており、これは、加工物の画像の輪郭を基準の画像と電子的に比較して、検査されている品物または測定されている品物を拒否または受容することができるテレビカメラおよび論理回路について記載している。具体的には、加工物の映像画像がカメラによって捕捉され、デジタル形式に変換されて記憶装置に記録される。記録された画像は、予め記憶装置にロードされた基準の画像と比較される。これら画像の差に基づいて、プロセッサは、加工物が合格かまたは不
合格かを判定する。しかしながら、このシステムも、基準の測定値がコンピュータに予めロードされかつその後はオペレータによって制御することはできないことを必要とする。

さらに別の従来の検査システムはレーザを用い、これを加工物にあてて、レーザの反射能が変化する加工物上の場所を識別する。たとえば、隙間またはその他の不整合性は、表面の反射能を変化させる。反射能の変化はコンピュータによって解釈され、欠陥が識別される。

しかしながら、これらシステムの各々は、周囲の照明またはレーザに基づくスキャンシステムによって引起される照返しもしくはその他の問題のため、誤った読取値を獲得しやすい。詳細には、これらシステムは、加工物の外形をつけられた区域／湾曲した区域の欠陥を正確に識別することができない。これに関し、従来の機械に基づく検査システムには、加工物のすべての領域にある欠陥を見つけるのに必要な強いコントラストを与え、かつ周囲の照明および材料の反射能が欠陥の識別を妨害するのを防ぐための好適な照明が欠落している。好適な照明の欠落は、外形をつけられた表面／湾曲した表面を検査する際に特に問題となる。なぜなら、光源から離れるように外形をつけられた表面／湾曲している表面の部分は、適切に照らすことができないため、外形をつけられた表面／湾曲した表面の欠陥の識別は不可能だからである。この検査プロセスは、炭素材料の検査中、黒い背景にある黒い欠陥の出現によってさらに複雑になる。さらに、従来の機械に基づく検査システムでは、欠陥または観察領域の定義を制御された形で容易に変更することができない。代わりに、従来の機械に基づく検査システムでは、通常、欠陥の定義が予め定められ、観察領域のサイズも予め定められており、これは検査プロセス中に望ましくない。
米国特許第５，０５８，４９７号米国特許第５，７００，３３７号米国特許第４，７６０，４４４号米国特許第４，０６４，５３４号

発明の概要
この発明の複合構造内の欠陥を識別するためのシステムは、加工物の表面をより適切に照らすことによって、加工物のすべての領域の欠陥を識別することができ、加工物の外形をつけられた区域／湾曲した区域でも欠陥を識別することができる。これに関して、このシステムは、十分な光を与えかつその光を加工物の十分に大きな領域にわたって分散させて、光から離れる方を向いている外形をつけられた表面／湾曲した表面を含む加工物の表面のすべてを適切に照らして、欠陥がないかを完全に検査できるようにする。さらに、この発明のシステムは、観察領域を制御された形で変更し、複合構造をできるだけ近くで観察することができるため、このシステムは加工物内の欠陥を正確に識別する。したがって、この発明は、正確な識別を行なうことができない領域を別の方法で手動の検査を行なうのに必要な時間、労力および費用を省く。

この発明による複合構造の製造中に複合構造内の欠陥を識別するためのシステムの一実施例は、光源、反射面およびカメラを含む。光源は、複合構造に対して位置付けられ、複合構造を照らす。光源によって生成される光は、複合構造内の欠陥から、構造の欠陥のない部分とは違って反射される。光源はハロゲンライトであってもよい。さらに、光源は、複合構造に対して可動であってもよく、複合構造を十分に照らすために、複合構造に対して異なるそれぞれの位置に複数の光源があってもよい。反射面は、複合構造の近くにあり、複合構造の照らされた部分の方に向けられる。反射面は鏡であってもよい。さらに、複合構造の照らされた領域の映像を協働してカメラに向けるために複数の反射面があってもよい。

カメラは、反射面の方に向けられ、複合構造の照らされた部分の反射された画像を受取る。したがって、カメラは、反射面より複合構造の照らされた部分から遠くに位置付けられてもよく、このため、カメラを複合構造の近くに位置付けられない場合でも、複合構造の画像を捕捉することができる。カメラは、赤外線感知カメラまたは赤外線を通過させるフィルタ機能を備えた可視光線カメラであってもよく、複合構造に対して可動であってもよい。さらに、最適な位置から複合構造を観察するため、複合構造に対して異なるそれぞれの位置に複数のカメラがあってもよい。

この発明の別の実施例は、上述の光源およびカメラ、ならびに分散要素を含む。分散要素は光源の近くにあり、光源によって生成された光を複合構造にわたって散乱させ、複合構造を均一に照らす。分散要素は、複合構造にわたって均一に光を散乱させるために、段付形状を有してもよい。分散要素は、段付形状を備えた放物形などであって、光源に向かって少なくとも部分的に湾曲していてもよい。さらに、分散要素は、散乱された光を複合構造の予め定められた部分に向け、そこからカメラが画像を受取るように、調整可能であってもよい。

この発明のさらなる実施例は、上述のように光源およびカメラを含み、光源またはカメラ、もしくは両方が複合構造に対して可動である。このため、光源および／またはカメラは、異なる形状の複合構造に対して適切に位置付けし直すことができる。

複合構造は、自動照合プロセスによって並べられる複数の複合帯から作られてもよく、自動照合プロセスでは、複合帯がヘッドユニットによって提供され、圧縮ロールによって下にある複合構造に対して圧縮される。この構成では、反射面および光源は、圧縮ロールの近くにある。一部の実施例では、反射面および光源をヘッドユニットに取付けてもよい。分散要素を含む実施例では、分散要素および光源をヘッドユニットに取付けてもよい。

この発明のシステムは、欠陥が識別されたときに複合構造に印を付けるためのマーキング装置も含み得る。さらに、画像を処理しかつ画像に基づいて欠陥を識別する応答を出力するためのプロセッサもこのシステムに含んでもよい。

光源およびカメラの構成の結果として、この発明のシステムは、欠陥が加工物のどこにあるかにかかわらず、複合構造を観察し、複合構造内の欠陥を識別することができる。この発明のシステムで分散要素および／または反射面を使用することによって、付加的な照らす能力および観察能力が得られ、これによって加工物内の欠陥を、たとえ従来のシステムが到達することのできない構造の領域内の欠陥でも正確に識別することができる。

この発明の一般的な説明が終わったので、添付の図面を参照する。これら図面は必ずしも同じ縮尺で書かれていない。

発明の詳細な説明
この発明の好ましい実施例が示される添付の図面を参照して、この発明をさらに十分に説明する。しかしながら、この発明は多くの異なる形で実現可能であり、ここに示される実施例に限定されると理解されるべきではない。そうではなく、これらの実施例は、この開示が十分かつ完全に理解され、当業者にこの発明の範囲を十分に伝えるために与えられるものである。全体を通して、同様の参照番号は同様の要素を示す。

この発明による複合構造内の欠陥を識別するためのシステムの実施例が、一般的に図１および図２に参照番号１０で示される。図１に示されるように、システム１０は複合構造
２２に隣接して位置付けられ、これは一般に複合テープの複数の隣接するトウまたは帯２４を含む。通常、帯２４は、熱を加えると粘着性または流動的になる樹脂または他の材料に埋込まれた複数の繊維を含む。当該技術分野で知られている自動照合技術によると、帯２４は、テーブル、心棒またはその他のツール２６などの作業面に配置され、圧縮ロール２０を用いて圧縮され、複合構造２２を形成する。たとえば、「熱可塑性複合材料ジャーナル（Journal of Thermmoplastic Composite Materials」（１９９５年１月）に発表されたリチャード・シャープ（Richard Sharp）らによる「熱可塑性繊維位置付けのための材料の選択／製造の課題（Material Selection/Fabrication Issues for Thermal Plastic Fiber Placement）」と題される記事は、１つの従来の繊維位置付けプロセスを論じており、これを引用により援用する。さらに、２００２年２月６日に出願された「複合材料の高速照合のための複合材料照合機および関連する方法（Composite Material Collation
Machine and Associated Method for High Rate Collation of Composite Materials）」と題される米国特許出願第１０／０６８，７３５号は、別の繊維位置付けプロセスを論じており、この出願をここに引用により援用する。

一般に、システム１０は、カメラ１２および光源１４を含む。カメラ１２および光源１４は、複合構造の欠陥のない部分から反射される光と複合構造の欠陥から反射されない光とが、またはその逆が、カメラ１２によって捕捉することのできる可視画像を作るように、複合構造２２に隣接して位置付けられる。さらに詳しく後述するように、カメラ１２は、画像を解釈するためのプロセッサ、または画像を記憶するための記憶装置、もしくはその両方に接続される。製造中に複合構造内の欠陥を識別するためのシステムおよび方法に関する詳細は、２００１年３月２８日に出願された「複合構造の欠陥を識別するためのシステムおよび方法（System and Method for Identifying defects in a Composite Structure）」と題される米国特許出願第０９／８１９９２２号に含まれ、この出願をここに引用により援用する。

図１に示すように、カメラ１２は、複合構造の予め定められた部分の画像、通常は、複合トウが下にある構造と接合されるニップ点のすぐ下流の画像を捕捉するように、複合構造２２の近くに位置付けられる。またはこれに代えて、図２に示すように、反射面１６が、複合トウが下にある構造に接合されるニップ点のすぐ下流の部分の画像、すなわち、圧縮ロール２０のすぐ下流の画像などの複合構造の予め定められた部分の画像を反射するように、反射面１６を複合構造（図２には図示せず）の近くに位置付け、角度を付けてもよい。この発明の一実施例では、複合構造に対する反射面１６の角度は６５°であるが、反射面１６は、複合構造の照らされた部分の画像をカメラ１２に反射するために適切な角度であれば、どのような角度に位置付けてもよい。カメラ１２は、反射面１６から複合構造の予め定められた部分の近距離からの画像を捕捉するために、反射面１６の方に向くように位置付けてもよい。この発明のさらなる実施例では、２つ以上の反射面１６を用いてもよい。反射面１６は、複合構造の照らされた部分の画像をカメラ１２に向けるように協働する。

湾曲した表面／外形をつけられた表面を有する複合構造では、複合構造の正確な表現を入手して処理するために、ニップ点にできるだけ近い位置から複合構造の画像が捕捉されると有利である。したがって、図２に示される構成は、複合構造の湾曲した表面／外形をつけられた表面の画像を捕捉するのに特に有利である。なぜなら、反射面１６は、カメラ１２が捕捉するように、複合構造にできるだけ近い位置から複合構造の画像を反射するためである。さらに、この構成によって、カメラ１２を反射面１６より複合構造から遠くに置くことができるため、カメラ１２は繊維位置付け装置の他の部分の機能を妨げることがなく、またその逆もない。

カメラ１２は、白黒画像を撮ることのできる市販のカメラであり得る。たとえば、一実
施例では、カメラ１２は、カメラが動作しているときに光が通りぬける画像センサ（図示せず）およびレンズ１３を有するテレビタイプまたは他のタイプのビデオカメラである。赤外線感知カメラ、赤外線を通過させるフィルタ機能を備えた可視光線カメラ、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膜センサ（ＣＭＯＳ）などの、他のタイプのカメラまたは画像センサも使用可能である。カメラ１２は、複合構造２２に隣接してスタンド（図示せず）に位置付けてもよいし、またはフレーム２８もしくは類似の装置に取付けてもよい。この発明の反射面を含まない実施例では、カメラ１２を複合構造の表面から約６インチのところに位置付け、ブラケット３０および関連するコネクタ３２によってフレーム２８に取付けてもよい。しかしながら、この発明の反射面を含む実施例では、反射面１６を複合構造２２の表面から約３インチのところに位置付け、カメラ１２を反射面１６の方に向けて、上述のように、複合構造からさらに遠くに位置付けてもよい。この発明のさらなる実施例では、複合構造の表面のできるだけ正確な画像をカメラ１２に向けて反射するように、反射面１６を、１インチから６インチなど、複合構造２２の表面から別の距離に位置付けてもよい。

コネクタ３２は、カメラ１２を静止位置でフレーム２８へと取付けるリベット、ねじ等であってもよい。またはこれに代えて、コネクタ３２は、カメラ１２、光源１４および関連するアセンブリを複合構造２２から離れるように回転させるヒンジ型のコネクタであってもよい。この実施例は、繊維位置付け装置の他の部分、特に、カメラおよび関連するアセンブリの後ろに位置する部分に保守、掃除等のためにアクセスしなければならない場合に有利である。図２は、カメラ１２、反射面１６、光源１４および関連するアセンブリ（すなわち、カメラアセンブリ）をブラケット３０によってフレーム２８に取付けるヒンジ型コネクタ３２の代替の実施例である。留め具３４は、比較的容易に取外しまたは緩めることのできる蝶ねじまたはその他の留め具であってもよく、カメラアセンブリを動作位置に固定するために締付けることができ、カメラアセンブリを圧縮ロール２０および繊維位置付け装置の他の部分から離れるように回転させるように、取外しまたは緩めることができる。

さらに、ある特定の態様で光をフィルタリングするために、フィルタ１５をレンズ１３に位置付けてもよい。具体的には、一実施例によると、フィルタ１５は光をフィルタリングするように設計されおり、光の赤外成分のみまたはある赤外線波長のみがカメラを通過できる。したがって、フィルタ１５は、周囲の可視光線がカメラ１２に入って捕捉された画像の外見を変えるのを防止する。同じ結果を達成するために、光をフィルタリングする他の方法を使用してもよい。たとえば、相当する光学特性の内蔵フィルタを含むようにカメラを設計してもよい。さらに、フィルタをカメラレンズ１３と画像センサとの間に位置付けてもよい。またはこれに代えて、カメラは、赤外線スペクトルでのみ感知する画像センサ（すなわち、赤外線カメラ）を含んでもよく、こうすればフィルタリングする必要はない。

システム１０は、複合構造上または複合構造内の欠陥３６をカメラ１２によって検出することのできるように複合構造２２を照らす、独自の光源１４も含む。後述するように、図２の実施例のカメラ１２または反射面１６が向けられている複合構造２２の部分が、光源１４から十分な量の照明を受取り、いくつかの実施例では、最大の量の照明を受取って欠陥３６を強調するように、光源１４を複合構造２２に対して位置付けてもよい。さらに、システム１０は２つ以上の光源を含んでよい。さらに、システム１０は、２つ以上の光源を含んでもよい。たとえば、図２の実施例は、複合構造に対して位置付けられた２つの光源、および反射面１６のどちらかの側の圧縮ロール２０ならびにカメラ１２を含む。

上述のように、光源は、取付装置２７に取付けるかまたは装着することによって、複合構造に対して調整可能に位置付けられ、取付装置２７は、図１に示されるように、光源の
位置を正確かつすばやく調整するために、主軸２９、第２の軸３１、および締付けクランプ３３を含む。取付装置２７は、光源およびカメラが互いに一定の空間的な関係を維持するように、フレーム２８、カメラ１２、ブラケット３０に装着してもよいし、または、光源およびカメラの両方のための共通の位置を規定するその他の対象に装着してもよい。

従来の機械観察システムにおける共通の問題は、効果的に照らすことができず、このため、暗い背景にある傷などの特定の欠陥を検出することができないことである。特に、複合構造の表面を照らす質および程度は、周囲の照明および材料の反射能によって大きく影響される。暗い背景にある暗い傷を効果的に照らすために、この発明の一実施例のシステムは赤外線光源を用いるので有利である。これに関し、光源１４は、赤外線光、または白熱光もしくはハロゲン光などの赤外線成分を有する別の種類の光から選択してもよい。これに関し、約７００ｎｍ〜１０００ｎｍの波長の範囲の約５Ｗから２５Ｗの範囲の出力レベルで十分である。図１に示される実施例では、光源１４は発光ダイオード（ＬＥＤ）を含んでもよく、具体的には、アレイまたはクラスタ編成に配置された複数のＬＥＤを含んでもよい。１つの具体的な実施例では、光源１４は３インチ四方のプリント回路基板にアレイとして取付けられた２４のＬＥＤを含む。赤外線照明の結果として、ＬＥＤアレイは、従来のシステムよりも、複合構造と欠陥３６とのコントラストを高める。別の実施例では、光源１４は、遠隔の源（図示せず）から光ファイバ源のアレイへと光学的に送られた光を放出する白熱光ファイバを含む。

図２に示される実施例では、分散要素１８は光源１４の近くにある。分散要素１８は、光源１４から放出される光を分解し、散乱させて、光源１４の最も明るい部分によって作られる光の集中する領域（すなわち、ホットスポット）が排除されるようにする。ホットスポットは、複合構造を一貫して照らすことを妨げ、カメラ１４によって捕捉された画像の処理でエラーを引起し得るため、望ましくない。分散要素１８は、複合構造の湾曲した表面／外形をつけられた表面を照らすのに特に有利である。なぜなら、光を散乱させることによって、複合構造のより大きな部分が照らされるためである。このため、光源１４から離れる方に湾曲した部分／外形をつけられた部分などの、従来のシステムでは効果的に照らされなかった領域がより多くの光によって照らされる。

図３は、図２に示される実施例による光源１４および分散要素１８の拡大図である。この実施例の光源１４は、４つのハロゲン電球３８からなる。分散要素１８は、光源１４の近くにあり、光源１４によって放出された光をカメラ１２または反射面１６が向けられている複合構造の部分の方へ向けるように位置付けられており、有利である。分散要素１８は、図３に示される放物形のように、光源１４に向かって湾曲していてもよい。分散要素は、光源４０に面する表面に段４０を有してもよい。段４０は、光源１４に対して実質的に平行であってよく、ステップ４０間の距離は、分散要素１８で起こりやすいホットスポットを分解して、分散要素１８が複合構造の一貫した照明を実現するのに十分であるように選択することができ、これによって、複合構造が一貫性なく照らされることによって起こる、カメラ１４によって捕捉された画像の処理でのエラーを防止する。またはこれに代えて、分散要素１８の形状および／または表面の構成は、一貫した照明が得られ、光源１４によって生成された光が複合構造の所望の部分わたって散乱されるのであれば、どのように変更してもよい。

たとえば、一実施例では、分散要素は、１７の段を備えた放物形を有し、段の幅は、要素の外端での０．１２５インチから要素の中心での０．２５０インチまでの範囲で、段の高さは０．１１６インチ均一である。しかしながら、他の実施例では、異なる数の段があってもよく、段の幅は均一でも変化してもよく、段の高さも均一でも変化してもよい。さらに、分散要素１８は、光源１４によって生成されかつ分散要素１８によって散乱させられる光を複合構造の所望の部分に向けるように調整可能であってもよい。たとえば、図３
に示されるように、分散要素１８を留め具４２を用いて取付装置２７へと調整可能に取付けてもよい。緩められた留め具４２は、スロット４４内を動いて、複合構造に対する分散要素１８の角度を相応に調整することができる。一旦、分散要素が適切に位置付けられると、留め具４２を締付けて分散要素を所望の位置に固定することができる。分散要素１８の調整は、分散要素１８の遠隔での調整を可能にする電気手段など、当該技術分野で知られている他の方法によっても可能である。

複合構造２２は、帯２４の位置付けの方向に交差して照らされるときに強い照返しを生じ、帯の位置付けの方向に沿って照らされると実質的に照返しが減ることがわかっている。従来のシステムは照返しを排除しようとしていたが、この発明の実施例の少なくとも一部のシステムおよび方法は、照返しを利用しようとしている。詳細には、これら実施例のシステムおよび方法は、帯の位置付けの方向に対して実質的に垂直の方向に複合帯の最上部の層にわたって光を投じて、比較的大量の照返しを最上部層に生じさせることによって、高照返し／低照返し現象を利用する。下にある層は、その方向付けのため、最上部層より照返しはかなり弱いが、最上部層に隙間または他の欠陥があるとそこから姿が見え、容易に見つけることができる。さらに、最上部層のねじれおよび他の表面の欠陥は、最上部層の帯の方向付けを変え、相応に最上部層の欠陥の場所の照返しを変え、すなわち、最上部層の欠陥の場所の照返しを減少させる。

さらに、高照返し／低照返し現象は、可視光線または赤外線光線で照らされたときに起こるが、システム１０の一実施例で使用されるフィルタ１５は、周囲の光によって引起された照返しを実質的に取除くため、赤外線の光源によって引起された照返しのみが欠陥３６を見つけるのに使用される。したがって、フィルタ１５は、複合構造に欠陥がないかを調べているときに周囲の光の干渉を取除く。

ここに記載される複合構造内の欠陥を識別するためのシステムのどの実施例でも、１つまたは複数のカメラ１２、および／または分散要素１８を備えるかまたは備えない１つまたは複数の光源１４（以降は、まとめて光源と称する）があり得る。さらに、１つまたは複数のカメラ１２および／または１つまたは複数の光源は、複合構造に対して可動であってもよい。複数のカメラ１２および／または複数の光源、ならびにカメラ１２および／または光源の可動性によって、複合構造の最も正確な画像を捕捉するための柔軟性がシステム１０に与えられる。複数および／または可動の光源によって、複合構造の形状にかかわりなく、複合構造の所望の部分を一貫してかつ十分に照らすことができる。同様に、複数のおよび／または可動のカメラ１２によって、複合構造の形状にかかわりなく、複合構造のどの領域でも正確な画像を捕捉することができる。このため、複合構造の湾曲した部分／外形をつけられた部分を照らし、その画像を捕捉するときに、複数および／または可動の光源および／またはカメラは特に有利である。複数および／または可動の光源および／またはカメラは、帯全体を照らすのが難しく、および／またはその画像を捕捉するのが難しい幅を有する複合帯を照らし、その画像を捕捉するのにも有利であり、光源および／またはカメラの位置を帯全体にわたって動かしてもよいし、および／または複数の静止した光源および／またはカメラを帯全体を覆うように位置付けてもよい。

図４および図５に示されるように、システム１０は、可動および／または静止したカメラならびに可動または静止した光源のどのような組合せを含んでもよい。さらなる実施例では、反射面１６は可動であってもよいし、および／または静止していてもよい。図４は、代替のカメラの位置４６、４８での可動のカメラ１２を示す。この実施例は、静止した光源５０および可動の光源５２も示す。可動の光源５２は、複合構造５６の湾曲し外形をつけられた部分を十分に照らすために、代替の位置５４に動くことができる。図５は、十分に照らし、かつ湾曲した表面／外形をつけられた表面６０の正確な表現を捕捉するために、２つの可動のカメラ１２および２つの静止した光源５８を含む実施例を示す。または
これに代えて、カメラ１２のうちの１つまたは両方が静止していてもよいし、および／または光源５８のうちの１つまたは両方が可動であってもよい。カメラおよび／または光源および／または反射面の動きは、当該技術分野で知られている手段５５によって可能となり得る。たとえば、電気サーボまたは空気サーボをカメラおよび／または光源に取付けて、動きを制御してもよい。電気サーボまたは空気サーボの例は、Pacific Scientificから市販されているＰＭＡシリーズサーボシステム、Baldor Electric Companyから市販されているＢＭＳＮ−シリーズサーボシステム、およびParker Hannifin Corporationの１部門であるCompumotorから市販されているNeometricおよびＪ−シリーズサーボシステムがある。

ここに記載されるどの実施例のシステム１０も、図１に示されるように、複合構造２２の欠陥３６の場所を示すためにマーキング装置６２を含み得る。マーキング装置６２は、一実施例ではインクジェットマーキングシステムであり、フレーム２８に装着してもよく、オペレータに報告すべき欠陥３６が検出されたときにプロセッサ６４または類似の装置によって作動される。詳細には、マーキング装置６２は、修繕および処置のためにすばやくアクセスできるように、複合構造２２の表面の欠陥の場所に見えやすい色の融和性のインクを噴霧して小さなしみを作る。音声的または視覚的な警告等の他のマーキング方法も使用可能である。

自動照合プロセスは、材料クリール（図示せず）から自動照合または繊維位置付け機へと複合帯２４を案内するステップを含み、これは当該技術分野で公知である。たとえば、そのような機械は、Cincinnati - Milacron およびIngersoll Milling Machinesによって製造されている。詳細には、複合帯２４は、ヘッドユニットへと案内され、圧縮ロール２０の下に供給される。入来する材料、および２つの材料を接着するように以前に並べられた下にある材料に集中させられた熱エネルギが加えられる。圧力と熱との組合せによって、複合帯２４は以前の層に一体化され、複合構造２２の付加的な層を形成する。残念ながら、複合帯２４を下にある複合構造２２に位置付ける間に欠陥３６が時々起こり得る。たとえば、繊維の位置付けの場合、隣接する複合帯の間に隙間が形成されるか、位置付け中に複合帯にねじれが生じ得る。

この発明の一実施例によると、ヘッドユニットが複合構造２２にわたって動かされ、複合帯２４が並べられる際、カメラ１２および／または反射面１６は、光源１４および分散要素１８とともにヘッドユニットに取付けてもよく、連続して構造および帯の画像を捕捉する。複合構造２２が平坦でない場合、上述のように、検査点はニップ点にできるだけ近くなければならない。複合構造２２が平坦である場合、検査点は位置付けヘッドユニットからさらに遠くにあってもよい。詳しく後述するように、画像を記憶装置６６に記憶して後に分析してもよいし、および／またはプロセッサ６４によってすぐ処理してもよい。

図６は、未処理のカメラの画像６８の例を示し、これは、黒から複数の中間調を経由して白に至るある範囲の複数の画素を含む。具体的には、未処理のカメラの画像６８は、複合帯２４間の隙間などの潜在的な欠陥と欠陥のない複合構造の残りの部分とのコントラストを示す。図６に示されるように、潜在的な欠陥は黒または灰色の領域７０として示され、複合構造２２の残りの部分は実質的に白７２のままである。しかしながら、潜在的な欠陥は、後述するように、受容可能であるかまたは受容不可能かを判定するために、さらに処理する必要がある。さらに、干渉を最低限に抑えるため、カメラの画像の予め定められた領域のみが検査される。

プロセッサ６４は、カメラ１２から、または画像が最初に記憶されている記憶装置６６から画像６８を受取る。プロセッサ６４および記憶装置６６は、ＩＢＭスタイルのＰＣまたはＡｐｐｌｅベースのＭＡＣなどの従来のコンピュータの構成要素であり得る。プロセ
ッサ６４は、信頼のおける欠陥の検出を容易にするために画像を操作する。

図７はカメラの画像７４を示し、これは、プロセッサ６４による二値化の後の図６に示されるのと同じ画像である。詳細には、ある予め定められたしきい値を上回る中間調はすべて白に変えられ、しきい値を下回る中間調はすべて黒に変えられて、欠陥３６のコントラストを強め、検出の精度を向上する。有利には、システムはプロセッサ６４と通信するユーザインターフェイス７６も含む。プロセッサ６４によって駆動されるタッチスクリーン表示装置などのユーザインターフェイス７６は、二値化のしきい値を調整するためのユーザ制御７８を設ける。一般に、二値化のしきい値の設定には、欠陥を検出する精度と欠陥を表示するための解像度との間のトレードオフが伴う。しかしながら、通常、二値化のしきい値は、０から２５５の段階で、約１５０に設定される。インターフェイス７６は後述するように他の制御を設けてもよい。

図８は、この発明のシステム１０によるユーザインターフェイス７６の一部分の一実施例を示す。ユーザインターフェイス７６は、ウィンドウズ（Ｒ）９８、ウィンドウズ（Ｒ）／ＮＴ、ウィンドウズ（Ｒ）２０００、ウィンドウズ（Ｒ）ＣＥ、Ｌｉｎｕｘ、Ｕｎｉｘ（Ｒ）およびそれに相当するものなどの多くのソフトウェアアプリケーションから作動することができる。ユーザインターフェイス７６は、コンピュータのモニタにあるような表示スクリーン８０も含み、さらに、オペレータがカーソルを表示スクリーン８０で動かし、二値化のしきい値、検査領域、および検出された欠陥３６の±０．０３インチなどの許容される欠陥の最大の幅の受容可能な公差などを入力できるように、キーボードおよびマウス（図示せず）を含んでもよい。表示スクリーン８０は、表示スクリーンの区域を手動で押すことによってオペレータが所望の設定を入力できるようなタッチセンシティブであってもよい。図８に示されるように、複合構造２２の画像は、未処理のカメラの画像６８または二値化されたカメラの画像７４であり得るが、オペレータが観察するために表示される。複合構造２２の表示された画像に加え、表示スクリーン８０は欠陥の表８２を含み、これは発見された欠陥３６を列挙し、場所、サイズ等の各欠陥についての情報を提供する。表示スクリーン８０は状態指示部８４も含んでもよく、これは上述の公差などの予め定められた基準に基づいてある特定の画像領域が受容可能であるか否かを表示する。

図９は、上述のように２つのカメラ１２が複合構造の画像を捕捉しているときのこの発明のシステム１０によるユーザインターフェイス７６の別の部分を示す。ユーザインターフェイス７６のこの実施例では、表示スクリーン８０と類似の表示スクリーン８６が含まれる。図９に示されるように、複合構造２２の画像は、未処理のカメラの画像６８または二値化されたカメラの画像７４であり得るが、これはオペレータが観察するために表示され、カメラの画像８８および９０によって示される。複合構造２２の表示された画像に加え、表示スクリーン８６は欠陥の表８２も含み、これは各カメラ画像について発見された欠陥３６を列挙し、場所、サイズ等の各欠陥についての情報を提供する。表示スクリーン８６は状態表示部８４も含み、これは、上述の公差などの予め定められた基準に基づいて画像領域が受容可能であるか否かを表示する。またはこれに代えて、２つのカメラ１２の画像を表示するため、図８に示される２つのユーザインターフェイスにリンクを設けて使用し、各インターフェイスが１つのカメラからの画像を表示し、他方のカメラからの画像を表示するユーザインターフェイスへのリンクを呈示してもよい。さらに、複数のカメラ１２の画像を表示するために、図８および／または図９に示される複数のユーザインターフェイスにリンクを設けて使用し、１つまたは複数のカメラからの画像を表示し、他方のカメラからの画像を表示するユーザインターフェイスへのリンクを呈示するようにしてもよい。

したがって、この発明は、暗い背景にある暗い欠陥または明るい背景にある明るい欠陥などの従来のシステムでは検出されないことが多かった欠陥を識別できるように赤外線成
分を有する光源１４を設けることによって、複合構造２２内の欠陥３６を識別するための改良されたシステム１０を提供する。詳細には、複合構造内の欠陥３６を識別するための改良されたシステム１０の有利な実施例は、湾曲した領域または外形をつけられた領域であっても、複合構造のどの領域でも最も正確な画像を確実に捕捉しかつ処理するために、反射面１６、分散要素１８ならびに複数および／または可動の光源および／またはカメラを設ける。結果として、この発明のシステム１０によって、オペレータは、複合構造２２の完全性に影響し得る構造的な傷または不整合性をさもなければ生じさせる欠陥３６をすばやく識別し、修正することができる。このため、浪費される材料が減り、検査に費やされる労力が減り、製造プロセス中の機械の停止時間も減る。したがって、平均して複合構造のコストが低減される。

上述の説明および関連の図面で示される教示の恩恵を有するこの発明の属する技術分野の当業者には、多くの変形および他の実施例が思い浮かぶだろう。したがって、この発明は開示された特定の実施例に限定されるものではなく、変形および他の実施例が請求の範囲に含まれると意図されることを理解されたい。ここでは具体的な言葉を用いたが、それらは一般的かつ説明的な意味で使用されたのであって、限定のために使用されたものではない。

この発明の一実施例による製造中に複合構造内の欠陥を識別するためのシステムの概略図である。この発明による製造中に複合構造内の欠陥を識別するためのシステムの代替の実施例の図である。図２に示される複合構造内の欠陥を識別するためのシステムの一実施例による光源の詳細図である。可動のカメラおよび静止した光源ならびに可動の光源を含む、この発明による複合構造内の欠陥を識別するためのシステムの代替の実施例の図である。２つの可動のカメラおよび静止した光源を含む、この発明による複合構造内の欠陥を識別するためのシステムの代替の実施例の図である。この発明の一実施例による複合構造内の欠陥を識別するためのコンピュータの読取値のグラフである。図６のグラフの二値化された画像のグラフである。この発明の一実施例によるコンピュータ表示装置および選択されたユーザ制御の図である。２つのカメラの画像を含むこの発明の代替の実施例によるコンピュータ表示装置および選択されたユーザ制御の図である。

符号の説明

１０システム、１２カメラ、１４光源、１６反射面、１８分散要素、２２複合構造。

Claims

製造中に複合構造内の欠陥を識別するためのシステムであって、
前記複合構造を照らすために前記複合構造に対して位置付けられた光源を含み、前記光源によって生成された光は、前記複合構造内の欠陥によって、前記複合構造の欠陥のない部分とは異なって反射され、前記システムはさらに、
前記光源によって生成された光を前記複合構造にわたって散乱させるための前記光源に隣接する分散要素であって、前記複合構造にわたって光をより均一に散乱させるために段付の構造を有する反射面を含む分散要素と、
前記複合構造に隣接しかつ前記複合構造の照らされた部分の方に向けられた反射面と、
前記反射面から画像が反射された後に、前記複合構造の照らされた部分の前記画像を受取るために前記反射面の方に向けられたカメラとを含み、
前記複合構造は複数の複合帯を含み、帯の位置づけの方向に対して実質的に垂直の方向に複合帯の最上部の層にわたって前記光を投じて、比較的大量の照り返しを最上部層に生じさせることによって、高い繰り返しと低い繰り返し現象とを利用する、複合構造内の欠陥を識別するためのシステム。
前記カメラは、前記反射面よりも前記複合構造の照らされた部分から遠くに位置付けられる、請求項１に記載の複合構造内の欠陥を識別するためのシステム。
前記反射面は鏡である、請求項１に記載の複合構造内の欠陥を識別するためのシステム。
前記反射面は、前記画像を前記カメラに向けるために協働する複数の反射面を含む、請求項１に記載の複合構造内の欠陥を識別するためのシステム。
前記カメラは、赤外線感知カメラである、請求項１に記載の複合構造内の欠陥を識別するためのシステム。
前記カメラは、赤外線を通過させるフィルタ機能を備えた可視光線カメラである、請求項１に記載の複合構造内の欠陥を識別するためのシステム。
前記光源は、ハロゲン光である、請求項１に記載の複合構造内の欠陥を識別するためのシステム。
前記カメラは、前記複合構造に対して可動である、請求項１に記載の複合構造内の欠陥を識別するためのシステム。
前記カメラは、前記複合構造に対して異なるそれぞれの部分にある複数のカメラを含む、請求項１に記載の複合構造内の欠陥を識別するためのシステム。
前記光源は、前記複合構造に対して可動である、請求項１に記載の複合構造内の欠陥を識別するためのシステム。
前記光源は、前記複合構造に対して異なるそれぞれの位置にある複数の光源を含む、請求項１に記載の複合構造内の欠陥を識別するためのシステム。
前記複合構造上の欠陥を示すためのマーキング装置をさらに含む、請求項１に記載の複合構造内の欠陥を識別するためのシステム。
前記画像を処理しかつ前記画像に基づいて欠陥を識別する応答を出力するためのプロセッサをさらに含む、請求項１に記載の複合構造内の欠陥を識別するためのシステム。
前記複合帯は、前記複合帯がヘッドユニットによって提供されかつ圧縮ロールによって下にある複合構造に圧縮される自動照合プロセスによって並べられ、前記反射面および前記光源は、前記圧縮ロールに隣接する、請求項１に記載の複合構造内の欠陥を識別するためのシステム。
前記反射面および前記光源は、前記ヘッドユニットに取付けられる、請求項１４に記載の複合構造内の欠陥を識別するためのシステム。
製造中に複合構造内の欠陥を識別するためのシステムであって、
前記複合構造を照らすために前記複合構造に対して位置付けられた光源を含み、前記光源によって生成された光は、前記複合構造内の欠陥によって、前記複合構造の欠陥のない部分とは違って反射され、前記システムはさらに、
前記光源によって生成された光を前記複合構造にわたって散乱させるための前記光源に隣接する分散要素であって、前記複合構造にわたって光をより均一に散乱させるために段付の構造を有する反射面を含む分散要素と、
前記複合構造の照らされた部分の画像を受取るためのカメラとを含み、
前記複合構造は複数の複合帯を含み、帯の位置づけの方向に対して実質的に垂直の方向に複合帯の最上部の層にわたって前記光を投じて、比較的大量の照り返しを最上部層に生じさせることによって、高い繰り返しと低い繰り返し現象とを利用する、複合構造内の欠陥を識別するためのシステム。
製造中に複合構造内の欠陥を識別するためのシステムであって、
前記複合構造を照らすために前記複合構造に対して位置付けられた光源を含み、前記光源によって生成された光は、前記複合構造内の欠陥によって、前記複合構造の欠陥のない部分とは違って反射され、前記システムはさらに、
前記光源によって生成された光を前記複合構造にわたって散乱させるための前記光源に隣接する分散要素であって、前記光源のまわりに変形された放物形を有し、前記複合構造にわたって光をより均一に散乱させるために放物形にされた段付の構造を有する、分散要素と、
前記複合構造の照らされた部分の画像を受取るためのカメラとを含み、
前記複合構造は複数の複合帯を含み、帯の位置づけの方向に対して実質的に垂直の方向に複合帯の最上部の層にわたって前記光を投じて、比較的大量の照り返しを最上部層に生じさせることによって、高い繰り返しと低い繰り返し現象とを利用する、複合構造内の欠陥を識別するためのシステム。
前記分散要素は、前記光源に向かって少なくとも部分的に湾曲している、請求項１６または１７に記載の複合構造内の欠陥を識別するための複合構造内の欠陥を識別するためのシステム。
前記分散要素は、前記分散要素が前記複合構造のある予め定められた部分にわたって光を散乱させて、そこから前記カメラが画像を受取るように、複合構造に対して調整可能である、請求項１６または１７に記載の複合構造内の欠陥を識別するためのシステム。
前記カメラは、赤外線感知カメラである、請求項１６または１７に記載の複合構造内の欠陥を識別するためのシステム。
前記カメラは、赤外線を通過させるフィルタ機能を備えた可視光線カメラである、請求項１６または１７に記載の複合構造内の欠陥を識別するためのシステム。
前記光源は、ハロゲン光である、請求項１６または１７に記載の複合構造内の欠陥を識別するためのシステム。
前記カメラは、前記複合構造に対して可動である、請求項１６または１７に記載の複合構造内の欠陥を識別するためのシステム。
前記カメラは、前記複合構造に対して異なるそれぞれの位置にある複数のカメラを含む、請求項１６または１７に記載の複合構造内の欠陥を識別するためのシステム。
前記光源は前記複合構造に対して可動である、請求項１６または１７に記載の複合構造内の欠陥を識別するためのシステム。
前記光源は、前記複合構造に対して異なるそれぞれに位置にある複数の光源を含む、請求項１６または１７に記載の複合構造内の欠陥を識別するためのシステム。
前記複合構造上の欠陥を示すためのマーキング装置をさらに含む、請求項１６または１７に記載の複合構造内の欠陥を識別するためのシステム。
前記画像を処理しかつ前記画像に基づいて欠陥を識別するための応答を出力するためのプロセッサをさらに含む、請求項１６または１７に記載の複合構造内の欠陥を識別するためのシステム。
前記複合帯は、前記複合帯がヘッドユニットによって提供されかつ圧縮ロールによって下にある複合構造に圧縮される自動照合プロセスによって並べられ、前記カメラおよび前記光源は、前記圧縮ロールに隣接する、請求項１６または１７に記載の複合構造内の欠陥を識別するためのシステム。
前記カメラ、前記光源および前記分散要素は、前記ヘッドユニットに取付けられる、請求項２９に記載の複合構造内の欠陥を識別するためのシステム。
製造中に複合構造内の欠陥を識別するためのシステムであって、
前記複合構造を照らすために前記複合構造に対して位置付けられた光源を含み、前記光源によって生成される光は、前記複合構造内の欠陥によって、前記複合構造の欠陥のない部分とは違って反射され、前記システムはさらに、
前記複合構造の照らされた部分の画像を受取るためのカメラと、
前記光源によって生成された光を前記複合構造にわたって散乱させるための前記光源に隣接する分散要素であって、前記複合構造にわたって光をより均一に散乱させるために段付の構造を有する分散要素と、を含み、
前記複合構造は複数の複合帯を含み、帯の位置づけの方向に対して実質的に垂直の方向に複合帯の最上部の層にわたって前記光を投じて、比較的大量の照り返しを最上部層に生じさせることによって、高い繰り返しと低い繰り返し現象とを利用する、複合構造内の欠陥を識別するためのシステム。
前記カメラは、赤外線感知カメラである、請求項３１に記載の複合構造内の欠陥を識別するためのシステム。
前記カメラは、赤外線を通過させるフィルタ機能を備えた可視光線カメラである、請求項３１に記載の複合構造内の欠陥を識別するためのシステム。
前記光源は、ハロゲン光である、請求項３１に記載の複合構造内の欠陥を識別するためのシステム。
前記カメラは、前記複合構造に対して異なるそれぞれの位置にある複数のカメラを含む、請求項３１に記載の複合構造内の欠陥を識別するためのシステム。
前記光源は、前記複合構造に対して異なるそれぞれの位置にある複数の光源を含む、請求項３１に記載の複合構造内の欠陥を識別するためのシステム。
前記複合構造上の欠陥を示すためのマーキング装置をさらに含む、請求項３１に記載の複合構造内の欠陥を識別するためのシステム。
前記画像を処理しかつ前記画像に基づいて欠陥を識別する応答を出力するためのプロセッサをさらに含む、請求項３１に記載の複合構造内の欠陥を識別するためのシステム。
前記複合帯は、前記複合帯がヘッドユニットによって提供されかつ圧縮ロールによって下にある複合構造に圧縮される自動照合プロセスによって並べられ、前記カメラおよび前記光源は、前記圧縮ロールに隣接する、請求項３１に記載の複合構造内の欠陥を識別するためのシステム。