JP4986626B2 - 複合構造の欠陥特性を測定するためのシステムおよび方法 - Google Patents

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分野
本発明は一般に材料配置機械を用いた複合構造の製造に関し、より特定的には（しかし排他的でなく）、単位面積当たりの欠陥密度および／または単位面積当たりの累積的欠陥幅などの、複合構造の欠陥特性を測定するためのシステムおよび方法に関する。

背景
複合構造は長年にわたり当該技術で公知である。複合構造は多くの異なる態様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つの有利な手法は繊維配置または自動照合プロセスである。従来の自動照合手法によれば、１つ以上の複合材料のリボン（複合ストランドまたはトウとしても公知である）が、材料配置機械を用いて基板に配置される。基板はツールまたは心棒でもよいが、より従来的には、先に配置されて圧縮されていた複合材料の１つ以上の下部層から形成される。

従来の繊維配置プロセスは、熱源を用いて、局部的なニップポイントでの複合材料のプライの圧縮を助ける。特に、複合材料のリボンまたはトウおよび下部基板は、ニップポイントで加熱されてプライの樹脂の粘着性が増大される一方、圧縮力に晒されて基盤へと確実に接着される。この部分を完成させるために、複合材料の追加的ストリップを並列した態様で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。

あいにく、下部複合構造上に複合ストリップを配置する間に欠陥が生じ得る。このような欠陥は、トウの間隙、重なり、トウの落下、しわ（すなわちトウにおける盛り上がった領域）、および捩れを含み得る。さらに、複合構造の表面に蓄積し得る樹脂玉および毛羽玉などの異物および破片（ＦＯＤ）があり、それは検知され、特定され、結局はプライ表面から除去されなければならない。

自動材料配置方法によって製造された複合構造は、典型的には各損傷について特定の最大許容可能なサイズ要件を有し、これらの要件は生産プログラムによって確立されている。典型的には生産プログラムは、単位面積当たりの最大許容可能な欠陥の個数（すなわち密度）および単位面積当たりの最大許容可能な累積的欠陥幅について、明確に規定された許容／拒絶基準をも設定する。

繊維配置プロセスによって製造された複合積層板が欠陥サイズに関する要件を確実に満たすために、構造は、典型的には、プライごとに１００％目視検査を受ける。これらの検査は伝統的に手動で行われ、その間繊維配置機械は停止し、検査およびそれに続く修復がある場合はそれが終わるまで、材料を配置するプロセスは中断する。一方製造プロセスは、手動検査プロセスおよびそれに関連する機械の停止時間によって減速され、不利である。

最近、複合構造において個々の欠陥を検知し、測定し、マーキングすることができるシステムが開発されている。複合構造において欠陥を高い精度および信頼性をもって検知し、測定し、かつ／またはマーキングすることができる例示的なシステムおよび方法は、「複合構造の欠陥を特定するためのシステムおよび方法（“System and Method for Identifying Defects in a Composite Structure”)」と題されて２００１年３月２８日に出願された米国特許出願番号第０９／８１９，９２２号、「複合構造の欠陥を特定するためのシステム（“System for Identifying Defects in a Composite Structure”)」と題されて２００２年８月１３日に出願された米国特許出願番号第１０／２１７，８０５号、および、「複合構造の製造における異物および破片（ＦＯＤ）ならびに欠陥を特定するためのシステムおよび方法(“Systems and Methods for Identifying Foreign Objects and Debris (FOD) and Defects During Fabrication of a Composite Structure”）」と題されて２００３年７月２８日に出願された米国特許出願番号第１０／６２８，６９１号に開示される。米国特許出願番号第０９／８１９，９２２号、第１０／２１７，８０５号、および第１０／６２８，６９１号は、本願明細書に全体が述べられているかのように、引用によって本願明細書に援用される。

これらの検査システムはその意図した目的については成功してきたが、本発明者らは、複合構造の単位面積当たりの欠陥密度および／または単位面積当たりの累積的欠陥幅などの複合構造の欠陥特性を測定することができるシステムおよび方法を与えるのがより有益であろうと認識している。

要約
単位面積当たりの欠陥密度および／または単位面積当たりの累積的欠陥幅などの複合構造の欠陥特性を測定するためのシステムおよび方法。１つの好ましい実施例では、複合構造の欠陥特性を測定する方法は一般に、複合構造の第１の基準点から欠陥までの第１の距離を測定するステップと、複合構造の第２の基準点から欠陥までの第２の距離を測定するステップと、複合構造の基準領域を確立するために第１の距離および第２の距離を用いるステップと、基準領域内で検知される各欠陥を考慮してそこから複合構造を表す欠陥特性を生成するステップとを含む。

特徴、機能および利点は、本発明のさまざまな実施例において独立して達成することができるか、またはさらに他の実施例において組合されてもよい。
［００１２］ 本発明は、詳細な説明と添付の図面とからより完全に理解される。図面のいくつかの図全体にわたって対応する参照記号は対応する機構を表す。

例示的な実施例の詳細な説明
１つの局面によれば、本発明は、単位面積当たりの欠陥密度および／または単位面積当たりの累積的欠陥幅などの、複合構造の欠陥特性を測定する方法を与える。１つの実施例において、方法は一般に、複合構造の第１の基準点から欠陥までの第１の距離を測定するステップと、複合構造の第２の基準点から欠陥までの第２の距離を測定するステップと、複合構造の基準領域を確立するために第１の距離および第２の距離を用いるステップと、基準領域内で検知される各欠陥を考慮してそこから複合構造を表わす欠陥特性を生成するステップとを含む。

本発明の好ましい実施例は、複合構造の基準領域の面積または基準領域についての１つ以上の下記の欠陥特性を測定する方法を与える。欠陥カウント総数、欠陥幅の合計、単位
面積当たりの欠陥密度（すなわち単位面積当たりの欠陥数）、単位面積当たりの累積的欠陥幅、および／または欠陥の場所である。複合構造が製造されている間にさまざまな実施例によってこれらの欠陥特性が測定できるようになり、そのため手動検査プロセスおよび関連する機械の停止時間をなくす。

１つの実施例では、方法は一般に、材料配置機械によって敷かれるコースに沿って欠陥までの直線距離を測定するステップと、複合構造の第１の端部から欠陥までの横方向の距離を測定するステップと、基準領域を確立するために直線距離および横方向の距離を用いるステップと、基準領域内の欠陥を合計するステップと、単位面積当たりの欠陥密度を測定するために欠陥合計を基準領域の面積で除するステップと、基準領域内の各欠陥の幅を測定するステップと、基準領域内の欠陥の幅を合計するステップと、単位面積当たりの累積的欠陥幅を測定するために幅合計を基準領域の面積で除するステップとを含む。

例示的な実施例では、方法は、単位面積当たりの欠陥密度および単位面積当たりの累積的欠陥幅の両方を測定するステップを含む。代替的に他の実施例は、欠陥カウント総数、欠陥幅合計、単位面積当たりの欠陥密度、単位面積当たりの累積的欠陥幅、および／または欠陥の場所のいずれか、またはこれらの組み合せを決定するステップを含むことができる。他の実施例は、複合構造全体について、欠陥カウント、欠陥幅合計、欠陥密度、累積的欠陥幅および／または欠陥の位置のいずれか、またはこれらの組み合せを決定するステップを含むことができ、その場合には必ずしも基準領域を確立する必要はない。

図１は、複数の隣接した複合テープ２４のトウまたはストリップから一般に構成される、例示的な複合構造２２を示す。典型的にはストリップ２４は、加熱によって粘着性または流動性を持つよう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。ストリップ２４は、「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”）」と題されて２００２年２月６日に出願された米国特許出願番号第１０／０６８，７３５号に記載されるように、自動照合手法に従って、テーブル、心棒または他の工具２６などの作業面上に配列され（図４）、圧縮ローラ２０（図２および図５）で圧縮されて、複合構造２２を形成する。米国特許出願第１０／０６８，７３５号の内容は、本願明細書に完全に述べられるように引用によってその全体が本願明細書に援用される。

図１に示されるように、１８のコースまたはストリップ２４が材料配置機械によって完了している。すなわち、材料配置機械は基板全体を１８回通過した。材料配置機械は通過する毎にストリップ２４を基板に配置していった。

図１をさらに参照すると、複合構造２２の６番目のコース２３は、トウ間隙の形で欠陥３６を含む。追加的にまたは代替的に、複合構造２２は、重なり、トウの落下、しわ、捩れ、異物および破片（ＦＯＤ）など他の種類の欠陥をさらに含むことがあり、そのような欠陥は本発明の実施例によって数えられ、測定される。

１点鎖線１９は、６番目のコース２３に沿った欠陥３６までの直線距離を表す。１点鎖線２１は、複合構造２２の第１の端部１１から欠陥３６までの横方向の距離を表す。

コースで検知された欠陥までのそのコースに沿った直線距離を測定するためにさまざまな方法が用いられてもよい。例示的な実施例では、欠陥までのコースに沿った直線距離は、材料配置ヘッドユニットのコースに沿った直線速度に、コースの開始時と欠陥検知時との間に経過した時間量を乗算することによって、測定することができる。

欠陥が検知されると、欠陥検知を表示するだけでなく欠陥の測定およびマーキングをもトリガする信号が生成され得る。複合構造の欠陥を検知することができる例示的なシステムおよび方法は下記に一般に示され、「複合構造における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”)」と題されて２００１年３月２８日に出願された米国特許出願第０９／８１９，９２２号、「複合構造における欠陥を識別するためのシステム（“System for Identifying Defects in a Composite Structure”)」と題されて２００２年８月１３日に出願された米国特許出願番号第１０／２１７，８０５号、および、「複合構造の製造における異物および破片（ＦＯＤ）ならびに欠陥を特定するためのシステムおよび方法(“Systems and Methods for Identifying Foreign Objects and Debris (FOD) and Defects During Fabrication of a Composite Structure”）」と題されて２００３年７月２８日に出願された米国特許出願番号第１０／６２８，６９１号に開示される。米国特許出願番号第０９／８１９，９２２号、第１０／２１７，８０５号、および第１０／６２８，６９１号は、本願明細書に全体が述べられているように引用によって本願明細書に援用される。

コースの開始および停止は、圧縮ローラに圧力が加えられているか否かを示す機械ロードセルからの信号を用いて判断することができる（図２および図５）。機械ロードセルから「圧力オン」信号を受取ることは、圧縮ローラ２０が複合構造２２に接していること、したがってコースが開始していることを示す。「圧力オフ」信号を受取ることは、圧縮ローラ２０がもはや複合構造２２に接していないこと、したがってコースが完了したことを示す。したがって、コース開始と欠陥検知との間の時間は、機械ロードセルからの「圧力オン」信号の受信時から欠陥検知表示信号の受信時までの間に経過する時間量の追跡によって測定することができる。

代替的に、圧縮ローラ２０が複合構造２２に接しているか否かを判断するよう位置決めされる、近接センサ、レーザ、または、音響探知機を使用する装置からの信号受信によって、コース開始および停止を判断することができる。

１つの実施例では、ヘッドユニットの直線速度は、圧縮ローラ２０の角速度を測定してこれに圧縮ローラ２０の円周を乗算することにより測定される。代替的に、法執行目的のために車道に沿って車両の速度をモニタする際に一般に用いられるレーダーガンを用いるなど、他の方法を用いてヘッドユニットの直線速度を測定することもできる。

図２、図３および図５を参照して、圧縮ローラ２０と回転を共有するよう結合されたコードリング１により、圧縮ローラ２０の角速度を測定することができる。示されるように、コードリング１は、交互に現れる黒い部分および白い部分といった、交互に現れる対照をなす部分２および部分３を含む。図３では、コードリング１は約１．０１０インチの外径４および約０．８４４の内径５を含むが、他のリングサイズを用いることもできる。他の実施例において、対照をなす部分は圧縮ローラに直接に与えられてもよく（例えばマーキングされ、塗布されるなど）、それにより別個のコードリング１の必要性はなくなる。

図２および図５をさらに参照すると、フォトセンサ７（例えば市販のフォトダイオードなど）が位置決めされて、コードリング１が圧縮ローラ２０と共に回転する間、コードリングの明から暗への遷移のリアルタイムの像をモニタし、捉える。リング１の明から暗への遷移を検知し、数えることによって、圧縮ローラの回転数を数え、モニタすることができる。明から暗への遷移が生じる頻度を用いて圧縮ローラ２０の角速度を確立することができる。好ましくは、圧縮ローラ２０における軸運動は、フォトセンサ７からコードリング１までの距離を一定に維持するために最小限にされ、そのため、機械ヘッドユニットの直線速度をより正確に測定することが可能となる。

別の例示的な実施例では、コースに沿った欠陥までの直線距離は、圧縮ローラ２０がコース開始時から欠陥に至るまでに行った回転（全回転および部分的回転）数を数えることにより、かつその回転数に圧縮ローラ２０の円周を乗算することにより測定することができる。例として、フォトセンサ７およびコードリング１を用いて、機械ロードセルからの「圧力オン」信号の受信時と欠陥検知表示信号の受信時との間の圧縮ローラ２０の回転数を数えることができる。

さまざまな方法を用いて、複合構造２２の第１の端部１１から欠陥までの横方向の距離を決めることもできる。図１を参照されたい。１つの例示的な実施例では、欠陥までの横方向の距離は、欠陥が存在するコースは含まないよう、完了したコースの総個数を数え、次に完了したコースの数にコースの平均幅を乗算することによって計算することができる。この方法は、各コースが同じ幅、すなわちテープ幅であるようなテープ配置に特に有効である。

完了したコースの総個数は、機械ロードセルからの圧力オン／オフ信号の受信を追跡するか数えることにより測定することができる。機械ロードセルからの「圧力オン」信号の受信は、圧縮ローラ２０が複合構造２２に接していること、したがってコースを開始していることを示す。「圧力オフ」信号は、圧縮ローラ２０がもはや複合構造２２に接していないこと、つまりコースが完了していることを示す。

各コースの幅が等しくないかもしれない繊維配置コースについては、欠陥までの横方向の距離は「ソフトウェア定規」の使用により正確に測定することができる。より具体的には、横方向の距離は、横方向の距離を含む複合構造の少なくとも一部のデジタル画像を得、デジタル画像から横方向の距離を表すピクセル集合を選択し、ピクセル集合を構成するピクセル数を数え、横方向の距離について間接的、定量的測定値を計算するためにピクセルカウントと相関データとを相関させることによって、測定することができる。

同様の態様で欠陥の幅を測定することができる。欠陥のデジタル画像が得られた後、デジタル画像から欠陥の幅を表すピクセル集合が選択される。ピクセル集合を構成するピクセルが数えられ、ピクセルカウントは次に欠陥幅について間接的、定量的測定値を計算するために相関データと相関される。

代替的に欠陥幅は、（上述の態様で測定された）ヘッドユニットの直線速度に、ヘッドユニットが欠陥の対向する側面を隔てる距離を横断するのに必要な時間量を乗算することによって測定されてもよい。

基準領域は、欠陥がないか現在検査されており基準領域の表面積にほぼ等しい表面積を有する複合構造の任意の領域として、規定することができる。さらに基準領域は、５平方インチ、１平方フィートなどのいかなる適切な表面積も含むようなサイズにすることができる。さらに基準領域は、生産要件に従って複合構造の一部のみを含むようなサイズにすることができる。代替的に、他の実施例では複合構造全体のサイズに対応する基準領域を利用することができる。

基準領域はさまざまな方法で確立することができる。１つの例示的な実施例では、基準領域は、現在検知されている欠陥までの直線距離および横方向の距離によって境界される、複合構造の任意の領域を含む。例えば図１を参照して、基準領域は、欠陥３６について、１点鎖線１９および２１ならびに複合構造の第１の端部１１および下側縁部によって規定された複合構造２２の長方形の部分として確立することができる。

別の実施例では、基準領域は、予め定められた直線距離および予め定められた横方向の
距離によって境界される、複合構造の任意の領域を含む。

前述の実施例のいずれかにおいて、検査中、境界された基準領域は例えばルックアップテーブルで追跡することができる。検査中、ルックアップテーブルは次に欠陥のその時点での集計（例えばその時点の欠陥の量および／または欠陥の幅）と比較されてもよい。

さらに他の実施例において、基準領域は、現在検知されている欠陥が存在するコースの欠陥以前の部分およびそれ以前に完了したすべてのコースを含む、複合構造の領域として規定される。例えば図１を参照して、欠陥３６についての基準領域は、コース２３の左にある最初の５コースおよび６番目のコース２３の欠陥３６より下の部分として確立することができる。

さらなる実施例において、基準領域は、現在検知されている欠陥を有するコースにおける欠陥以前の部分と、検知された欠陥を有するコースの直前の所定の個数の完了したコースとを含む、複合構造の領域として規定される。例えば欠陥３６についての基準領域は、図１の６番目のコース２３の欠陥３６より下の部分と６番目のコース２３のすぐ左にある３コース（すなわち３番目、４番目、５番目のコース）として確立することができる。

ある実施例では、複合構造が許容できるか拒絶されるべきかを決定するために、単位面積当たりの累積的欠陥幅と単位面積当たりの最大許容可能な累積的欠陥幅とが比較される。単位面積当たりの最大許容可能な累積的欠陥幅は生産要件によって設定することができる。単位面積当たりの累積的欠陥幅が単位面積当たりの最大許容可能な累積的欠陥幅を超過する場合、製造プロセスを停止することができ、かつ／または、許容できないことを示すインジケータが下記に説明されるユーザインターフェース７６（図４）などによって与えられてもよい。

追加的にまたは代替的に、ある実施例は、複合構造が許容できるか否かを決定するために、単位面積当たりの欠陥密度と単位面積当たりの最大許容可能な欠陥密度とを比較することを含む。単位面積当たりの最大許容可能な欠陥密度は生産要件により設定することができる。単位面積当たりの欠陥密度が単位面積当たりの最大許容可能な欠陥密度を超過する場合、製造プロセスを停止することができ、かつ／または、許容できないことを示すインジケータが下記に説明されるユーザインターフェース７６（図４）などによって与えられてもよい。

図４は、複合構造の欠陥を検知するために用い得る例示的なシステム１０を示す。図４に示されるように、システム１０は少なくとも１つのカメラ１２および少なくとも１つの光源１４を含む。下記にさらに詳細に説明されるように、カメラ１２は、カメラ１２が捉えた像を解明するためのプロセッサ６６もしくは像を記憶するための記憶装置６４に接続され、またはその両方に接続される。

光源１４は複合構造２２を照らすための光を発するよう位置決めされる。照明は、複合構造における欠陥のために、複合構造の欠陥のない部分とは異なるように反射される。例えば、複合構造２２の欠陥のない部分から反射する照明、および複合構造２２の欠陥では反射することのできない光、またはその逆が、カメラ１２によって捉えることができる可視画像を生成する。複合構造の製造中にその欠陥を特定するためのシステムおよび方法に関する詳細は、先に参照した米国特許出願番号０９／８１９，９２２号、第１０／２１７，８０５号および第１０／６２８，６９１号に含まれる。

図４に示されるように、カメラ１２は、照らされている複合構造の部分の像、典型的には複合トウが下部構造に連結するニップポイントのすぐ下流の像を捉えるために、複合構
造２２の近くに位置決めされる。代替的に、図５に示されるように、反射面１６が複合構造（複合構造は図５に示されない）の近くに位置決めされてもよく、反射面１６が複合構造の照らされた部分の像を反射するように角度をつけてもよい。カメラ１２は、複合構造が照らされる部分の近距離の像を反射面１６から捉えるために、反射１６の方に向かって位置決めしてもよい。本発明のさらに他の実施例において１つ以上の反射面１６を利用してもよく、これらの反射面１６は、複合構造の照らされた部分の像をカメラ１２に向けるよう協働する。

モノクロ像を得ることができる商業上入手可能なカメラを含む、広範囲にわたるカメラが使用できる。１つの実施例では、カメラ１２は、画像センサ（示されない）とカメラ１２の動作中に光が通過するレンズ１３とを有するテレビジョンカメラまたは他の種類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半導体（ＣＭＯＳ）などの、他の種類のカメラまたは画像センサも用いることができる。カメラ１２は、複合構造２２に隣接してスタンド（示されない）上に配置されてもよいし、またはフレーム２８もしくは類似の装置に取り付けてもよい。

反射面１６を含まない実施例では、図４に示されるように、カメラ１２はブラケット３０と対応コネクタ３２とによってフレーム２８に取り付けられてもよい。コネクタ３２は、カメラ１２をフレーム２８の固定位置に取付けるリベット、ねじなどでもよい。代替的にコネクタ３２は、カメラ１２、光源１４、および関連アセンブリが複合構造２２から離れて回転することを可能にする、ヒンジタイプのコネクタでもよい。この実施例は、材料配置装置の他の部分、特にカメラ１２および関連するアセンブリの裏にある部分に、保守、掃除等のためにアクセスしなければならない状況において有利である。

図５はヒンジタイプのコネクタ３２の代替的実施例を示し、このコネクタは、カメラ１２、反射面１６、光源１４、および関連アセンブリ（例えばカメラアセンブリ）などをブラケット３０によってフレーム２８に取付ける。比較的容易に取除けるか、もしくは緩められる蝶ねじまたは任意の他の留め具などの適切な留め具を孔３４を通して挿入することができ、さらに締めつけてカメラアセンブリを動作のために適所に固定することができる。留め具は例えばカメラアセンブリを圧縮ローラ２０および繊維配置装置の他の部分から離れて回転させるように、緩めたり取除いたりできる。

図４をさらに参照して、特定の態様で光をフィルタするためにフィルタ１５がレンズ１３に配置され得る。１つの実施例では、フィルタ１５は、赤外線成分またはある赤外波長もしくは光波長領域のみがカメラ１２を通過できるよう光をフィルタするために設計される。フィルタ１５はこの態様で、周囲の可視光線がカメラ１２に入って捉えられた像の外観を変えることを防ぐ。

同じか少なくとも類似の結果を達成するために、光をフィルタする他の方法も用いることができる。例えばカメラは、等価な光学特性を有する内蔵フィルタを含むよう設計されてもよい。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決めしてもよい。代替的に、カメラは赤外線スペクトルのみ感知する画像センサ（例えば赤外線感知カメラ）を含んでもよく、こうすればフィルタの必要がなくなる。

システム１０の光源１４がここでさらに詳細に記載される。光源１４は、複合構造２２の少なくとも一部分を照らすために光を発するよう位置決めされる。

図４において、光源１４は、複合構造２２に対して斜角３７に位置決めされて示される。斜角３７は約４５度であり得るが、適用例に依存して他の角度も可能である。さらに、
光源１４は、以下に記載されるように、欠陥３６に光を当てるために、ストリップ２４の配置の方向に対して実質的に直交する方向に光を発するように位置決めさられた状態で示されている。

さらにシステム１０は１つ以上の光源を含んでもよい。例えば図５の実施例は、反射面１６およびカメラ１２の両側に、複合構造および圧縮ローラ２０に相対して位置決めされる２つの光源１４を含む。２つの光源１４を含む別の例示的な実施例が図７に示され、２つの線形光ファイバアレイがカメラ１２の対向する両側に位置決めされている。

図４において、光源１４は、光源１４を取付け装置２７に取り付けるかまたは装着することにより、複合構造２２に相対して調節可能に位置決めされる。取付け装置２７は、光源１４の位置を素早く正確に調節するために、主軸２９、副軸３１およびロッククランプ３３を含むことができる。取付け装置２７は、光源１４およびカメラ１２が互いに対して一定の空間的関係を保つように、次にフレーム２８、カメラ１２、ブラケット３０に装着してもよく、または光源１４およびカメラ１２の双方のための共通の位置を規定するいくつかの他の対象に装着されてもよい。

複合構造の表面の照明の質および大きさは、周囲の照明および材料の反射率によって多大な影響を受ける。したがって本発明の実施例は、暗い背景において暗い損傷をより効果的に照らすために、赤外線源を有利に使用する。この点では、光源１４は、赤外線、またはハロゲン光源（図６）もしくは他の白熱光源（示されない）などの赤外線成分を有する別の種類の光から選択され得る。他の実施例では、光源１４は蛍光灯光源（例えば白色光ＬＥＤ、低圧／水銀を充填した蛍光ガラス管）、ストロボまたはストロボ光源、希ガスアークランプ（例えばキセノンアークなど）、メタルアークランプ（例えばメタルハライドなど）、およびレーザ（例えばパルスレーザ、ソリッドステートレーザダイオードアレイ、赤外ダイオードレーザアレイなど）をも含み得る。図７に示されるように、光源１４からの光は光ファイバを通って送達地点まで送られてもよい。

いくつかの実施例において、光源１４は、炭素等の暗いトウ材料を検査するのに有効に機能する光の赤外線（ＩＲ）成分を最大化するか、または少なくとも大幅に増大させる出力レベルで動作する。この点で、約７００ナノメートルから１０００ナノメートル（７００ｎｍ〜１０００ｎｍ）の波長帯において約１５０ワット（１５０Ｗ）までの範囲の例示の出力レベルで足りる。しかしながら、光源のための特定の出力レベルおよび波長はおそらく、少なくとも部分的には、数ある要素の中でも、カメラの速度および感度、材料が置かれる速度、供給損失および検査されている材料の反射率に依存する。例えば他の実施例においては、反射率の高い材料を検査するのに好適な波長および出力レベルを用いることができる。

図４に示される実施例では、光源１４は、アレイまたはクラスタ形式に配列された複数のＬＥＤを含み得る。１つの特定の実施例では、光源１４は、３インチ四方のプリント回路基板上のアレイに取り付けた２４個のＬＥＤを含む。

図５および図６に示される別の実施例では、光源１４は、４個のハロゲン電球３８を含むが、他の個数を用いることもできる。

図７に示される実施例では、光源１４は、カメラ１２の対向する両側に位置決めされる２つの線形光ファイバアレイを含む。アレイは、遠隔の源（示されない）から光ファイバ束２５を通って供給された光を放つ。照らされた線形アレイ１４が図８に示される。

再び図５を参照して、システム１０は光源１４の近くに位置する光反射要素１８をさら
に含んでもよい。反射要素１８は、所望の照らされる領域に光を向け直す一連の光反射表面４０（図６）を含む。これにより表面全体の照明を平均化し、光源１４の最も明るい部分によって生成される光の強い領域（すなわちホットスポット）をなくすか、または少なくとも著しく減じる。ホットスポットは、複合構造の一定した照明を妨げ、カメラ１２が捉えた画像の処理の際にエラーを生じ得るため望ましくない。

光反射要素４０は、複合構造の曲面／輪郭をつけられた面を照らすのに特に有利である。なぜなら、光を向け直すことによって、複合構造のより広い部分を均等に照らすことができるからである。

図６に示されるように、反射要素１８は光源１４のまわりで放物線状に湾曲している。反射要素１８は、光源１４に面する反射要素１８の表面に、光源１４に実質的に平行な湾曲した段４０を含む。段４０の間の距離および曲率は、対象となる領域の片側に１つずつある２つの光源の合計から均等な照明を与えるのに十分であるよう選択され得る。これによって、反射要素１８はより一定した照明を複合構造２２に与えることができ、複合構造２２における一定しない照明によって起こる像処理のエラーを防ぐか、または少なくとも減じる。代替的に、反射要素１８の形状および／または表面の構成は、光源１４が複合構造２２の所望の部分にわたって一定した照明および光散乱を生じるような他の方法で変形することができる。

例示的な実施例において、反射要素１８は、放物線状の湾曲した段４０を１７個有する概して放射線の形状であり、この段の幅は、反射要素１８の外縁での約０．１２５インチから反射要素１８の中心での約０．２５０インチの範囲である。さらに反射要素１８の段の高さは約０．１１６インチ均一である。しかしながら他の実施例では、反射要素には異なる数の段が与えられてもよく、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。

さらに反射要素１８は、光源１４によって生成され、反射要素１８によって散乱される光を、複合構造の所望の部分の方へ向けるよう調節されてもよい。例えば図６に示されるように、反射要素１８は、留め具４２によって取付け装置２７に調節可能に取り付けられる。緩められた留め具４２はスロット４４内で動くことができ、複合構造に相対して反射要素１８の角度を相応に調節する。一旦反射要素１８が適切に位置決めされれば、留め具４２が締め付けられて反射要素１８を所望の位置に固定する。反射要素１８の調節は、反射要素１８の遠隔での調節を可能にする電子的手段などの他の方法によっても可能になり得る。

複合構造２２は、ストリップ２４の配置の方向に交差して照らされた場合に強いグレア（glare）を生成するが、ストリップ２４の配置の方向に沿って照らされた場合には生成されるグレアが実質的により弱いことが観察されてきた。少なくともいくつかの実施例のシステムおよび方法では、複合ストリップ２４の配置の方向に実質的に直交する方向で複合ストリップ２４の上層部にわたって光を投じることにより、強いグレア／弱いグレア現象を利用する。これは、複合構造２２の上層部に比較的大量のグレアを生成する。その配向のために上層部より著しく弱いグレアを生成する下部層は、上層部の間隙または他の欠陥を通して現れるので容易に見つけられる。さらに、上層部における捩れおよび他の表面欠陥によって上層部のストリップの配向が変更され、それに対応して欠陥位置において上層部のグレアが変更、すなわち減じられる。

可視光または赤外光のいずれかで照らされたときに強いグレア／弱いグレア現象が生じるが、システム１０の１つの実施例で用いられるフィルタ１５が周囲の光によって引起されたグレアを実質的に取除くので、赤外光源によって引起されたグレアのみが欠陥を見つ
けるのに用いられる。したがってフィルタ１５は、複合構造２２に欠陥がないか検査しているときに周囲の光の干渉を取除く。

本願明細書に記載のいずれのシステム実施例にも１つ以上のカメラ１２、および／または、反射要素１８を備えた、または備えない１つ以上の光源１４（以後総称して光源と呼ぶ）があり得る。さらに、１つ以上のカメラ１２および／または１つ以上の光源１４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１４、ならびにカメラ１２および／または光源の可動性により、複合構造の最も正確な像を捉えるための柔軟性がシステム１０に与えられる。複数かつ／または可動な光源１４は、複合構造の形状にかかわらず、複合構造の所望の部分を一定かつ十分に照明することができる。同様に、複数でかつ／または可動なカメラ１２は、複合構造の形状にかかわらず、複合構造の任意の領域の正確な像を捉えることができる。そのため、複数かつ／または可動な光源および／またはカメラは、複合構造の像と湾曲した／輪郭をつけられた部分とを照らし、捉える場合に特に有利である。複数かつ／または可動な光源および／またはカメラはさらに、ストリップ全体の像を照らし、かつ／または捉えるのが困難な幅を有する複合ストリップを照らし、かつ捉えるのに有利であるように、光源および／またはカメラの位置をストリップ全体にわたって移動してもよく、かつ／または複数の固定的な光源および／またはカメラがストリップ全体をカバーするよう位置決めしてもよい。可動カメラおよび光源を含むシステムは、先に参照した米国特許出願第１０／２１７，８０５号に詳細に記載されている。

図４に示されるように、システム１０はさらに複合構造２２上の欠陥の位置をマークするためのマーキング装置６２を含み得る。マーキング装置６２はフレーム２８に装着されてもよく、欠陥３６が検知されるとプロセッサ６６または類似の装置によりトリガされ得る。マーキング装置６２は、複合構造２２上の欠陥３６が検知された領域に、ある量のインク、ペンキなどを噴霧するか、別の方法で配することができる。複合構造２２上のマーキングにより、後に容易に欠陥の位置を自動または手動で特定することが可能になる。

特定の示された実施例において、マーキング装置６２は、インクジェットマーキングシステムであり、これは少量の融和性のある目立つ色のインクを複合構造２２の表面の欠陥の場所に噴霧して、修復および処分のために迅速にアクセスできるようにする。代替的に、ポンプ送り式フェルトマーカ、ばね式マーキングペン、視聴覚警報等の他のマーキング方法を用いることもできる。

カメラ１２および／または反射面１６は、光源１４および任意の反射要素１８とともにヘッドユニットに取り付けることができ、それにより、ヘッドユニットが複合構造２２全体にわたって動いて複合ストリップ２４が配置されていく間に、カメラ１２が複合構造２２およびストリップ２４のリアルタイム像を連続的に捉えることを可能にする。複合構造２２が平面でない場合、上述のように、検査ポイントは好ましくはニップポイントに可能な限り接近していなければならない。複合構造２２が平面の場合、検査ポイントは配置ヘッドユニットからさらに離れて位置することができる。いずれの場合も、下記でさらに十分に説明されるように、像は記憶装置６４に記憶されて後に分析してもよく、および／またはプロセッサ６６によって直ちに処理されてもよい。

図９は、しわ７５および捩れ７７などの潜在的な欠陥と複合構造２２の残りの欠陥のない部分との間のコントラストを示す、生または未処理の例示的なカメラ像６８を示す。示される実施例では、潜在的な欠陥７５および７７が黒または灰色の領域として示される一方、複合構造２２の残りの欠陥のない部分は実質的に白い部分７２として残る。一旦潜在的な欠陥が見つかれば、マーカ６２で欠陥に印をつけることができ、潜在的な欠陥までの直線距離および横方向の距離を上述の態様で測定することができる。

図４をさらに参照して、プロセッサ６６は、カメラ１２から、または像６８が記憶された記憶装置６４から像６８を受取ってもよい。その後、プロセッサ６６は像を処理し分析して、容易に信頼できる欠陥検知ができるようにしてもよい。少なくとも１つの実施例では、プロセッサ６６および記憶装置６４は従来のコンピュータの構成要素である。

システム１０はさらに、プロセッサ６６と通信するユーザインターフェース７６を含んでもよい。ユーザインターフェースは、ＤＯＳ、ウィンドウズ（登録商標）９８、ウィンドウズ（登録商標）／ＮＴ、ウィンドウズ（登録商標）２０００、ウィンドウズ（登録商標）ＣＥ、リナックス（Ｌｉｎｕｘ）（登録商標）、ユニックス（Ｕｎｉｘ）（登録商標）および等価物を含むがこれらに限定されない広範囲のソフトウェアアプリケーションから実行することができるようプログラムされ得る。

図１０に示されるように、ユーザインターフェース７６はコンピュータモニタにあるような表示画面８０を含み、オペレータが表示画面８０上でカーソルを移動させてさまざまなシステム設定およびパラメータを入力することが可能となるようキーボードおよびマウス（示されない）などの入力装置をさらに含み得る。表示画面８０はさらに、オペレータが手動で表示画面の領域に触れることによって所望の設定を入力できる接触感知式にしてもよい。

ユーザインターフェース７６は、オペレータまたは他のユーザが複合構造２２の像７４を見るための表示ウィンドウ８１を含む。ウィンドウ８１はさらに、コースごとの欠陥位置の視覚表示部６９を含むことができる。

図１０に示される像７４は未処理のカメラ像６８（図９）であり得るが、像７４はさらに二値化された処理済みの像であり得る。二値化の際、予め定められたしきい値を超える中間調はすべて白に変えられる一方、しきい値を下回る中間調はすべて黒に変えられて、欠陥のコントラストを強め、かつ欠陥検知の精度を向上させることができる。他の実施例では二値化動作を行う必要はないが、その代り生の像、生の像における光レベルの変化率および／または像における色変化を用いて欠陥を特定することができる。

ユーザインターフェース７６はさらに、システムへのさまざまなユーザ入力を可能にするためにユーザ制御７８を与える。図１０に示される特定の実施例では、ユーザインターフェース７６は二値化しきい値の調節を可能にする。一般に、二値化しきい値の設定は、欠陥が検知される感度と欠陥が描かれる解像度との間のトレードオフを伴う。１つの実施例では、二値化しきい値は約１２８に設定され、これは０から２５５の８ビットのデジタル化範囲の中間点に対応する。しかしながら、少なくとも部分的に、数ある要素の中でも特定の用途、利用可能な照明、カメラ設定に依存して、他の二値化しきい値を採用することができる。

ユーザ制御７８はさらに、ユーザがウィンドウ８１内の表示領域を調節したり変更したりすることを可能にする。動作において、カメラ１２および／または反射面１８が複合構造２２に相対して動く間、ウィンドウ８１は複合構造２２の照らされた部分のリアルタイムビデオ動画を表示する。

インターフェース７６はさらに、ユーザがコースまたはトウバンドの幅７１および最大許容可能な累積的間隙幅７３を入力することを可能にし得る。

複合構造２２の像の表示に加えて、表示画面８０はさらに、発見された欠陥を列挙し、位置、サイズなどの各欠陥の情報を与える、欠陥表８２を含む。

表示画面８０はさらに、欠陥の個数５０、（上述のように機械ロードセルからの圧力オン／オフ信号を数えることにより測定され得る）完了したコースの個数５２、累積的欠陥幅５４、および現在測定されている欠陥の長さ５６などの情報（連続的に更新され得る）を与えることができる。

表示画面８０はさらに、最大許容可能な寸法パラメータおよび許容誤差などの予め規定された基準に基いて特定の画像領域が許容能か否かをユーザに通知する、状況インジケータ８４を含み得る。

表示画面はさらに、許容可能な累積的欠陥幅の限界を超えた場合にユーザに通知する、インジケータ８５を含み得る。

例示的な実施例は、外部または第三者ソフトウェアからパートモデルを取り込むことを含む（例えばコンピュータ援用製図（ＣＡＤ）プログラム、ユニグラフィックス（Ｕｎｉｇｒａｐｈｉｃｓ）（ＵＧ）またはＣＡＴＥＡなどのワークステーションベースのプログラム、ＡｕｔｏＣＡＤ（登録商標）などのデスクトップＰＣアプリケーションなど）。

図１１は、第三者ソフトウェアから取り込まれた複雑なパートモデル９０の例を示す。図１２に示されるように、コース数およびプライ配向に対応した行程方向を用いて、取り込まれたパートモデル９０のためにコースグリッドオーバーレイ９２を構築することができる。直線距離１９および横方向の距離２１の図式的概念が図１２に示され、図１に示された表面よりさらに複雑な表面上の欠陥３６の位置を示す。

図１３に示されるように、プライ用コースがすべて配置された後にコースグリッドオーバーレイ９２が位置決めし直され、新しいプライについての行程の配向または方向の変化を表す。外部または第三者ソフトウェアと材料配置機械のソフトウェアとの相互作用によりグリッドの集合全体（パートの各プライに１つ）が予め生成されるよう設計され得る。これらのグリッドは記憶することができ、各プライの開始時に適切なグリッドにアクセスし、呼出し、位置決めすることができる。

図１４は別の実施例を示し、インポートモデル９０についてさまざまな欠陥データを表示し、追跡するための２つのコンピュータ表示が利用されている。示されるように、一方のモニタがコンピュータ表示８０（先に図１０を参照して説明された）を表示し、他方のモニタがパートモデル９０およびコースグリッドオーバーレイ９２のコンピュータ表示１８０を同時に表示する。コンピュータ表示８０および１８０は、欠陥および損傷が上述の視覚システムインタフェースによって検知されるとその位置および場所を示すよう、連続的に更新することができる。

図１５は別の実施例２８０を示し、パートモデル９０およびコースグリッドオーバーレイ９２の表示１８０’がコンピュータ表示８０’のウィンドウ８１’内に表示されている。

図１６は別の実施例３８０を示し、表示８０”が、パートモデル９０およびコースグリッドオーバーレイ９２を含む表示１８０”に重ねられるかまたはその隅に位置決めされる。

したがって、本発明の実施例は、欠陥カウント総数、総欠陥幅、単位面積当たりの欠陥密度、単位面積当たりの累積的欠陥幅および／または欠陥位置などのさまざまな欠陥特性を正確に効率的に測定することができる、視覚に基づいたプロセス中検査システムおよび
方法を提供する。本発明の実施例は、手動の欠陥測定および検査を要する従来の材料配置システムよりも中断が少なく、さらに効率的に複合構造を製造することを可能にする。

本発明の実施例により、単位面積当たりの累積的欠陥幅の迅速な検知および測定、ならびに単位面積当たりの欠陥密度の追跡が可能になる。この欠陥情報が比較的すぐに利用可能であって手動測定が必要ないので、機械の停止時間は著しく減じられ、製造コストおよびサイクル時間が低減される結果となり得る。

さらに、本発明の実施例により、欠陥密度および累積的欠陥幅に関する最大許容可能な誤差を超える複合構造を容易に特定するができる。これにより、最大許容可能な誤差を超えると製造プロセスが停止することができ、そのため、停止しなければ継続的に許容できない複合構造を製造することで失われたであろう時間と材料とを節約する。

さらに、あまりに多くの複合構造が拒絶される場合、オペレータは、材料浪費がより少なく、投下労働がより少なく、製造プロセス中に起る機械の停止時間がより少なくなるよう、あわせて機械を調節することができる。したがって、平均してより低コストの複合構造を達成することができる。

さらに、本発明のさまざまなシステムおよび方法を用いて手動検査よりさらに均一に高い信頼性で欠陥密度および累積的な欠陥幅を測定することができるので、製造された部品の性能全体もまた実施例によって向上し得る。

さまざまな好ましい実施例が記載されてきたが、当業者は発明の概念から逸脱することなくなされ得る変更または変形を認識するであろう。例は発明を図示するがそれに限定するようには意図されない。したがって、説明と請求項とは、適切な先行技術の観点から必要に応じた限度のみを考慮して、広く解釈されるべきである。

本発明の１つの実施例による、複合構造の欠陥までの直線距離および横方向の距離を示す、例示的な複合構造の概略図である。 本発明の１つの実施例による、回転を共有するよう結合されたコードリングとコードリングをモニタするために位置決めされたフォトセンサとを有する、圧縮ローラの斜視図である。 図２に示されるコードリングの概略図である。 本発明の１つの実施例によるシステムの概略図である。 本発明の別の実施例によるシステムの斜視図である。 図５に示されるシステム実施例による光源の斜視図である。 本発明の別の実施例によるシステムの斜視図である。 図７に示されるシステム実施例による光源の斜視図である。 複合構造中のしわおよび捩れを捉えるビデオフレームである。 本発明の１つの実施例による、コンピュータ表示およびユーザ制御の図である。 本発明の１つの実施例による、外部または第三者ソフトウェアから取り込まれ得る例示的なパートモデルの図である。 本発明の１つの実施例による、コースグリッドオーバーレイを備えた図１１に示されるパートモデルの図である。 本発明の１つの実施例による、コースグリッドオーバーレイが位置決めし直されて新しいプライのための配向の変化を表す、図１２に示されるパートモデルの図である。 本発明の１つの実施例による、図１０に示されるコンピュータ表示ならびに図１３に示されるパートモデルおよびコースグリッドオーバーレイを同時に表示する、２つのコンピュータ表示の図である。 本発明の１つの実施例によるコンピュータ表示の図である。 本発明の１つの実施例によるコンピュータ表示の図である。

Claims (3)

1. 複合構造の欠陥特性を測定する方法であって、
   材料配置ヘッドユニットの圧縮ローラの回転をモニタすることにより、配置されているコースに沿った材料配置ヘッドユニットの直線速度を測定するステップと、
   コースに沿った第１の基準点から複合構造の欠陥までの直線距離を測定するために直線速度を用いるステップと、
   複合構造の第２の基準点から欠陥までの横方向の距離を測定するステップと、
   基準領域を確立するために直線距離および横方向の距離を用いるステップと、
   基準領域内の各欠陥の幅を測定するステップと、
   幅合計を生成するために基準領域内の欠陥の幅を合計するステップとを含む、方法。
2. 基準領域の単位面積当たりの累積的欠陥幅を測定するために幅合計を基準領域の面積で除すステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
3. 圧縮ローラの回転をモニタするステップは、圧縮ローラと回転を共有するよう結合されたコードリングの対照をなす部分間の遷移の頻度を検知し、数え、確立するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。

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