KR102168442B1 - 스트링거의 비파괴 검사 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 라운드 캡을 갖는 공동의 길다란 구조물의 길이를 따른 센서 조립체의 이동과 관련하여 비파괴 검사 센서의 자체 정렬을 위한 수단을 구비하는 다중 센서 비파괴 검사 프로브에 관한 것이다. 본 발명의 장치는, 스티프너의 라운드 캡에 대한 완전한 검사범위를 제공하는, 원통형 촛점을 갖는 대형 반경부의 만곡 초음파 변환기 어레이와, 상기 스티프너의 하부 외측 반경부의 비파괴 검사를 위한 2 개의 소반경 볼록 변환기 어레이, 및 상기 스티프너의 측면의 비파괴 검사를 위한 2 개의 선형 변환기 어레이를 포함하여 이루어진다. 위 5 개의 변환기 어레이는 스캔 동안에 상기 변환기 어레이의 배치(즉, 위치와 방향)의 적절한 조절을 용이하게 하는 각각의 순응하는 조립체에 의하여 지지된다. 상기 변환기 어레이의 위치는 상기 스티프너에서 구조적인 변화에 따라 조절된다.

Description

스트링거의 비파괴 검사 장치 {APPARATUS FOR NON-DESTRUCTIVE INSPECTION OF STRINGERS}

본 발명은 일반적으로 비파괴 검사 장치 및 방법에 대한 것으로, 특히 복합 재료로 만들어진 구조물을 검사하기 위한 장치 및 방법에 대한 것이다.

구조물의 비파괴 검사는 구조물을 해치지 않고 구조물의 심각한 분해를 요구하지 않고 구조물을 완전히 조사하는 것을 포함한다. 비파괴 검사는 구조물에서 어떤 형태의 내외부 파손이나 결점에 대해 항공기 구조물을 조사하기 위하여 항공기 산업에서 통상 사용된다. 비파괴 검사는 또한 항공기 구성 요소의 초기 조립에서도 사용된다. 비파괴 검사는 부품이 정확히 조립되었는지 확인하기 위하여 그리고 외부 재료가 부품에 박히지는 않았는지 확인하기 위해서도 사용된다. 검사는 구조물의 제조 동안에 사용되기도 하고 선택적으로 구조물이 서비스에 놓여 있을 때도 사용된다.

비파괴 검사(NDI)는 항공기의 보강된 복합재 부품에서 실행될 수도 있다. 보강된 부품의 스티프너는 탄소 섬유-보강 플라스틱(carbon fiber-reinforced plastic, CFRP)과 같은 복합재 재료도 만들어질 수 있다. 복합재 동체에 부착된 복합재 스트링거는 그러한 스티프너의 하나의 예이다.

보강된 부품의 품질은 초음파 검사에 의해 비파괴적으로 검사될 수 있다. 보강된 부품은 각각의 초음파 변환기 어레이(arrays)를 지지하는 하나 이상의 슈즈(shoes)를 구비하는 프로브(probe)에 의해 초음파적으로 검사될 수 있다. 비파괴 검사(NDI) 중에, 상기 슈즈는 보강되 부품의 각각의 외부 표면에 대하여 눌려지고, 상기 변환기는 상기 보강된 부품에 음향적으로 결합되고(예컨대, 물을 사용하여), 상기 프로브는 상기 보강된 부품의 길이를 따라 증가하며 이동한다. 상기 프로브가 이동할 때, 상기 변환기 어레이는 초음파의 펄스를 생성하기 위하여 펄스/에코 모드로 작동하고 상기 초음파는 상기 보강된 부품 속으로 진행한다. 반사된 초음파는 상기 변환기 어레이로 되돌아 와서 탐지되어 상기 보강된 부품에서 크랙이나, 공극, 박리 등의 존재를 나타내는 데이터를 제공하게 된다. 상기 변환기 어레이에 의해 획득된 데이터는 통상적으로 컴퓨터 시스템에 의하여 처리되고, 처리된 데이터는 컴퓨터 모니터를 통하여 사용자에게 제공될 수 있다. 데이터 획득 장치와 데이터 취급 소프트 웨어는, 햇 스트링거(hat stringer)와 같은 검사 중의 구조물의 이미지 표현으로서 컴퓨터 모니터에 데이터를 보여주는 것과 같은 검사 데이터의 수집과 표시를 위하여 사용될 수 있고, 자격있는 검사자에 의한 검사를 허용하기 위하여 검사자료의 상응하는 색채 및/또는 그래픽 데이터로 보완될 수 있다.

통상적인 비파괴 프로브는 검사될 표면에 인접하여 배치된 초음파 변환기와 같은 측정 부재를 구비한다. 많은 경우에, 검사된 부품은 다른 형상과 배치로 된 다층 표면을 가지고 있고 많은 변환기 어레이의 사용이 필요하다. 이것은 구조물의 검사를 더욱 빠르고 효율적으로 진행할 수 있게 하고, 그리하여 검사에 관련된 비용을 저감시겨 준다. 통상적으로, 다른 구조물은, 변환기 배치(구조물의 표면에 대한 위치와 배치)를 제공하기 위해 그리고 전체 구조물에 걸쳐서 스캔하기 위하여 특정하게 설계된 각각의 변환기 어레이를 사용하여 검사된다.

항공우주 산업은 숙련된 작업자에 의한 수작업에서 자동화된 기계의 사용으로 이동하여 왔다. 이러한 상황은 복합재 구조물의 비파괴 검사 분야에서 특히 그렇게 되어 왔다. 자동화된 검사 시스템은 수작업과 반자동화 기술에 대한 대안으로서 발전되어 왔다. 그러한 시스템은 검사될 부품을 따라 비파괴 검사 엔드 이퍽터(end effector)를 스캔하는 조작장치(예컨대, 머리 위 갠트리, 다축 스캐너 또는 로봇)를 통상적으로 채용한다. 펄스 에코 초음파 검사(pulse echo ultrasonic inspection)와 같은 단일 측면 검사방법을 위하여, 6 자유도를 갖는 단일 아암 로봇 장치가, 상기 로봇 아암의 단부에 부착된 펄스 에코 비파괴 검사 장치와 같은 비파괴 검사 엔트 이펙터를 위치시키고 움직이기 위하여 사용된다. 검사될 부품은 축 주위로 회전할 수 있는 홀더에 장착될 수 있다. 그리하여 총 8 자유도가 부품의 완전한 검사를 가능하게 한다. 상기 8 자유도는 검사된 부품의 디지털 모델로부터 생성된 궤도에 따라 로봇 제어장치에 의해 제어된다.

다양한 시스템이, 동체와, 2 개의 모서리 반경부를 갖는 사다리꼴 프로파일을 갖는 윙박스 스티프너("햇 스트링거(hat stringers)"로 알려진)에 대하여 채용되었다. 어떤 시스템은, 모서리와 모서리들을 연결하는 중앙 캡 부분을 각각 조사하기 위하여 채용된 3 개의 변환기를 갖는다. 각각의 변환기는 그 자체의 초음파 셋업 기술과, 만족해야할 그 자체의 비파괴 검사 요건을 가진다. 3 개의 변환기 어레이로부터 온 데이터는 연속적인 C 스캔 데이터 표시를 제공하기 위하여 서로 이어져야(stitched) 한다. 스트링거 캡을 검사하기 위한 그러한 3 개의 변환기 시스템은 크고 고가이며 복잡한 구조를 가지고 있고, 둥근 캡 스트링거를 검사하기 위해서는 적절하지 않다.

앞에서 설명한 시스템은, 하부의 외측 반경부(lower outside radii, LOR)와 스트링거 측면(stringer sides, SS)의 비파괴 검사를 위한 4 개의 변환기 어레이를 추가로 구비할 수 있다. 그러한 7 개의 변환기 시스템에서는, 상기 캡과 정렬된 모서리를 스캔하는 3 개의 변환기 어레이를 로봇이 유지할 것이지만, 상기 LOR과 SS를 위한 다른 변환기 어레이는 그 위치를 숨기는 많은 크기 요인들에 의해 영향받게 된다. 이러한 요인들은 다음의 변수들을 적용할 수 있어야 하는데, 즉, 스트링거 높이, 스트링거 두께, 동체 플라이 드롭스(fuselage ply drops), 비대칭 스트링거 단면, 및 공정 문제(공극, 수지 거품, 등)에 기인한 불규칙 표면 조건 등이다. 만약 LOR과 SS 변환기 어레이가 위에 설명한 변수들에 대해 적절히 조정할 수 없다면, 재스캔(rescan)을 수행할 필요가 있게 된다.

스티프너의 재스캔 필요성을 감소하거나 제거하면서, 단일 연속 비파괴 검사 과정에서 둥근 캡 스티프너를 검사하기 위한 자체 정렬하는 자동화된 시스템을 제공하는 것이 바람직할 것이다.

이하에서 자세히 설명하는 본 발명은 라운드 캡(이하에서는 "라운드 구조물")을 갖는 공동의 길다란 구조물의 길이를 따른 센서 조립체의 이동과 관련하여 비파괴 검사 센서의 자체 정렬을 위한 수단을 구비하는 다중 센서 비파괴 검사 시스템에 관한 것이다. 예시의 목적으로, 비파괴 검사 센서가 각각 초음파 변환기 어레이이고 상기 라운드 구조물이 동체에 부착된 라운드 캡 스트링거인 실시예에 대하여 설명할 것이다. 그러나, 여기에서의 설명은 복합재료의 비파괴 검사를 위한 다른 형태의 센서 조립체와 다른 라운드 구조물에도 적용될 수 있다.

라운드 구조를 갖는 동체 스트링거와 같은, 대형 반경 복합재 구조물(예컨대, 그래파이트 에폭시로 만들어진)의 비파괴 검사를 위한 장치가 제공된다. 여기에 설명된 실시예에 따르면, 상기 장치는, 라운드 캡 스트링거의 이른바 "캡"을 위한 완전한 커버 범위를 제공하는 기둥형 초점을 가진 대형 반경으로 만곡된 초음파 변환기 어레이(예컨대, 64개의 변환기 부재)를 포함한다.이러한 변환기 어레이는 최적의 셋업을 위하여 상기 스트링거의 높이와 축방향으로 조정을 갖는다. 이러한 최적의 셋업과 시간 수정 게인(time corrected gain)을 사용함으로써, 복합재 스트링거의 라운드 캡은 상기 셋업을 조정하거나 변경하지 않고 비파괴적으로 검사될 수 있다. 특히, 상기 장치의 디자인은 플라이(ply)를 변경(예컨대, 5 플라이에서 12 플라이로)하면서 라운드 캡 스트링거의 캡을 스캐닝하기 위하여 하나의 셋업이 사용될 수 있도록 허용한다. 이것은 상기 캡의 비파괴 검사를 위한 중복적으로 비파괴 검사 과정을 행하거나 상기 게인(gain)을 조정해야 하는 것을 피하게 해준다. 또한 스트링거의 상기 캡을 검사할 때 변환기의 수를 3 개에서 하나로 줄여준다. 하나의 실시예에 따르면, 프로브가 상기 스트링거에 대한 상기 변환기 어레이의 정규성을 유지하기 위하여 정밀한 정렬을 위한 스테인레스 스틸 기계 슬라이드를 사용한다. 상기 프로브는 또한 버블러 구조(bubbler configuration)에서 수류 감소를 위한 감소된 물기둥(water column)을 가진다. 이러한 프로브 구조는 복합재 부품의 검사를 용이하게 하기 위한 배치로 사용될 수 있다. 이러한 프로브는 복합재 구조물을 회전시키야하지 않고 스트링거의 비파괴 검사를 할 수 있게 한다.

라운드 캡 스트링거의 상부 캡 반경부(upper cap radius)의 비파괴 검사를 위한 대반경 오목 변환기 어레이를 구비하는 것 외에, 여기에서 설명된 실시예는, 하부 외측 반경부의 비파괴 검사를 위한 2 개의 소반경 볼록 변환기 어레이 및 상기 스트링거 측면의 비파괴 검사를 위한 2 개의 선형 변환기 어레이를 추가로 포함한다. 5 개의 변환기 어레이가, 변환기 어레이의 배치(즉, 위치와 방향)의 적절한 조정을 용이하게 하는 각각의 순응 조립체에 의해 지지된다. 상기 각각의 변환기 어레이와 그들의수능 지지 장치는 이하에서는 변환기 조립체로 지칭될 것이다. 상기 상부 캡 반경부의 변환기 조립체는 요크에 선회가능하게 결합되고, 상기 요크는 메인 구조물 플레이트에 부착된다. 상기 하부 외측 반경부와 스트링거 측면의 변환기 조립체들은 상기 메인 구조물 플레이트의 각각의 모서리에 장착된다. 상기 요크와 메인 구조물 플레이트는 모두 로봇 인터페이스 플레이트/어셈블리에 연결된다.

라운드 캡 스트링거의 비파괴 검사 동안에, 상기 로봇은 상기 상부 캡 반경부 변환기 어레이를 정렬되게 유지할 것이다. 여기에 설명된 상기 하부 외측 반경부와 스트링거 측면의 변환기 조립체들은 스트링거 규격, 동체 플라이 드롭, 비대칭 스트링거 단면, 및 공정상의 문제(공극, 수지 거품 등)에 기인한 불규칙 표면 상태에 있어서 위에서 언급된 여러 변이(variations)에 적용될 수 있을 것이다. 더욱 구체적으로, 상기 하부 외측 반경부와 스트링거 측면의 변환기 조립체들은, 상기 하부 외측 반경부와 스트링거 측면의 변환기 어레이들이 앞에 설명한 여러 변이에 적용될 수 있게 하는 내장된 중심맞춤 기구를 포함한다.

이하에서 설명하는 본 발명의 하나의 실시예는, 지지 구조물;과 상기 지지 구조물에 선회가능하고 미끄러지게 결합된 대형 축; 상기 대형 축의 단부에 부착된 유연성 커플링; 상기 유연성 커플링에 부착된 변환기 홀더; 및 상기 변환기 홀더에 부착된 중심맞춤 기구를 포함하는 장치이다.

하나의 실시예에 따라, 상기 중심맞춤 기구는, 변환기 홀더에 의해 양쪽 단부에 지지된 제1, 제2 소형 축; 각각의 상기 제1 제2 소형 축에 미끄러지게 결합된 제1, 제 2 선회/미끄럼 기구; 및 각각의 상기 제1, 제 2 선회/미끄럼 기구에 선회가능하게 결합된 제1, 제2 4-링크 중심맞춤 가이드 조립체를 포함한다. 상기 제1 선회/미끄럼 기구는 제1 베어링과 제1 피봇 핀을 포함하고, 상기 제2 선회/미끄럼 기구는 제2 베어링과 제2 피봇 핀을 포함하고, 상기 제1, 제2 소형 축은 각각 상기 제1, 제2 베어링에서 미끄럼가능하고, 상기 제1, 제2 4-링크 중심맞춤 가이드 조립체는 각각 제1, 제2 피봇 핀에 선회가능하게 결합된다. 각각의 상기 제1, 제2 4-링크 중심맞춤 가이드 조립체는 상기 제1, 제 2 선회/미끄럼 기구에 선회가능하게 각각 결합된 제1, 제2 상부 중심맞춤 가이드와, 상기 제1, 제2 상부 중심맞춤 가이드에 선회가능하게 각각 결합되고 서로 선회가능하게 결합된 제1, 제2 하부 중심맞춤 가이드를 포함한다. 상기 중심맞춤 기구는 상기 제1, 제2 하부 중심맞춤 가이드에 구를 수 있게 결합된 다수의 구름부재를 추가로 포함한다. 상기 변환기 어레이는 상기 제1, 제2 4-링크 중심맞춤 가이드 조립체들 사이에 배치된다. 상기 장치는 상기 지지 구조물에 선회가능하게 그리고 미끄럼 가능하게 결합된 제2 대형 축과, 상기 제2 대형 축의 하나의 단부에 부착된 제2 유연성 커플링, 상기 제2 유연성 커플링에 부착된 제2 변환기 홀더, 상기 제2 변환기 홀더에 의해 고정된 제2 변환기 어레이, 및 상기 제2 변환기 홀더에 부착된 제2 중심맞춤 기구를 추가로 포함할 수 있다. 바람직하게는, 상기 장치는, 상기 제1 변환기 어레이가 오목 곡률을 가지고, 상기 제2 변환기 어레이가 선형이며, 상기 제1 변환기 어레이가 스티프너의 하부 외측 반경부와 만날 때 상기 제2 변환기 어레이가 상기 스티프너의 측면과 만나도록 상기 제1, 제2 변환기 어레이가 배치되어 있다. 바람직하게는 상기 장치는, 각각의 상기 제1, 제2 변환기 어레이가 오목 곡률을 가지고, 상기 제1 변환기 어레이가 스티프너의 하부 외측 반경부와 만날 때 상기 제2 변환기 어레이가 상기 스티프너의 제2 하부 외측 반경부와 만나도록 상기 제1, 제2 변환기 어레이가 배치되어 있다. 바람직하게는 상기 장치는, 각각의 상기 제1, 제2 변환기 어레이가 선형이고, 상기 제1 변환기 어레이가 스티프너의 제1 측면과 만날 때 상기 제2 변환기 어레이가 상기 스티프너의 제2 측면과 만나도록 상기 제1, 제2 변환기 어레이가 배치되어 있다.

본 발명의 다른 실시예는, 축을 구비하고, 상기 축에 수직으로 배치된 플레이트와, 사각형의 각각의 모서리에 배치되고 상기 플레이트에 고정되게 결합된 제1 내지 제4 슬리브를 포함하는 제1 지지 구조물;과 상기 제1 내지 제4 슬리브에 각각 안착된 제1 내지 제4 베어링; 상기 제1 내지 제4 베어링에 선회가능하고 변위가능하게 각각 결합된 제1 내지 제4 대형 축; 상기 제1 내지 제4 대형 축의 각각의 단부에 각각 부착된 제1 내지 제4 유연성 커플링; 상기 제1 내지 제4 유연성 커플링에 각각 부착된 제1 내지 제4 변환기 홀더; 상기 제1 내지 제4 변환기 홀더에 각각 부착된 제1 내지 제4 변환기 어레이; 및 상기 제1 내지 제4 변환기 홀더에 각각 부착된 제1 내지 제4 중심맞춤 기구를 포함하는 장치에 대한 것이다.

본 발명의 하나의 실시예에 따르면, 각각의 상기 제1 내지 제4 중심맞춤 기구는 상기 제1 내지 제4 변환기 홀더의 각각에 의해 양단에서 지지된 제1, 제2 소형 축;과 각각의 상기 제1, 제2 소형 축에 미끄러지게 결합된 제1, 제2 선회/미끄럼 기구; 및 각각의 상기 제1, 제2 선회/미끄럼 기구에 선회가능하게 결합된 제1, 제2 4-링크 중심맞춤 가이드 조립체를 포함한다. 상기 제1 선회/미끄럼 기구 각각은 제1 베어링과 제1 선회 핀을 포함하고, 상기 제2 선회/미끄럼 기구 각각은 제2 베어링과 제2 선회 핀을 포함하고, 상기 제1, 제2 소형 축은 각각 상기 제1, 제2 베어링에서 미끄러지게 되어 있고, 상기 제1, 제2 4-링크 중심맞춤 가이드 조립체는 상기 제1, 제2 선회 핀에 선회가능하게 결합되어 있다. 각각의 상기 제1, 제2 4-링크 중심맞춤 가이드 조립체는 상기 제1, 제2 선회/미끄럼 기구에 각각 선회가능하게 결합된 제1, 제2 상부 중심맞춤 가이드와, 상기 제1, 제2 상부 중심맞춤 가이드에 각각 선회가능하게 결합되고 서로에게 선회가능하게 결합된 제1, 제2 하부 중심맞춤 가이드를 포함한다. 상기 제1 내지 제4 변환기 어레이는 상기 제1, 제2 4-링크 중심맞춤 가이드 조립체들 사이에 각각 배치될 수 있다.

각각의 상기 제1, 제2 변환기 어레이가 오목 곡률을 가지고, 각각의 상기 제3, 제4 변환기 어레이가 선형이며, 상기 제1 변환기 어레이가 스티프너의 제1 외측 반경부와 만날 때 상기 제2 변환기 어레이가 상기 스티프너의 제2 외측 반경부와 만나고, 상기 제3 변환기 어레이가 상기 스티프너의 제1 측면과 만나고, 상기 제4 변환기 어레이가 상기 스티프너의 제2 측면과 만나도록 상기 제1 내지 제4 변환기 어레이가 배치되어 있다.

상기 장치는, 상기 제1 지지 구조물의 제2 지지 구조물 플레이트에 고정되게 결합된 제2 지지 구조물;과, 상기 제2 지지 구조물에 선회가능하게 결합된 제5 변환기 어레이 홀더; 및 상기 제5 변환기 어레이 홀더에 고정된 제5 변환기 어레이;를 추가로 포함하고, 상기 제5 변환기 어레이는 상기 제1 변환기 어레이가 상기 스티프너의 제1 외측 반경부와 만날 때 상기 스티프너의 라운드 캡의 탐지나 인터로게이션을 가능하기에 충분한 길이의 오목 곡률을 갖는다.

추가의 실시예는, 스킨 구조물;과 상기 스킨 구조물에 부착되어 있고 복합재료로 만들어지고 캡과 캡에 연결된 제1, 제2 측면 및 이 제1, 2 측면에 각각 연결된 제1, 제2 하부 외측 반경부를 포함하는 스티프너; 아암을 포함하는 매니퓰레이터; 및 상기 아암에 결합된 초음파 검사 프로브;를 포함하는 시스템이다. 상기 초음파 검사 프로브는, 상기 매니퓰레이터의 아암에 결합되고 직사각형의 각각의 모서리에 배치되고 제1 내지 제4 지지 부재가 고정 결합된 플레이트를 구비하는 프로브 지지 구조물; 및 상기 제1 내지 제4 지지 부재에 선회가능하고 변위가능하게 결합된 제1 내지 제4 변환기 조립체를 포함하되, 각각의 상기 제1 내지 제4 변환기 조립체는 각각의 변환기 홀더와, 각각의 변환기 홀더에 의해 고정된 각각의 변환기 어레이, 및 각각의 변한기 홀더에 부착된 각각의 중심맞춤 기구를 포함한다. 상기 제1, 제2 변환기 조립체의 변환기 어레이는 오목 곡률을 갖고 상기 스티프너의 제1, 제2 하부 외측 반경부에 각각 음향적으로 결합되어 있고, 상기 제3, 제4 변환기 조립체의 변환기 어레이는 선형이고, 상기 스티프너의 제1, 제2 측면에 각각 음향적으로 결합되어 있다.

앞에서 설명된 상기 시스템은 상기 프로브 지지 구조물에 선회가능하게 결합된 제5 변환기 조립체를 추가로 포함할 수 있고, 상기 제5 변환기 조립체는 상기 스티프너의 라운드 캡에 음향적으로 결합된 변환기 어레이를 포함하고, 상기 제5 변환기 어레이는 상기 스티프너의 제1 측면에서 또는 그 가까이로부터 상기 스티프너의 제2 측면으로 또는 그 가까이로 상기 라운드 캡의 탐지나 인터로게이션을 가능하기에 충분한 길이의 오목 곡률을 갖는다.

또다른 추가의 실시예는, 스킨 구조물;과 상기 스킨 구조물에 부착되어 있고 복합재료로 만들어지고 라운드 캡과 이 라운드 캡에 연결된 제1, 제2 측면 및 이 제1, 2 측면에 각각 연결된 제1, 제2 하부 외측 반경부를 포함하는 스티프너; 아암을 포함하는 매니퓰레이터; 및 상기 아암에 결합된 초음파 검사 프로브;를 포함하는 시스템이다. 상기 초음파 검사 프로브는, 상기 매니퓰레이터의 아암에 결합된 프로브 지지 구조물; 및 상기 프로브 지지 구조물에 선회가능하게 결합된 제1 변환기 조립체를 포함하되, 상기 제1 변환기 조립체는 스티프너의 라운드 캡에 음향적으로 결합된 제1 변환기 어레이를 포함한다. 상기 제1 변환기 어레이는 상기 스티프너의 제1 측면에서 또는 그 가까이로부터 상기 스티프너의 제2 측면으로 또는 그 가까이로 상기 라운드 캡의 탐지나 인터로게이션을 가능하기에 충분한 길이의 오목 곡률을 갖는다. 하나의 실시예에서 상기 프로브 지지 구조물은 상기 매뉴퓰레이터의 아암에 결합된 메인 구조물 플레이트와 상기 메인 구조물 플레이트에 부착된 요크를 포함하고, 상기 제1 변환기 어레이는 상기 요크에 선회가능하게 결합되어 있다.

상기 시스템은 상기 프로브 지지 구조물에 선회가능하고 미끄러지게 결합된 대형 축과, 상기 대형 축의 한쪽 단부에 부착된 유연성 커플링, 상기 유연성 커플링에 부착된 변환기 홀더, 상기 변환기 홀더에 의해 고정된 제2 변환기 어레이, 및 상기 변환기 홀더에 부착된 중심맞춤 기구를 포함한다. 하나의 실시예에서, 상기 중심맞춤 기구는, 변환기 홀더에 의해 양쪽 단부에 지지된 제1, 제2 소형 축; 각각의 상기 제1 제2 소형 축에 미끄러지게 결합된 제1, 제 2 선회/미끄럼 기구; 및 각각의 상기 제1, 제 2 선회/미끄럼 기구에 선회가능하게 결합된 제1, 제2 4-링크 중심맞춤 가이드 조립체를 포함한다. 상기 제 1 선회/미끄럼 기구는 제1 베어링과 제1 피봇 핀을 포함하고, 상기 제2 선회/미끄럼 기구는 제2 베어링과 제2 피봇 핀을 포함하고, 상기 제1, 제2 소형 축은 각각 상기 제1, 제2 베어링에서 미끄럼가능하고, 상기 제1, 제2 4-링크 중심맞춤 가이드 조립체는 각각 제1, 제2 피봇 핀에 선회가능하게 결합된다. 각각의 상기 제1, 제2 4-링크 중심맞춤 가이드 조립체는 상기 제1, 제 2 선회/미끄럼 기구에 선회가능하게 각각 결합된 제1, 제2 상부 중심맞춤 가이드와, 상기 제1, 제2 상부 중심맞춤 가이드에 선회가능하게 각각 결합되고 서로 선회가능하게 결합된 제1, 제2 하부 중심맞춤 가이드를 포함한다. 상기 제2 변환기 어레이는 오목 곡률을 가지면 상기 스티프너의 제1 하부 외측 반경부에 음향적으로 결합되고, 또는 상기 제2 변환기 어레이는 선형이고 상기 스티프너의 제1 측면에 음향적으로 결합된다. 총 5 개의 변환기 어레이가 스티프너의 라운드 캡과 측면들 및 하부 외측 반경부의 비파괴 검사를 위하여 구비될 수 있다.

라운드 캡 스티프너의 비파괴 검사를 위한 시스템과 방법의 다른 실시예가 이하에서 설명된다.

본 발명에 따라, 스티프너의 재스캔 필요성을 감소하거나 제거하면서, 단일 연속 비파괴 검사 과정에서 둥근 캡 스티프너를 검사하기 위한 자체 정렬하는 자동화된 시스템을 제공한다.

도 1은 스킨에 부착된 마름모꼴 스트링거를 포함하는 구조물의 사시도를 나타내는 개략도이다.
도 2는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 라운드 캡을 구비하는 스티프너에 안착된 비파괴 검사 프로브의 디지털 모델로부터 추출한 도면을 개략적으로 나타낸다.
도 3은 프로브 아래의 조망 지점으로부터 도 2가 추출된 동일한 디지털 모델로부터 추출한 다른 도면을 나타낸다.
도 4와 도 5는 도 2에서 도시된 비파괴 검사 프로브의 양단의 측면을 간략히 나타내는 도면이다. 상기 프로브의 한 단부는 스티프너(도 4 참조)의 측면의 비파괴 검사를 위한 각각의 선형 변환기 어레이를 순응하게 지지하는 변환기 조립체의 제1쌍을 포함하고, 상기 프로브의 다른 단부는 상기 스티프너(도 5 참조)의 하부 외측 반경부의 비파괴 검사를 위한 각각의 만곡된 변환기 어레이를 순응하게 지지하는 변환기 조립체의 제2쌍을 나타낸다.
도 6은 도 2에 도시된 라운드 캡 스티프너를 추가하여 도 5에 보인 동일한 측면도를 나타낸다.
도 7a와 도 7b는 도 2에 보인 실시예에 따라 스트링거 측면 변환기 조립체의 하부의 다른 조망 지점으로부터 본 도면을 각각 나타낸다.
도 8은 도 2에 도시한 실시예에 따라 하부 외측 반경부 변환기 조립체의 도면을 개략적으로 나타낸다.
도 9는 도 2에 도시한 실시예에 따라 요크에 선회가능하게 결합된 상부 캡 반경부의 도면을 나타낸다.
도 10은 도 2에 도시된 상부 캡 반경부의 도면을 나타내되, 상기 상부 캡 반경부 변환기 조립체의 하부 하우징(도 3 참조)을 생략한 상태를 개략적으로 나타낸다.
도 11은 도 10에 보인 구조물의 단면도를 나타내는 도면이다.
도 12는 선형 위치 센서의 평면도를 나타낸다. 상기 프로브 지지 구조물에 대하여 변환기 조립체의 변위를 탐지하기 위하여 프로브 지지 구조물에 4 개의 그러한 선형 위치 센서가 부착된다.
도 13a는 도 12에 도시된 선형 위치 센서와 결합되어 사용된 핀 액츄에이터의 측면도를 나타낸다.
도 13b는 도 13a에 도시된 핀 액츄에이터의 단면도를 나타낸다.
도 14는 본 발명의 하나의 실시예에 따른, 로봇에 의해 실행되고 데이터 획득 시스템과 연결되어 작동하는 프로브를 포함하는 비파괴 검자 시스템에 대한 사시도를 나타낸다.
도 15는 예시적인 항공기 생산 및 서비스 방법의 흐름도를 나타낸다.
도 16은 항공기의 예시적인 블록 다이아그램을 나타낸다.

다른 도면에서도 동일한 부재에 대해서는 동일한 도면부호를 사용하여 첨부된 도면을 참조하여 이하에서 본 발명을 자세히 설명할 것이다. 항공기 동체를 위한 라운드 캡 복합재 스트링거를 검사하기 위한 비파괴 검사 장치와 방법의 실시예가 이하에서 설명될 것이다. 그러나, 여기서 설명된 상기 장치와 방법은 라운드 캡을 구비하는 다른 길다란 복합재 스티프너를 포함하여 비파괴 검사가 필요한 비슷한 분야에도 사용될 수 있을 것이다.

햇 스트링거(hat stringers)를 검사하는 것은 펄스 에코 초음파(pulse echo ultrasonic, PEU) 검사와 같은 일측면 검사 기술을 통상 필요로 한다. 그러나, 햇 스트링거는 검사를 복잡하게 한다. 여기서 설명하는 상기 햇 스트링거 검사 장치는 단면에서 보았을 때 라운드 프로파일을 갖는 햇 스트링거에서 펄스 에코 검사를 수행할 수 있다. 설명된 실시예는 일 회의 검사를 실행할 수 있게 하기 위하여 햇 스트링거의 측면들과 상부를 스캔할 수 있도록 되어 있다. 상기 변환기 어레이는 전체 햇 스트링거의 완전한 검사를 확보하기 위하여 전략적으로 놓여지고 배치된다.검사 센서를 위한 지지 구조믈은 변환기 홀더로 지칭되기도 하는데, 햇 스트링거의 의도된 형상과 사이즈에 상응하는 변환기 어레이의 특정한 위치와 방향에 대하여 제작될 수도 있다.

도 1은 2 개의 햇 스트링거(110)를 가진 구조물의 사시도를 나타낸다. 상기 구조물은, 전체 구조물을 보강하기 위하여 개별적인 또는 햇 스트링거(110)가 부착된 스킨(112)을 포함한다. 각각의 햇 스트링거(110)는 각각의 모서리들(124, 126)에서 캡(114)에 연결된 경사진 측면(116, 118)을 갖는 사다리꼴 구조를 가진다. 각각의 햇 스트링거(110)가 각각의 모서리(128, 130)에서 상기 햇 스트링거의 경사진 측면으로 연결하는 플랜지(120, 122)에서 스킨(112)에 부착된다. 도 1에 보인 구조를 갖는 햇 스트링거를 검사하기 위하여, 7 개의 변환기 어레이 세트를 사용하는 하나의 접근법이 공지되어 있는데: 중앙 캡부(114)를 검사하기 위한 1 개의 변환기; 경사진 측면(116, 118)을 검사하기 위한 2 개의 변환기; 캡 모서리(124, 126)를 검사하기 위한 2 개의 변환기; 및 모서리(128, 130)를 검사하기 위한 2 개의 변환기;를 구비한다. 여기서 사용된 "모서리"라는 용어는 만곡된 표면이라는 점을 이해하여야 할 것이다. 상기 중앙 캡부(114)는 상기 캡 모서리(124, 126)를 연결하는 평면이다.

여기에 개시된 것에 따르면, 라운드 캡을 갖는 스트링거(이하에서는 "라운드 캡 스트링거")를 조사하기 위한 장치가 제공되어 있는데, 라운드 캡 스트링거는 스트링거의 경사진 측면이 연속적으로 만곡된 캡에 의해 연결된 것을 의미한다. 예를 들어, 상기 연속적으로 만곡된 캡의 프로파일은 원형이나, 타원형, 포물형 또는 다른 형태의 곡선으로 될 수 있다.

도 2는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 라운드 캡 스트링거에 안착된 초음파 검사 프로브(18)를 나타낸다. 상기 라운드 캡 스트링거(4)는 스킨 구조물(2, 예컨대 동체 스킨)에 부착되어 보강하는 역할을 한다. 상기 라운드 캡 스트링거(4)는 복합재료로 만들어지고, 캡과, 이 캡에 연결된 제1, 제2 경사진 측면 및 제1, 제2 경사진 측면에 각각 연결된 제1, 제2 하부 외측 반경부를 구비한다. 상기 프로브(18)는 길이방향으로 상기 라운드 캡 스트링거(4)를 스캔하기 위한 컴퓨터 제어 매니퓰레이터(도시 안됨)의 아암에 장착될 수 있다 (예시와 설명의 목적을 위해 길다란 라운드 캡 스트링거(4)는 직선으로 표시됨).

도 2에 도시된 실시예에 따르면, 상기 초음파 검사 프로브(18)는 상기 매니퓰레이터 아암(도시 안됨)에 결합된 프로브 지지 구조물(32)과, 이 프로브 지지 구조물(32)에 선회가능하고 변위가능하게 결합된 4 개의 변환기 조립체(50a-50d)를 포함한다. 상기 프로브 지지 구조물(32)는 사각형 메인 구조물 플레이트(34)와, 각각의 지지 레그(38a-38d) 위의 4 개의 지지 슬리브(36a-36d)를 포함한다. 상기 지지 레그(38a-38d)는 각각의 모서리 빔(40)에의해 상기 메인 지지 플레이트(34)의 각각의 모서리에 연결되고, 다수의 (예컨대 4 개의) 측면 빔(42)에 의해 인접한 지지 레그에 연결된다. 상기 메인 구조물 플레이트(34)는 큰 원형 중앙 구멍(44)과 4개의 작은 원형 구멍(46)을 구비할 수 있다.

도 2에 도시된 실시예에서, 상기 메인 구조물 플레이트(34)와, 지지 슬리브(36a-36d), 지지 레그(38a-38d), 모서리 빔(40), 및 측면 빔(42)은 하나의 기둥 부분으로서 일체로 형성된다. 그러나, 상기 프로브 지지 구조물(32)은 개별적으로 형성된 부품으로부터 조립될 수 있다.

도 2에 보인 바와 같이, 상기 변환기 조립체(50a-50d)는 각각의 슬리브 베어링(48)에 의해 지지 슬리브(36a-36d)에 선회가능하고 변위가능하게 결합된다. 상기 변환기 조립체(50a, 50b, 이하에서는 "SS 변환기 조립체"라 함)는 상기 라운드 캡 스트링거(4)의 각각의 경사진 측면을 탐지하고 인터로게이트하기 위해 위치된 각각의 선형 변환기 어레이(도 2에서는 안 보임)를 포함하고, 상기 변환기 조립체(50c, 50d, 이하에서는 "LOR 변환기 조립체"라 함)는 상기 라운드 캡 스트링거(4)의 각각의 하부 외측 반경부를 탐지하고 인터로게이트하기 위해 위치되고 오목 곡률을 가진 각각의 선형 변환기 어레이(도 2에서는 안 보임)를 포함한다. 이러한 인터로게이션을 촉진하기 위하여, 상기 변환기 조립체(50a-50d)는 각각의 물기둥(도2에서는 안 보임)에 공급된 물에 의해 상기 라운드 캡 스트링거(4)와 면하는 부위에 음향적으로 결합되어 있는데, 상기 물기둥은 조사 동안에 상기 라운드 캡 스트링거(4)로부터 상기 변환기 어레이를 분리시킨다.

상기 프로브(18)는 프로브 지지 구조물(32)에 대해 선회가능한 변환기 조립체(100, 이하에서는 "UCR 변환기 조립체"라 함)를 추가로 포함한다. (UCR 변환기 조립체(100)의 일부분만 도 2에 보인다.) 상기 UCR 변환기 조립체(100)는 상기 라운드 캡 스트링거(4)와 음향적으로 결합할 수 있게 위치된 변환기 어레이(도2에서는 안 보임)를 포함한다. 상기 UCR 변환기 조립체(100)는 상기 스트링거(4)의 하나의 경사진 측면에서 또는 이에 인접한 부분으로부터 다른 경사진 측면으로 상기 라운드 캡을 탐지할 수 있도록 충분한 길이의 오목 곡률을 갖는다.

도2에 도시된 실시예에서, 상기 UCR 변환기 조립체(100)는 크래들(52)에 선회가능하게 결합되어 있다. 상기 크래들(52)은 크로스 바아(도 2에는 안 보임)에 부착되어 있고, 상기 크로스 바아는 상기 메인 구조물 플레이트(34)에 부착된다. (요크를 형성하는 크래들과 크로스 바아에 대한 더욱 자세한 설명은 도 9를 참조하여 제공될 것이다.)

도 3은 도 2로부터 추출한 동일한 디지털 모델로부터 본 다른 도면인데, 상기 프로브의 아래 지점으로부터 본 도면이다. 도 3에는 앞에서 설명한 크래들은 생략되어 있고, 도 3에는 상기 UCR 변환기 조립체(100)의 부분은 하부 하우징(74)만 보인다. 상기 하부 하우징은 검사되는 상기 라운드 캡 스티프너의 경사진 측면의 경사각에 일치하도록 경사진 각으로 배치된 한 쌍의 구름 부재(76, 78)를 포함한다. 각각의 구름 부재(76, 78)는 다수의 베어링 웰(75, bearing wells)을 포함한다. 축에 의해 베어링 웰(75)에 회전가능하게 장착될 수 있는 구름 베어링은 도시되어 있지는 않다. 상기 구름 베어링은, 상기 프로브가 상기 라운드 캡 스티프너를 따라 이동할 때 상기 라운드 캡 스티프너의 각각의 경사진 측면에서 평행하게 구르도록 배치되어 있다. 상기 하부 하우징(74)의 바닥 표면은 상기 하부 하우징(74)이 상기 라운드 캡 스티프너를 따라 이동할 수 있도록 허용하는 라운드 형태를 가진다. 상기 하부 하우징(74)은 물기둥(80)을 포함하는데, 이는 구름 베어링이 상기 스티프너의 경사진 측면위를 구르면서 상부 캡 반경부를 검사하기 위한 오목한 변환기 어레이(도 3에는 안 보임)의 아래에 위치한다.

도 2를 다시 참조하면, 각각의 변환기 조립체(50a-50d)는 상기 프로브 지지 구조물(32)에 대하여 축을 따라 변위할 수 있고 축에 대해 선회할 수 있는 각각의 축(60)을 포함한다. 각각의 축(60)은 각각의 슬리브 베어링(48) 안에서 미끄러지고 회전한다. 상기 축(60)은 각각의 유연성 커플링(62)과 각각의 변환기 홀더(64, 66)에 의하여 각각의 중심맞춤 기구(68)에 결합된다. 각각의 유연성 커플링(62)은 알루미늄 튜브의 길이를 통하는 스파이럴 슬롯 절단부를 갖는 알루미늄 로드의 형태를 취하고, 중심 부분에서 스프링으로 작요하는 헬리컬 코일을 형성하게 된다. 커플링의 중심 부분에 의해 허용되는 유연성은 부착된 축(60)과 변환기 홀더(64, 66)들 사이의 각도상이나 평행성 및 축방향 어긋남을 수용하게 된다. 이러한 유연성 커플링은 미국 일리노이주, 도우너 그로부의 러브조이 인크(Lovejoy, Inc., Downers Grove, Illinois)로부터 상업적으로 구할 수 있다.

상기 변환기 조립체(50a-50d)는, 도 2에 도시된 비파괴 검사 프로브의 양단부의 측면도인 도 4와 도 5를 참조하여 더욱 자세히 설명될 것이다. 상기 프로브의 한쪽 단부(도 4에 도시)에는, 상기 스티프너의 측면의 비파괴 검사를 위한 각각의 선형 변환기 어레이를 순응하게 지지하는 한 쌍의 변환기 조립체(50a, 50b)가 장착되고, 상기 프로부(도 5에 도시)의 다른쪽 단부에는 상기 스티프너의 하부 외측 반경부의 비파괴 검사를 위한 각각의 볼록 변환기 어레이를 순응하게 지지하는 한 쌍의 변환기 조립체(50c, 50d)가 장착된다.

도 4를 참조하면, 각각의 변환기 조립체(50a, 50b)는 각각의 변환기 홀더(64)를추가로 포함한다. 각각의 변환기 홀더(64)는 각각 물 노즐 연결부(86)와, 각각의 물기둥(82, 도 3)이 형성되어 구비된 각각의 슈(70, shoe)를 포함한다. 도 4에 도시된 실시예에 따르면, 상기 물 노즐 연결부와 상기 슈는 상기 중심맞춤 기구를 지지하는 변환기 홀더의 다른 부품들과 일체로 형성된다. 다른 대안으로서, 기능적으로 동등한 구조를 갖는 변환기 홀더가 개별 부품으로부터 조립될 수도 있다. 상기 물 노즐 연결부(86)는 상기 물 기둥과 유체적으로 연통되어, 검사 동안에 상기 스티프너의 각각의 경사진 측면으로 각각의 선형 초음파 변환기 어레이(71)를 음향적으로 결합하기 위하여 상기 물기둥에 물의 공급을 가능하게 한다. 상기 선형 초음파 변환기 어레이(71)는 상기 슈(70)의 내부에 각각 설치된다. 상기 선형 변환기 어레이(71)의 상부로부터 인출되는 전기 케이블 연결부(98)는 상기 각각의 변환기 어레이(71)를 각각의 전기 케이블(도 4에 도시 안됨)로의 연결을 용이하게 한다.

도 5를 참조하면, 각각의 변환기 조립체(50c, 50d)는 각각의 변환기 홀더(66)를 추가로 포함한다. 각각의 변환기 홀더(66)는 각각 물 노즐 연결부(86)와, 각각의 물기둥(84, 도 3)이 형성되어 구비된 각각의 슈(72, shoe)를 포함한다. 상기 물 노즐 연결부(86)는 상기 물 기둥과 유체적으로 연통되어, 검사 동안에 상기 스티프너의 각각의 하부 외측 반경부로 각각의 오목 초음파 변환기 어레이(도 5에서는 안 보임)를 음향적으로 결합하기 위하여 상기 물기둥에 물의 공급을 가능하게 한다. 캡과 캡 래치가 상기 슈(72)에 물을 포함하고 물의 흐름을 줄여준다. 상기 오목 변환기 어레이는 상기 슈(72)의 내부에 각각 설치된다. 상기 슈(72)로부터 그 측면에서 인출되는 전기 케이블 연결부(98)는 상기 각각의 오목 변환기 어레이를 각각의 전기 케이블(도 5에 도시 안됨)로의 연결을 용이하게 한다.

다시 도 2를 참조하면, 각각의 변환기 조립체(50a, 50b)는 각각의 변환기 홀더(64)에 부착된 각각의 중심맞춤 기구(68)를 추가로 포함한다. 도 4, 도 7a 및 도 7b에 보인 실시예에 따르면, 각각의 중심맞춤 기구(68)는 상기 변환기 홀더(64)의 각각의 서로 마주보는 가로 부재에 의해 양단부에서 지지된 제1, 제2 소형 축(90);과 각각 제1, 제2 소형 축(90)에 미끄러지게 결합된 제1, 제2 선회/미끄럼 기구(88); 및 상기 제1, 제2 선회/미끄럼 기구(88)에 각각 선회가능하게 결합된 제1, 제2 4-링크(94a, 94b 96a, 96b) 중심맞춤 가이드 조립체를 포함한다. 추가로, 각각의 변환기 홀더(64)의 상부 횡방향 부재와 각각의 선회/미끄럼 기구(88) 사이에서 연장하는 축(90) 부분은 각각의 압축 스프링(92)에 의해 둘러싸이고, 상기 압축 스프링은 상기 선회/미끄럼 기구(88)를 상기 변환기 홀더(64)의 상부 횡방향 부재로부터 먼쪽으로 밀어낸다.

도 7a 및 도 7b에서 가장 잘 볼 수 있듯이, 각각의 선회/미끄럼 기구(88)는 베어링(102)과, 선회 핀(106), 및 상기 베어링(102)과 상기 선회 핀(106)의 한 단부를 지지하는 베어링 지지체(104)를 포함한다. 더욱 구체적으로는, 상기 베어링 지지체(104)는 다음과 같은 2 부분을 구비하는 제1 실린더형 보어로 제조될 수 있다: 비교적 큰 직경을 갖고 베어링(102)이 안착되는 제1부, 각각의 소형 축(90)이 통과하기 위한 비교적 작은 직경을 가진 제2부. 상기 베어링 지지체(104)는 각각의 선회 핀(106)의 한쪽 단부를 수용하는 제2 실린더형 보어를 추가로 포함한다. 하나의 실시예에서, 상기 선회 핀(106)의 축은 상기 소형 축(90)에 수직이다. 이러한 구조에 따르면, 각각의 베어링(102)은 각각의 소형 축(90)에 변위가능하게 결합되어, 상기 선회/미끄럼 기구(88)가 상기 소형 축(90)을 따라 오르내리며 미끄러질 수 있도록 한다.

상기 선회/미끄럼 기구(88)가, 상기 스티프너 측면을 검사하기 위한 선형 변환기 어레이를 수용하는 변환기 조립체의 하부 부분을 보여주는 도 7a 및 도 7b를 참조하여 설명되었지만, 상기 하부 외측 반경부를 검사하기 위한 볼록 변환기 어레이를 수용하는 변환기 조립체에 일체화된 상기 선회/미끄럼 기구는 동일한 구조를 가질 수 있다.

도 7a 및 도 7b는 또한 상기 선형 변환기 어레이를 수용하는 변환기 조립체의 4-링크 중심맞춤 가이드 조립체의 구조를 보여준다. 상기 하부 외측 반경부를 검사하기 위한 볼록 변환기 어레이를 수용하는 상기 변환기 조립체의 상기 4-링크 중심맞춤 가이드 조립체는 동일하지는 않지만 유사한 구성을 갖는다. 각각의 변환기 조립체는 2 개의 4-링크 중심맞춤 가이드 조립체를 구비한다. 상기 프로브의 4 개의 모서리에서 4 개의 변환기 조립체를 위한 상기 4-링크 중심맞춤 가이드 조립체는, 상기 프로브가 스캔 중에 스티프너의 길이를 따라 이동할 때 동일한 원리로 작동한다.

각각의 4-링크 중심맞춤 가이드 조립체는 한 쌍의 상부 중심맞춤 가이드(94a, 94b)와 한 쌍의 하부 중심맞춤 가이드(96a, 96b)를 포함한다. 상기 상부 중심맞춤 가이드(94a, 94b)의 상부 단부는 각각의 선회 핀(106, 도 7b)에 선회가능하게 결합된다. 상기 하부 중심맞춤 가이드(96a, 96b)의 하부 단부는 상기 하부 중심맞춤 가이드(96a, 96b, 도 7a)의 상부 단부에 각각 선회가능하게 결합된다. 상기 하부 중심맞춤 가이드(96a, 96b)의 하부 단부는 서로에 대해 선회가능하게 결합된다(도 7a). 각각의 선형 변환기 어레이(71)는 각각의 변환기 조립체의 제1, 제2 4-링크 중심맞춤 가이드 조립체 사이에 배치된다. 이러한 선회가능하게 된 결합구조는 조정가능한 4변형 중심맞춤 구조를 생성하여, 상기 하부 중심맞춤 가이드(94a, 94b) 사이의 각도가 상기 스티프너 플랜지와 스티프너 양측면의 경사진 측면 사이의 각도와 일치하게 되고, 상기 변환기 어레이가 상기 양분하는 각도와 정렬될 수 있도록 한다. 상기 중심맞춤 기구는 제1, 제2 하부 중심맞춤 가이드(96a, 96b, 도 7a)에 구름가능하게 결합된 각각의 다수의 구름 부재(140)를 추가로 포함한다. 상기 중심맞춤 기구는 상기 스티프너의 길이를 따라 프로브 운동 동안에 상기 스트링거가 각도 및/또는 두께를 변경하는 상황에서 독립적인 각도 정렬을 제공한다.

다시 도 4를 참조하면, 상기 선회/미끄럼 기구(88)의 작용은 스트링거 측면 각도에 대한 동체 IML의 변형성을 허용한다. 이것은 상기 동체가 일정한 반경의 구조물이 아니기 때문에 동체의 가변 반경을 허용하게 된다. 또한 동체 구조물의 길이를 따라서도 가변적이다. 상기 선회/미끄럼 기구에 의한 중심맞춤 작용은 또한 각각의 선형 변환기 어레이를 상기 SS 변환기 조립체(50a, 50b)에 대한 각각의 스트링거 측면에서 정확한 위치에 유지하여 준다. 이러한 기구는, 도 6에 보인 바와 같이, LOR 변환기 조립체(50c, 50d)의 각각의 오목 변환기 어레이를, 우수한 데이터 영역을 확보하기 위하여, 상기 스티프너의 각각의 하부 외측 반경부와 정렬되게 유지한다.

도 8은 도2에 도시된 실시예에 따른 LOR 변환기 조립체(50c)를 나타낸다. 상기 LOR 변환기 조립체(50c)는 상기 프로브 지지 구조물(32, 도 2에 도시)에 대하여 축을 따라 변위가능하고 축 주위로 선회가능한 축(60)을 포함한다. 상기 축(60)은 슬리브 베어링(48) 내에서 미끄러지고 회전한다. 상기 축(60)의 회전은, 축회전 한계(예컨대, ±5-10도)에 다다를 때 상기 프로브 지지 구조물(32, 도 2에 도시)을 때리게 될 키퍼(122)에 의하여 제한된다. 상기 축(60)은 유연성 커플링(62)과 변환기 홀더(66)에 의하여 한 쌍의 4-링크(94a, 94b 96a, 96b) 중심맞춤 가이드 조립체에 결합된다. 상기 유연성 커플링(62)에 의해 허용된 이러한 유연성은 상기 축(60)과 상기 변환기 홀더(66)들 사이의 각도상이나 평행성 및 축방향 어긋남을 수용하게 된다.

도 2를 다시 참조하면, 각각의 축(60)의 축 변위는 각각의 지지 레그(38a-38d)에 부착된 각각의 선형 위치 센서(124)에 의하여 측정된다. 상기 선형 위치 센서(124)는 부드러운 포텐셔미터(potentiometer)의 형태를 취할 수 있다. 구멍에 나사결합된 압력 접촉점을 갖는 각각의 악세사리 부분(120)는 각각의 축(60)의 상부 단부에 부착된다. 각각의 선형 위치 센서(124)는 상기 각각의 악세사리 부분(120)의 상기 압력 접촉점이 이동한 거리를 측정한다.

도 12에 보인 바와 같이, 상기 선형 위치 센서(124)는 2 개의 저항 출력 채널과, 폴리에스터 기재(126)에 흐르는 전기 콜렉터를 구비하는 3-와이어 시스템이다. 상부 회로(128)로 압력 접촉점을 누름으로써, 상기 선형 위치 센서(124)는 상기 압력 접촉점의 선형 위치를 지시하는 전기 출력을 생성한다. 상기 압력 접촉점이 상기 축에 부착되어 있기 때문에 상기 센서 출력은 상기 축의 축 변위도 나타낸다.

하나의 실시예에 따르면, 상기 압력 접촉점은 도 13a와 도 13b에 도시한 핀 액츄에이터(150)의 형태를 취할 수 있다. 상기 핀 액츄에이터(150)는 외측의 나사(154)와 원통 실린더형 보어(156)를 구비하는 하우징을 포함한다. 상기 핀은, 상기 보어(156) 내에서 미끄러질 수 있는 플러그(160)와, 상기 하우징으로부터 돌출하고 상기 선형 위치 센서에 접촉하는 라운드 팁(152)을 포함한다. 상기 축이 축방향으로 변위할 때, 상기 라운드 팁(152)이 상기 상부 회로(128, 도 12)에 대해 지탱하고, 상기 축의 증가하는 축 변위를 나타내는 센서 출력 신호를 생성하게 된다. 각각의 축(60, 도 2)의 축방향 변위는 이러한 방식으로 탐지될 수 있다.

셋업하는 동안에, 각각의 축 부분을 둘러싸는 각각의 스프링(도시 안됨)의 압력이 상기 선형 위치 센서의 출력에 따라 조정될 수 있다. 각각의 스프링은, 각각의 축의 최적의 셋팅과 위치, 즉 상기 스트링거에서 프로브의 위치를 얻기 위하여, 길이와 마찬가지로 다른 스프링 상수를 갖는 것으로 선택될 수 있다.

상기 스트링거의 경사진 측면과 하부 외측 반경부를 검사하는 것 외에, 도 2에 도시된 프로브(18)는 상기 스트링거의 라운드 캡을 동시에 검사할 수 있다. 도 9는 하나의 실시예에 따른 UCR 변환기 조립체의 다양한 구성요소를 나타낸다. 상기 UCR 변환기 조립체는 크로스 바아(54)에 부착된 크래들(52)을 포함하는 요크(56)에 의해 지지된다. 상기 요크(56, 도 9)와 상기 메인 구조물 플레이트(34, 도 2)는 모두 로봇 인터페이스 플레이트/조립체(도시 안됨)에 연결된다. 상기 로봇 인터페이스 플레이트/조립체는 로봇 엔드 이펙터(도 14를 참조로 후술됨)의 원단부에 배치된다.

상기 UCR 변환기 조립체는 상기 스트링거의 캡을 가로질러 미끄러지기 위한 각각의 내부 표면 위에 롤러 베어링을 갖는 하부 하우징(74, 도 5를 참조로 하여 전술됨)을 포함한다. 상기 UCR 변환기 조립체는 상기 하부 하우징에 결합된 상부 하우징(부품 108과 110)을 추가로 포함한다. 상기 상부 하우징은, 상기 하부 하우징(74)으로부터 위로 돌출하는 플랜지에 나사로 결합된 볼트(142)에 의해 상기 하부 하우징에 대하여 횡방향으로 이동될 수 있다.

도 10과 도 11에 최적으로 보인 바와 같이, 볼록 변환기 어레이(112)가, 각각의 슬라이더(134, 136)에 의해 상기 상부 하우징 부품(108, 110)에 대하여 미끄러질 수 있는 2 개의 고정 요소(114, 116) 사이에 부착된다. 이것은 상기 변환기 어레이(112)의 수직 위치가 조정될 수 있게 한다. 스테인레스 스틸 슬라이더가 낮은 히스테리시스(hysteresis)와 엄격한 정렬을 제공하기 위하여 사용된다. 상기 상부 하우징 부품(108, 110)의 하부 부분은, 상부 하우징 부품(110)에 형성된 매니폴드(140)에 의해 물 저장고에 연결하는 물기둥(138)을 형성한다. 상기 변환기 어레이(112)는, 상기 스트링거의 라운드 캡의 검사 동안에 물로 채워지는 물기둥(138) 쪽으로 돌출한다.

도 11에 보인 실시예에 따르면, 상기 변환기 어레이(112)의 수직 위치는, 상부 하우징 부품(110)에 형성된 무나사(unthreaded) 보어의 무나사 부분과 상기 고정 요소(116)에 형성된 나사 보어의 나사 부분을 갖는 볼트(130)를 회전시킴으로써 수동을 조절될 수 있다.

다른 실시예에 따르면, 상기 변환기 어레이(112)의 수직 위치는 상기 볼트(130)를, 미국특허 제8, 082, 793에 제시되어 있는 예와 같이, 모터 구동 리드 나사(motor driven lead screw)로 치환함으로써 자동으로 조절할 수 있다.

하나의 실시예에 따르면, 상기 스트링거의 라운드 캡의 비파괴 검사를 위한 볼록 변환기 어레이는 원통형 촛점을 갖는 2-인치 64-부재의 만곡된 어레이가 될 수 있는데; 상기 스트링거 측면의 비파괴 검사를 위한 선형 변환기 어레이는 16-부재의 평평한 선형 어레이가 될 수 있고; 상기 스트링거의 하부 외측 반경부를 비파괴 검사하기 위한 오목 변환기 어레이는 10.2 mm의 반경과 90도 각도를 갖는 16-부재 반경부 어레이가 될 수 있다. 상기 2 개의 타입의 어레이는 GE 인스펙션 테크놀로지스로부터 구매할 수 있고, 세번째 타입의 어레이는 올림푸스로부터 구매할 수 있다.

도 14는 구조물(20, 예컨대 동체)을 검사하기 위한 검사 시스템을 보여준다. 상기 검사 시스템은 로봇(10)과, 데이터 획득 시스템(14), 및 로봇 아암(12)의 단부에 배치된 로봇 엔드 이펙터(16)에 장착되고 상기 데이터 획득 시스템(14)에 연결된 프로브(18)을 포함한다. (다시 말하자면, 상기 프로브(18)는 상기 로봇 엔드 이펙터(16)에 의하여 상기 로봇 아암(12)에 결합된다.) 상기 프로브(18)가 상기 구조물(20)을 따라 이동할 때, 데이터가 처리를 위하여 상기 데이터 획득 시스템(14)으로 보내진다. 통상적으로 상기 로봇(10)은 상기 프로브(18)를 상기 구조물(20)에 인접하게 이동하도록 자동으로 조절되고, 상기 데이터 획득 시스템(14)은, 상기 프로브의 반응을 그리기 위하여 상기 구조물(20)의 표면 이미지를 생성한다. 상기 로봇(10)은, 구조물에서 오류나 흠의 탐지가 필요한, 항공기나 자동차, 건설 산업 등 많은 다양한 산업분야에서 여러 구조물을 조사하기 위하여 사용될 수 있다. 특히, 상기 프로브가 도 2에 보인 형태이면, 상기 로봇(10)은 도 1과 도 2에 보인 형태의 스티프너를 검사하는 데 사용될 수 있다.

상기 로봇(10)은 다축 운동 성능을 갖고 부품의 측정과 검사를 위해 사용될 3차원 프로파일을 생성하기 위하여 소프트웨어 지지를 사용한다. 특히, 도 14에 보인 로봇(10)은 베이스(28)와, 회전대(22), 로커(24, rocker), 로봇 아암(12) 및 엔드 이펙터(16)를 포함하고, 이들 구성요소들은 다수의 피봇(26)에 의하여 회전가능하게 결합된다. 이러한 구성요소의 결합은 여러가지 자유도를 제공하고, 그리하여 상기 프로브(18)가 다른 위치와 다른 방향으로 이동될 수 있도록 한다. 상기 로봇(10)은, 상기 프로브(18)를 정확히 위치시키기 위하여 상기 데이터 획득 시스템(14)으로 위치 데이터(3차원 공간에서의 X, Y, 및 Z 좌표)를 제공하는 각각의 피봇(26)에서 또는 이에 연관되어 하나 이상의 위치 센서(30)를 구비하는데, 이러한 예는 미국특허 제 7,448,271호에서 찾을 수 있다. 예를 들어, 도 14에 보인 상기 로봇(10)은 6 개의 피봇(26)을 구비하고, 각각의 피봇은 상기 프로브(18)의 3차원상 위치를 집합적으로 정의하는 위치 엔코더(30)를 구비한다. 상기 프로브(18)는 상기 구조물(20)을 나타내는 비파괴 검사 테이터를 제공한다. 이와 같이, 상기 로봇(10)은 위치 데이터와 상기 구조물(20)의 검사 동안에 획득한 비파괴 검사 데이터를 사용하여 어떠한 결함의 정확한 위치를 제공한다.

도 2에 보인 프로브를 구비하여 채용될 수 있는 로봇(10)의 예는 Kuka Roboter GmbH(아우구스부르그, 독일)에 의해 제조된 로봇 모델 KR-150이며, 프로브(18)를 수용할 수 있고 데이터 획득 시스템(14)과 연통할 수 있는 다른 로봇이나 다른 매니퓰레이터도 사용될 수 있다. 더욱이, 상기 로봇(10)은 위치 데이터를 획득하기 위하여 다양한 수의 센서(30, 예컨대 하나 또는 그 이상)를 구비할 수 있고, 상기 센서(30)는 프로브(18)에 인접한 곳 등 다른 위치에 위치될 수 있다.

상기 데이터 획득 시스템(14)은, 상기 위치 센서(30)와 프로브(18)에 의해 수집된 데이터에 기초하여 복잡한 형상의 구조물의 A-스캔, B-스캔 및 C-스캔 이미지들을 포함하여 다양한 이미지를 생성할 수 있다. 더욱이, 상기 데이터 획득 시스템(14)은 상기 위치 센서(30)와 프로브(18)에 의해 수집된 데이터에 기초하여 3차원 지점 클라우드(3-dimensional point cloud)를 생성할 수 있다. 그리하여, 위치 데이터의 흐름이 상기 지점 클라우드를 생성하기 위하여 비파괴 검사 데이터의 흐름으로 매핑될 수 있다. 상기 비파괴 검사 데이터는, 다른 정보 중에서, 결함이나 불균일, 또는 상기 구조물(20)에서 다른 불완전한 점에 관한 데이터를 포함할 수 있다.

상기 데이터 획득 시스템(14)은, 구조물(20)에서의 어떠한 결함이 디스플레이에서 제공될 수 있도록 이미지를 처리하는 소프트웨어의 제어하에 작동하는 프로세서나 유사한 컴퓨터 장치를 통상적으로 구비한다. 상기 프로세서는 데스크 탑이나 랩탑 또는 이동식 처리장치에 의해 구현될 수 있는데, 상기 프로세서는 상기 위치 센서(30)와 프로브(18)에 의해 생성된 데이터를 처리할 수 있고 모니터나 다른 시각 장치와 같은 디스플레이에서 보여지는 스캔된 데이터의 이미지를 생성할 수 있다. 상기 데이터 획득 시스템(14)은 데이터의 이미지를 생성하고 또한 사용자가 먼저 생성된 이미지를 보관하거나 편집할 수 있게 한다. 그러므로, 이미지의 영구 기록이 미래의 사용이나 기록 보관을 위하여 유지될 수 있다. 그러나, 상기 데이터 획득 시스템은 기술자가 상기 데이터에 기초하여 결함의 위치를 파악하고 특이점을 찾기 위해 사용할 수 있는 위치 데이터 또는 비파괴 검사 데이터를 수학적으로 수집하고 분석할 수 있기 때문에, 상기 데이터 획득 시스템(14)은 이미지를 생성할 필요는 없다는 점을 이해할 수 있을 것이다.

상기 로봇(10)은, 상기 위치 센서(30)와 프로브(18)에 의해 축적된 데이터를 처리하기 위하여 그리고 처리된 데이터를 디스플레이 하기 위하여 통상 상기 데이터 획득 시스템(14)과 연통되어 있다. 많은 경우에, 통신 케이블(도 14에 도시 안됨)이 상기 로봇(10)과 상기 데이터 획득 시스템(14) 사이에 데이터를 전송한다. 다른 실시예에서는, 상기 데이터가 무선 통신에 의하여 상기 로봇(10)과 상기 데이터 획득 시스템(14) 사이에 전송될 수 있다. 상기 로봇(10)은 네트워크와 같은 것으로 상기 프로세서에 직접 또는 간접으로 연결될 수 있다. 추가의 실시예에서, 상기 데이터 획득 시스템(14)은 상기 로봇(10)에 인접하게 위치될 수 있어서, 상기 로봇(10)과 상기 데이터 획득 시스템(14) 사이의 원격 연결이 필요없게 되어 있다. 더욱이, 상기 데이터 획득 시스템(14)은 상기 로봇(10)과 일체로 이루어져 데이터가 로봇(10)에 의하여 수집되고 처리될 수 있도록 하는 것도 가능하다.

다른 형태의 엔드 이펙터 위치 시스템이 사용될 수도 있는데, 선형 데카르트식 축 플랫폼, 회전 축 플랫폼 및 평행 운동학을 사용하는 스튜어트식 플랫폼의 결합을 포함한다. 구체적인 예로서는 캔트리, 다른 형태의 로봇, 레일상의 로봇, 회전 기둥식 플랫폼, 및 스튜어트식 플랫폼(예컨대 6개의 다리식)을 포함한다. 이러한 예의 각각에서, 상기 엔드 이퍽터 위치 시스템은 선택된 엔드 이펙터를 그 기능을 실행할 위치로 또는 경로를 따라 전달하도록 구성되고, 성능 요구조건(예컨대, 각도, 속도, 가속도, 강성, 이동 범위, 유용성, 빠른 해제 커플링)을 만족시킨다.

이상에서 설명된 시스템과 방법은, 도 16에 보인 항공기(202)의 부품을 검사하기 위하여 도 15에 보인 것과 같은 항공기 제조 및 서비스 방법(200)에 채용될 수 있다. 전-생산 공정 동안, 상기 방법(200)은 항공기(202)의 시방서 및 설계(204)와 재료 구입(206)을 포함한다. 생산 동안에, 항공기(202)의 요소 및 소조립체 제조(208) 및 시스템 통합(210)이 일어난다. 그 다음에, 항공기(202)는 서비스(214)에 놓이기 위하여 증명과 인도(212)를 거치게 된다. 고객에 의하여 항공기가 서비스될 때, 항공기(202)는 일정한 정비 및 서비스(216)가 계획되어 있다. (이러한 정비 서비스에는 변경, 개조, 보수 등이 포함된다.)

상기 방법(200)의 각 공정은 시스템 통합자, 제3자, 및/또는 오퍼레이터(예컨대, 고객)에 의하여 수행된다. 이러한 설명을 위하여, 시스템 통합자는 수의 제한없이 항공기 제조자와 대형 시스템 하도급업자를 포함하고; 제3자는 숫자의 제한없이 판매업자, 하도급업자 및 공급자를 포함하고; 오퍼레이터는 항공사, 대여업자(leasing company), 군부대, 서비스 단체 및 다른 적절한 오퍼레이터를 포함한다.

도 16에 보인 바와 같이, 상기 방법(200)에 의하여 제조된 항공기(202)는 다수의 시스템(220)과 인테리어(222)를 갖춘 비행기 본체(218)를 구비한다. 고도의 시스템(220)의 예로서는 하나 이상의 추진 시스템(224), 전기 시스템(226), 유압 시스템(228) 및 환경 시스템(230)이 포함된다. 다른 적절한 시스템도 다수 포함될 수 있다. 항공기를 예시로 설명하였으나, 본 발명의 구성은 자동차 산업과 같은 다른 산업에도 적용될 수 있다.

여기서 고려된 장치와 방법은 상기 방법(200)의 하나 이상의 단계 동안에 적용될 수 있다. 예를 들어, 생산 공정(208)에 상응하는 요소와 소조립체는 상기 항공기(202)가 운항 서비스 중에 있는 동안, 생산된 구성요소와 소조립체와 유사한 방식으로 제작되거나 생산될 수 있다. 추가로, 하나 이상의 장치의 구성, 방법 실시예 또는 이들의 결합이, 예를 들어, 실질적으로 항공기(202)의 조립을 촉진하고 또는 항공기의 비용을 감소시킴으로써, 구성요소와 소조립체 제조(208)와 시스템 통합(210) 동안에 사용될 수 있다. 유사하게, 복수의 장치 실시예, 방법 실시예 또는 이들의 결합이, 예를 들어 또는 제한없이, 항공기(202)가 서비스 중에, 유지와 정비 서비스(216)에도 사용될 수 있다.

비파괴 검사 프로브에 대하여 다양한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 당업계에서 숙련된 자에게는 여러가지 변경이 가능하고 여기서 설명된 본 발명의 교시의 범위를 벗어나지 않고 본 발명의 구성요소에 대한 균등물이 대체될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 추가로, 여기서 설명된 본 발명의 교시의 범위를 벗어나지 않고 본 발명의 교시를 특정한 상황으로 적용하여 많은 변경이 이루어질 수도 있을 것이다. 그러므로 본 발명의 청구범위는 여기에 설명된 특정한 실시예에 한정하려는 의도가 아님을 밝혀둔다.

18: 초음파 검사 프로브 32: 프로브 지지 구조물
50a-50d: 변환기 조립체 62: 유연성 커플링
64, 66: 변환기 홀더 68: 중심맞춤 기구
71: 변환기 어레이 88: 선회/미끄럼 기구
100: 스트링거 124; 선형 위치 센서

Claims (15)

1. 지지 구조물;과
   상기 지지 구조물에 선회가능하고 미끄러지게 결합된 대형 축;
   상기 대형 축의 한쪽 단부에 부착된 제1 유연성 커플링;
   상기 제1 유연성 커플링에 부착된 제1 변환기 홀더;
   상기 제1 변환기 홀더에 의해 고정된 제1 변환기 어레이; 및
   상기 제1 변환기 홀더에 부착된 중심맞춤 기구를 포함하여 이루어지고,
   상기 중심맞춤 기구는, 상기 제1, 제2 변환기 홀더에 의해 양쪽 단부에 지지된 제1, 제2 소형 축;
   각각의 상기 제1 제2 소형 축에 미끄러지게 결합된 제1, 제 2 선회/미끄럼 기구; 및
   각각의 상기 제1, 제 2 선회/미끄럼 기구에 선회가능하게 결합된 제1, 제2 4-링크 중심맞춤 가이드 조립체를 포함하여 이루어지는 비파괴 검사용 장치.
   
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3. 제1항에 있어서, 상기 제1 선회/미끄럼 기구는 제1 베어링과 제1 피봇 핀을 포함하고, 상기 제2 선회/미끄럼 기구는 제2 베어링과 제2 피봇 핀을 포함하고, 상기 제1, 제2 소형 축은 각각 상기 제1, 제2 베어링에서 미끄럼가능하고, 상기 제1, 제2 4-링크 중심맞춤 가이드 조립체는 각각 제1, 제2 피봇 핀에 선회가능하게 결합되어 있는 비파괴 검사용 장치.
   
4. 제1항에 있어서, 각각의 상기 제1, 제2 4-링크 중심맞춤 가이드 조립체는 상기 제1, 제 2 선회/미끄럼 기구에 선회가능하도록 각각 결합된 제1, 제2 상부 중심맞춤 가이드와, 상기 제1, 제2 상부 중심맞춤 가이드에 선회가능하도록 각각 결합되고 서로 선회가능하도록 결합된 제1, 제2 하부 중심맞춤 가이드를 포함하여 이루어지는 비파괴 검사용 장치.
   
5. 제1항에 있어서, 상기 변환기 어레이는 상기 제1, 제2 4-링크 중심맞춤 가이드 조립체 사이에 배치되어 있는 비파괴 검사용 장치.
   
6. 제1항에 있어서, 상기 지지 구조물에 선회가능하게 그리고 미끄럼 가능하게 결합된 제2 대형 축;과,
   상기 제2 대형 축의 하나의 단부에 부착된 제2 유연성 커플링;
   상기 제2 유연성 커플링에 부착된 제2 변환기 홀더;
   상기 제2 변환기 홀더에 의해 고정된 제2 변환기 어레이; 및
   상기 제2 변환기 홀더에 부착된 제2 중심맞춤 기구를 추가로 포함하여 이루어지는 비파괴 검사용 장치.
   
7. 제6항에 있어서, 상기 제1 변환기 어레이가 오목 곡률을 가지고, 상기 제2 변환기 어레이가 선형이며, 상기 제1 변환기 어레이가 스티프너의 하부 외측 반경부와 만날 때 상기 제2 변환기 어레이가 상기 스티프너의 측면과 만나도록 상기 제1, 제2 변환기 어레이가 배치되어 있는 비파괴 검사용 장치.
   
8. 제6항에 있어서, 각각의 상기 제1, 제2 변환기 어레이가 오목 곡률을 가지고, 상기 제1 변환기 어레이가 스티프너의 하부 외측 반경부와 만날 때 상기 제2 변환기 어레이가 상기 스티프너의 제2 하부 외측 반경부와 만나도록 상기 제1, 제2 변환기 어레이가 배치되어 있는 비파괴 검사용 장치.
   
9. 제6항에 있어서, 각각의 상기 제1, 제2 변환기 어레이가 선형이고, 상기 제1 변환기 어레이가 스티프너의 제1 측면과 만날 때 상기 제2 변환기 어레이가 상기 스티프너의 제2 측면과 만나도록 상기 제1, 제2 변환기 어레이가 배치되어 있는 비파괴 검사용 장치.
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