JP2018529075A - 自動リボン配置のリアルタイム検査 - Google Patents
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Abstract
自動リボン配置（例えば、ＡＴＬ，ＡＦＰ）の間、繊維補強ポリマ複合体部品の自動オンライン検査技術は、不備を識別するために干渉検査（例えばＯＣＴ）を使用し、部品に対して設計されたレイアップからの偏差を検出する。オンラインかつリアルタイムの（すなわち、高速の）検査が明示され、エッジ型不備や全面不備を識別できる。リボン配置の為に使用されるロボットヘッドの作業エンベロープを拡張しないセンサが明示される。【選択図】 図２
Description
[0001]本発明は、一般に、自動化リボン配置機の自動化検査に関し、特に、自動化テープレイアップ又は自動繊維配置機のようなロボットリボン配置機によって（プリプレッグ・トウ、スリット又は全テープを含む）繊維のリボンの付着をオンラインでリアルタイムに自動監視することに関する。
[0002]高分子マトリックス（又は繊維強化ポリマ、ＦＲＰ）は、その剛性、強度、軽量性のため、部品の各点で望ましい強度および剛性のため、更に、最適重量の技術的仕事を可能にするため、たとえ、その部品が複雑なジオメトリを有し、非常に大きなサイズであっても、商業的には重要な材料である。航空機の胴体または翼、ヘリコプタのロータ、風力タービンの翼形のような複雑な形状を有する部品、大きな構造的部品は、そのような複合材で形成される。
[0003]この分野における主な開発の一つは、リボン配置機の自動であった。その開発以前、大きな部品を生産する為に多くの仕上げ時間を必要とするファイバレイアップが手動で行われていた。自動化リボン配置（ＡＲＰ）は、ロボットを用いた面倒な作業を提供することによって、より一貫した部品を提供する。自動化リボン配置の２つの周知例は、（ＡＦＰは、高度ファイバ配置としても知られる）自動ファイバ配置および自動テープレイアップ（ＡＴＬ）である。本書の自動化リボン配置は、これらの技術及び類似技術をカバーし、これらは、配向された繊維のリボンを適用することを伴い、これらの繊維は（例えば、プリプレッグを定めるようにエポキシ又はＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）のようなポリマ樹脂を用いて）単一化されるが、その適用は、表面にリボンを押圧することによって、マンドレル、機械設備の表面、成形面に（または、先に上部に付着された材料に）リボンを配置することで達成され、その間ずっと、カッタを所定位置に置き、置いている間、任意の地点でリボンを切断し、同時に、その表面に対してリボンを移動させ、その表面上の所望パターンで付着を導く。好ましくは、リボンは、例えば、押圧前に、それらを柔らかくし、粘着しやすくするように取り扱われ、リボンの粘着性を向上させるか、その順応性（conformability）を高める。エンドエフェクタ（ヘッド）を備えたロボットは、これらの機能、取扱い、押圧、切断の全てを行ってもよく、様々な商業的に利用可能なＡＦＰ及びＡＴＬロボットヘッドの場合のように、リボン送りシステムの少なくとも一部を含むが、これは、必然的なことではない。本書のＡＦＰヘッド、ＡＴＬヘッド、ＡＲＰヘッドは、ロボットのエンドエフェクタであり、これらは、電子的に制御される少なくとも３つの自由度（ＤｏＦ）を備えた運動機に装着されるように適合されるので、ロボットは、ヘッドの軌道（位置、向き、速度）、構築される複合部を圧密化するように加えられる力を制御することができる。
[0004]ロボット配置は、莫大な進化であり、その部分の計算機援用設計（ＣＡＤ）に従う付着を許容する。この技術は、非常に費用効果が良く、１６インチ程度の大きさの幅を包含する繊維リボンの付着は、現在、毎分２０００インチ（毎分５０ｍまたは毎秒１ｍ）の速度で行われる。
[0005]そのため、ウィキペディアによると、現在生産されている大型商業航空機（エアバスA350 XWB、ボーイング787 Dreamliner）の（重量で）半分がカーボン繊維補強ポリマ複合材である。
[0006]付着は非常に効率が良いが、製品には不備（defects）がないという厳しい要件は、品質評価（ＱＡ）、処理の文書化を含む全体処理効率を大いに遅らせる。一部の欠陥（flaws）は、レイアップ中に確かに生じる。これらの不備の一部は、顕著であり、いずれも、個別またはそれらの数や密度に対して重大な意味を持つ。そのような場合、製造される部品は、修理されるか不合格にされなければならない。ありそうな不備は、たとえば、以下の通りである：不要な隙間または隣接したリボン間の重なり；欠如したリボン；ねじれ又は折り重ねられたリボン；突出又は緩んだリボン；リボンの不正確な始点および停止場所；異物体又は破片；表面における粘着液滴。そのような不備の潜在性には、各プライが付着された後、作業者による検査が必要である。自動化されたレイアップシステムにおいて、トウの層を手動で検査する為に、拡大鏡および、手に持つスキャナを使用することが知られている（US 5,963,660を参照）。
[0007]時間浪費および重労働の目視検査を排除する為に、これらの不備をレイアップ中に検査して検出することができる、現時点で利用可能なオンライン又は高速の検査システムは存在しない。ＱＡの費用は、部品費用の実質的な部分になっており、製品費用の１／４以上に相当する。同一のウィキペディアの頁は、これらの航空機の多くは、ＣＦＲＰから作られ、「これらの部品の製造に伴う問題のため、多くの遅れが注文受渡し日を押し戻す。ＣＦＲＰを使用する多くの航空機は、ＣＦＲＰコンポーネントを作る為に使用される比較的に新しい処理のため、注文受渡し日に伴う遅れを経験したことがある。」リボンをレアップする為にロボットが要する時間が小さいので、遅れは、ＱＡに起因している。
[0008]米国の国立防衛製造・機械加工センター（ＮＣＤＭＭ）は、空軍研究所プロジェクトにおけるパートナーとしてインガーソル機械ツールを選んだ（ＮＣＤＭＭによる２０１３年５月１６日のパブリックリリース）。後に、株式会社ＡＴＫは、そのプロジェクトの第２段階にかかわるように選ばれた（Camozzi Machine Toolsによる２０１４年２月２７日パブリックリリース）。両方の文献が採り上げていることは、自動化システムに伴う検査がリアルタイムを出現させ、複合構造体が製造されている間に、そのシステムが不備を電子文書化し、追跡することができる点である。現在利用可能なオンライン又は高速検査の為の唯一のシステムは、付着の上流側にある。このシステムは、リアルタイム検査システム（ＲＴＩＳ）と呼ばれている。それは、レーザ光区分センサを使用して、置かれる前のトウを検査する（Camozzi Machine Toolsによる２０１３年３月８日パブリックリリース）。トウの表面および白地の間のコントラストは、ねじれ、破損、スプライス、許容範囲から外れたトウのようなトウの不備を識別することを比較的容易にする。これはリアルタイム検査であるが、測定は付着済み表面に対して行われず、付着前のトウに対して行われるので、このようにして監視できない多くの付着欠陥（隙間、重なり、トウの間違った始点又は終点）が存在する。特に、商業的に利用可能な機械を用いてトウが置かれる速度で、カーボンブラック地のカーボンブラックトウに伴う表面トポグラフィを得ることはかなり難しい。
[0009]IngersollMachine Toolsに対する米国特許第7,835,567は、オンライン撮像および不備検出の為の画像ベースシステムを教示する。この発明は、虚像と目視画像を比較して不備を検出することに関する。この特許は、「本発明は、様々な異なる型式の映像捕捉センサを用いて実施可能であり、映像捕捉センサには、レーザセンサ；カメラ；二次元及び三次元センサ；スキャナなどが含まれる。」と記載する。この特許は、繊維配置ヘッドの圧縮ローラに密接して繊維配置機に直接装着される映像捕捉要素の例示的実施形態を示す。圧縮ローラは、示されていないが、どのように「密接」かの向きは与えていない。映像捕捉素子は、広げられたビームを利用し、これが、複合構造体の一部分の二次元リニアプロファイルを与える。
[0010]目視画像（visual image）と虚像（virtual image）とを比較して、構造体の適した形成を決定するという記載された目的に対して、様々な映像捕捉素子が発明実施に使用可能であるという説明は正しくない。出願人が知る限り、カメラベースの画像検出が、使用された証明システムに拘わらず、リアルタイムで可能であることの実証は何も示されていなかった。出願人は、レーザ三角測量が、黒地においては一般的に感度の良い技術ではないこと、観察が難しいことも発見した。たとえ、感度および観察問題が解決されたとしても、（当該技術で最も頻繁に使用されている画像システムである）三角測量システムは、ソースおよび検出器の分離を必要とし、これらのシステムを本質的に嵩張らせる。この問題は、米国特許第7,835,567号には示されておらず（比較的小さな映像捕捉素子は概略的に示されているが）、又は、取り組まれていない。配置機の移動性を制限することなく小型のレーザ三角測量システムをＡＲＰヘッドに組み込むことによって、手ごわい難題を呈する。その要件を満たすことができるセンサシステムの特許日において利用可能な出願には何も教示または示唆がない。
[0011]さらに、２０１２年１月１８日の米国特許第7,835,567号の出願後の５年、Ingersoll Machine Toolsは、自動化複合材配置のツール上の検査について提案を提出する。セクション２．６．１は、オンザフライとレイアップ後の検査を比較している。オンザフライは製造処理を遅らせないので、オンザフライは最も望ましいことが認められているが、それは、配置ヘッドに装着される検査用ハードウェアを必要とし、機械的エンベロープを増加させるので、複雑な部品における付着の為の衝突を引き起こすことがある。Ingersoll Machine Toolsは、レーザベースの三角測量だけを考慮するが、これは、前述したように、かなり嵩張り、実用上、圧縮ローラに密接して探針で探ることができない。これにより、非常に輪郭付けられた部品には多くの困難が生じる。その結果、Ingersoll Machine Toolsは、付着されたトウのオンザフライ測定を行わないことを勧めるが、むしろ、ＡＦＰ機上に装着されたロボットアームを用いたレイアップ後の検査、或いは、別個の度量衡システムを示唆する。この取組みは、目視検査と比べて顕著な改善であるが、それぞれ付着された層は次の層が付着される前に検査されなければならないことから、処理を依然として著しく遅らせるという欠点を有する。
[0012]（２０１０ＳＰＩＥ会議録で論文を発行した）アーヘン大学研究者達は、成形品の表面を走査して正確な成形品のジオメトリをテープ付着前に発生させるレーザ三角測量を使用した。さらに、彼らは、（一方が圧縮ローラ前で最後に付着されたトウを検出し、他方が圧縮ローラ後に、新たに置かれたトウにおいて隙間などを識別する）２つのレーザライン三角測量システムを示唆した。前者は、EP2639048の対象のようである。この文献は、データ適合アルゴリズムを使用することによって、付着後のテープエッジの場所を見分ける技術を教示する。この処理の実証は、カメラ及びレーザを用いたオフライン処理として実施されたが、カメラ及びレーザは、この効果の為に都合良く配置されている。
[0013]このシステムには、大部分は（レーザ三角測量システムに必要な）カメラ及びレーザの分離に必要なセンサの嵩張りの為に、また、レーザラインスキャナがデータを取得できる速度のために（第８頁は、５ｍｓ露出時間が鮮明画像を取得するのに必要であり、これは、典型的動作速度において約５ｍｍの並進に相当すると注釈）、幾つかの気付かれてない障害がある。レーザの配置は、表面に対して直交して示されているが、これは、明るい照明に対しては理想であるが、現在操作されているリボン配置ヘッドの操作には問題がある。図３ｂに示されるように、（示されているように）トウが平坦でなかった場合に損傷する危険性があるように、全体のセンサボックスは、丁度、ヘッドの外に突出するので、センサ装置は操作者に相当な負担を呈することに留意されたい。外に突き出るセンサは、ヘッドの作業エンベロープの実質的な変更、処理範囲（機械設備の構成）を相当に狭めることを必要とせず、ヘッドは、ヘッドとの衝突が回避されなければならないように実行可能であり、これは、複雑なジオメトリを構築するには深刻な制限になる。（光学的に難しい材料の為に比較的に高い不確実性を伴って）三角測量処理でインプロセス輪郭操作の為にプリプレッグテープ付着を十分に正確かつ迅速に測定することが可能であるという結論、この深刻な生産においてＦＲＰの経済的に可能な工業化にとって度量衡が手がかりになるという記載にも拘わらず、２０１０年から、このための前進した形跡を出願人は何も見つけていない。
[0014]出願人は、２０１３年ドイツのKrombholz氏等からの、かなり最近の出版物は、光学測定システムを用いたドレープ処理中の貧弱なアクセスのしやすさを列記し、繊維配置星団におけるレイアップ品質を制御して監視する為のセンサベース処理が未だに実現されてないことに注目している。論文は、「センサ概念」を呈する。示唆していることは、（たぶん先のセンサ）「より高解像度」レーザ光区分センサが、付着時のトウのエッジ輪郭を定める為に使用されると述べられている点であるが、この課題を達成できるセンサ技術が説明されておらず、そのようなセンサの画像も提供されていないので、この問題に対する解決策がセンサ概念によって克服されるという証拠は提供されていない。
[0015]Engelbart氏等に対する米国特許第6,871,684号は、複合構造体で不備を識別する為のシステムを教示する。このシステムは、オンラインであり、付着中に一つ又は複数の画像を生み出し、付着中、視野または様々な照明を可能にする。２つ以上の光源の使用は、特別な画像課題の為に最適に配置され、赤外光源が特に言及されている。Engelbart氏等は、複合構造体が平坦でない場合、検査は可能な限り圧縮ローラに密接すべきであり、複合体が平坦である場合、検査点は、圧縮ローラから遠くに配置可能であることを示唆する。ＡＲＰヘッドに追加された照明システムは、平坦（図１）または単曲面の凸輪郭部（図４，図５）にとって申し分なく位置されて示されるが、トウ付着が任意方向に可能である場合、二重曲面部または凹部とは相容れない。そのため、このシステムは、配置機のエンベロープまたはコンフリクトフリー操作限度において新たな制限を課す。明確でない点は、どれくらいの設計作業が、一部の各変更に対して照明システムを修正することが必要であるか、どれくらい正確なエッジまたは不備が、これらのシステムと共に検出可能であるか、このようなシステムは、周囲の照明が変化し、振動が誘発される実用的工業設定において、どれくらい耐久性があるか。２００５年から、このシステムは商業化されていないようである。
[0016]少なくとも２５年間、異種分野で、光学干渉性トモグラフィＯＣＴが一形態または他の形態で形状測定に使用されることが知られてきた。非常に高精度の（５０ｎｍ程度の良好な）複数界面形状測定は、Lawman氏等により、ＯＣＴ形状測定を使用してニス乾燥用途において耐久性のある形態のダイナミック監視の為に実装された。Lawman氏が注目したのは、何も耐震装置が必要でないことであるが、これは、その作業が研究室で行われない場合、驚くべきことではない。ノイズと、リボン配置ヘッドで利用可能な付着角度、リボン配置機によって形成された複合部の光学特性に伴う難題とがある場合、ＯＣＴ形状測定が、自動リボン配置の監視の為に十分に速く、十分な精度をもち、そのような表面のトポグラフィを測定するのに効率が良いことは明らかではなかった。
[0017]したがって、リボンの付着中、自動リボン配置を検査する為の技術が技術的に必要であり、それは、複合部の表面に適用される。そのため、その検査はオンラインでありオンザフライである。ヘッドエンベロープの拡張、あるいは、付着の操作速度および全体の製造処理を減少することなく、ＡＲＰヘッドに対するセンサを監視することによって、難しい材料を光学的に検査する必要性は特に強い。
[0018]出願人の驚くべき発見は、ＯＣＴ形状測定が、リボン付着および不備の識別の自動化された検査の為に、入射角度の範囲でさえ、製造処理中に必要なだけ速く、十分に有用なトポグラフィ情報を生み出すことであった。形状測定は、新たに付着されるリボンと下にある層との高い類似性および吸着性のため悪名高く困難なＣＦＲＰ表面において実証した。ＯＣＴ形状測定センサ用プローブは、レーザ三角測量センサより実質的にコンパクトでもよく、ヘッドエンベロープを拡張することなく、あるいは、最小の拡張でヘッドに追加可能である。出願人は、自動化レイアップ処理を遅らせることなく、リボン配置を確認するため、十分な検査データを用いてＡＦＰロボットヘッドの動作を実証した。
[0019]よって、自動化リボン配置機ＡＲＰのオンライン監視の為の自動化処理が提供される。この処理は、先に付着された、一つ又は複数のリボンで構成された層に対してアプリケータを移動させる為にロボット制御を与えつつリボンを送り、繊維強化複合体を構築するように層にリボンを押圧するステップと、押圧後にリボンの第１の場所でリボンの表面を横切ってビーム光を走査すると同時に、第２の場所で同一のリボンが層に押圧され、ビームが表面上のスポットを照明するステップと、サンプルビームを得るため、前記スポットから散乱される光を集めるステップと、電気的干渉信号を得るため、サンプルビームおよび基準ビームを光検出器に導くステップと、表面上に付着されたリボンのトポグラフィを特徴付ける複数の電気的干渉信号を受信するステップと、リボンの設計済みレイアップからの偏差が明らかであるかを識別する為に複数の電気的干渉信号を処理するステップと、を伴う。
[0020]散乱された光を集めるステップは、第１の場所から後方反射光を集める工程を伴ってもよい。ビームを走査し光を集めるステップは、アプリケータを含むロボットヘッドに装着された光学装置によって、一緒に実行されてもよい。光学装置は、ロボットヘッドに静的に装着され、第１の場所および第２の場所は、ロボットヘッドの有界変動を除いて一定の分離を有し、光学装置は、リボンの操向によって生じる有界変動を除いてリボンの中央に置かれる。あるいは、画像の整列を改善するため、ロボットヘッドに装着されたプローブをロボットヘッドに関して移動させる為に機構が設けられてもよい。
[0021]走査するステップは、リボンに対して概略横断する方向で空間的照明パターンをライン走査するステップを更に有し、これによって、ライン走査の各サイクルで、空間的照明パターンが、少なくとも一つのエッジを含むリボンの幅の少なくとも一部を照明する。
[0022]干渉信号を処理するステップは、どのように、その部分が構築されるか、計算機援用設計ＣＡＤ仕様書と、その部分の表面のトポグラフィマップを比較する工程を伴ってもよい。干渉信号を処理するステップは、単一走査、連続走査、隣接区域の走査の組み合わせの処理に基づいてもよい。
[0023]電気的干渉信号は、トモグラフィ情報およびトポグラフィ情報を含み、これらは、リボンおよび表面のトポグラフィを共同で特徴付ける。電気的干渉信号は、ＳＳ−ＯＣＴ信号でもよく、バランスのとれた検出でもよい。
[0024]リボンは、高い吸着性カーボンファイバから構成されてもよい。
[0025]また、それゆえに、自動リボン配置（ＡＲＰ）のオンライン監視用自動化処理が提供される。この処理は、繊維補強複合部を構築する為に、一つ又は複数のリボンから構成された、先に付着された層にリボンを押圧するステップと、付着されたリボンのトポグラフィを特徴付ける光学可干渉性トモグラフィ（ＯＣＴ）形状測定信号を得る工程であって、その部分の異なる場所で同一リボンがその層に押圧される、ステップと、設計された、リボンのレイアップからの偏差が明らかであるかを識別する為に、その信号を処理するステップとを伴う。
[0026]また、それゆえに、自動化リボン配置機（ＡＲＰ）のオンライン監視用装置が提供される。この装置は、干渉トポグラフィセンサとプロセッサとを含み、この干渉トポグラフィセンサは、ＡＲＰヘッドに装着されたプローブを含み、ＡＲＰヘッドによって付着後のリボンを検査し、押圧後のリボンのトポグラフィを特徴付ける可干渉性走査干渉信号を出力するように位置し、プロセッサは、可干渉性信号を受信し、その信号を処理して、設計されたレイアップに不備が無いかを決定し、不備が識別される場合には、修復作業の為のデジタル信号を出す。
[0027]この装置は、ＡＲＰヘッドと、リボンカッタと、アプリケータとを更に含み、ＡＲＰヘッドは、カーボン繊維補強ポリマ（ＣＦＲＰ）から構成されるリボンを送る為のリボン供給部の少なくとも一部を有し、リボンカッタは、リボン供給部の一部を通して送られたリボンを切断し、アプリケータは、送られたリボンを機械設備に押圧し、ロボットの制御および案内の下で、ＣＦＲＰ複合部を構築する。
[0028]干渉トポグラフィセンサは、サンプリングレートが５０ＫＨｚを超え、少なくとも１ｃｍの走査深度を備えたＯＣＴセンサでもよい。
干渉トポグラフィセンサは、掃引源ＯＣＴセンサでもよい。
[0029]また、それゆえに、オンライン監視の為に自動化リボン配置機ＡＲＰヘッドを適合させる為のキットが提供される。このキットは、干渉トポグラフィセンサと、少なくとも一つの指令及び装着供給部と、プログラム指令とを含み、干渉トポグラフィセンサは、電子干渉信号を発生させるように適合され、少なくとも一つの指令及び装着供給部は、付着後のリボンの表面のトポグラフィを記録する為に、一定の位置及び向きで、ＡＦＰヘッドにセンサを装着し、プログラム指令は、付着後のリボンを特徴付けるトポグラフィ情報を得るように干渉信号をリアルタイムで処理すること、設計されたレイアップが欠陥を有することなく実行され、あるいは、不備が存在するかを決定する為に、そのトポグラフィ情報を使用することを可能にするようにプロセッサ上で動く。
[0030]このキットは、ＡＲＰヘッドを更に含み、このＡＲＰヘッドは、リボン供給部の少なくとも一部と、リボンカッタと、アプリケータとを更に含み、リボン供給部の少なくとも一部は、カーボン繊維補強ポリマ（ＣＦＲＰ）から構成されるリボンを送り、リボンカッタは、リボン供給部の一部を経て送られたリボンを切断し、アプリケータは、送られたリボンを機械設備に押圧し、ロボットの制御および案内の下で、ＣＦＲＰ複合部を構築する。干渉トポグラフィセンサは、サンプリングレートが５０ＫＨｚを超え、１秒間で少なくとも１ｃｍの距離を横断可能なＯＣＴセンサでもよい。干渉トポグラフィセンサは、掃引源ＯＣＴセンサでもよい。
[0031]また、それゆえに、自動化リボン配置（ＡＲＰ）中に繊維強化ポリマ複合部の製造を自動化オンライン検査する為の方法が提供される。その方法によると、光源からの光が、ある部分の表面にわたって走査され、その部分において、リボンの第１の場所が、その部分を構築するように、その部分に押圧され、同時に、リボンの第２の場所が、その部分に押圧され、その表面によって散乱される光は、ビーム光の方向に沿って集められ、不備を識別する為に、その部分に対し、設計されたレイアップからの偏差を検出するようにリアルタイムで処理され、これによって、識別された不備は、ＡＲＰの制御および品質評価の為に使用される。
[0032]リアルタイム処理は、基準ビームと相互作用するように、集められた散乱光を導くこと、更に、光学的可干渉性トモグラフィ、低可干渉性干渉計、又は、白色光干渉計に従って、光検出器を用いて、干渉パターンを検出することによって、第１の場所でリボンのエッジを含む部分の表面トポグラフィを作成する為に干渉計を適用することを伴ってもよい。
[0033]リアルタイム処理は、表面によって散乱された光パワーの決定を含んでもよい。基準ビームは、光源からでもよく、或いは、第２の照明源からでもよい。散乱光は、ビーム光用光学セットアップを走査する為に使用される同一の光学セットアップで集められてもよく、或いは、異なる光学セットアップで集められてもよい。
[0034]リアルタイム処理は、偏差を検出するため、未分化のトモグラフィ及びトポグラフィデータを使用してもよい。識別されるべき不備は、隣接するリボン間の隙間、隣接するリボン間の重なり、欠如したリボン、ねじれたリボン、折り重ねられたリボン、その部分に対して粘着不足で突出または緩んだリボン、凹部区域の曲率を満たさない突出したリボン、リボンの始点または終点の間違った場所、リボンに沿ったスプライス、表面における破片または異物体、あるいは、表面における粘着液滴、のうちの一つでもよい。
[0035]設計されたレイアップは、生産段階において、その部分の計算機援用設計ＣＡＤ図面によって定められてもよく、品質評価は、期待されたＣＡＤ図面と表面トポグラフィの比較を含んでもよい。
[0036]ＡＲＰの制御は、特別な不備を識別すること、識別された不備に関連付けられた矯正手段を適用することを伴ってもよい。
[0037]表面にわたってビーム光を走査するステップは、押圧を実行するロボットヘッドに装着された光学装置を移動させる工程を伴ってもよく、これによって、光学装置は、押圧を実行するロボットヘッドのアプリケータ後方の固定距離に照明を放出する。ビームの走査は、リボンに対して概略的に横断する方向のライン走査を更に伴ってもよく、このライン走査は、ガルバノメータ、ＭＥＭＳ、回転多角形、又は、共振スキャナによって提供される。ライン走査は、幾つかの区分で提供されてもよく、全ての区分が、より広い幅にわたってライン走査を提供するように結合されてもよい。
[0038]ビーム光は、１００ｍｍまたは、加圧ロールからＡＲＰヘッドの加圧ロールの一つの直径、又は、加圧ロール半径の１／３から３倍、より好ましくは、その半径の２／５−５／２、より更に好ましくは、その半径の半分から２倍の範囲内で保持されてもよい。ビーム光は、０−７５°、より好ましくは２０−７０°、より更に好ましくは３０−６０°、より好ましくは４０−５５°の表面入射角を有してもよい。
[0039]
本発明の更なる特徴は、以下の詳細な説明に説明され、そこで明らかになるであろう。
[0040]本発明がより明確に理解されるように、以下、添付された図面を参照して、その実施形態を詳細に説明する。
図１は、本発明の実施形態に従う分配処理における主なステップを示す概略的処理フローチャートである。
図２は、ＡＲＰヘッドに装着される、本発明の実施形態に従う装置の概略図である。
図３は、本発明に従うＯＣＴの実施例の概略図である。
図４Ａは、本発明に従うＯＣＴプローブの実施例の概略図であり、検流計ミラーを特徴とする。
図４Ｂは、本発明に従うＯＣＴプローブの実施例の概略図であり、２つの照明用サブシステムを備えた多面鏡を特徴とする。
図４Ｃは、本発明に従うＯＣＴプローブの実施例の概略図であり、小変位作動ミラーおよびバイテレセントリックレンズ配置を特徴とする。
図４Ｄは、本発明に従うＯＣＴプローブの実施例の概略図であり、ミラー及びレンズ配置を備えた線形変位モータを特徴とする。
図４Ｅは、本発明に従うＯＣＴプローブの実施例の概略図であり、Ｆ−θレンズ又はＦ−θテレセントリックレンズを備えたＭＥＭミラーを特徴とする。
図５Ａは、単一ＯＣＴプローブ配置の走査パターンの概略図である。
図５Ｂは、二つのＯＣＴプローブ配置の走査パターンの概略図である。
図５Ｃは、三つのＯＣＴプローブ配置の走査パターンの概略図である。
図６Ａは、ＯＣＴプローブを一般的に表示されたロボットＡＦＰヘッドに装着する為の装着スキームの概略図であり、直接近視野位置を特徴とする。
図６Ｂは、ＯＣＴプローブを一般的に表示されたロボットＡＦＰヘッドに装着する為の装着スキームの概略図であり、反射ビーム装着を特徴とする。
図６Ｃ）は、ＯＣＴプローブを一般的に表示されたロボットＡＦＰヘッドに装着する為の装着スキームの概略図であり、直接遠視野位置を特徴とする。
図７は、本発明に従って備え付けられたＡＲＰ機コントローラの主な機能的コンポーネントの概略図である。
図８は、概念的実験を証明する為に使用されるテストシステムの写真である。
図９は、実験の為に使用されるＯＣＴシステムの概略図である。
図１０は、実験中に得られるマルチトウプロファイル画像を示すデータプロットである。
図１１ａは、トウ・カーリング（curling of a tow）として知られた、不備を示す実験中に得られた表面プロファイル画像とライン走査である。
図１１ｂは、トウ・カーリングとして知られた、不備を示す実験中に得られた表面プロファイル画像とライン走査である。
図１２ａは、トウ・スプライス（tow splice）として知られた、不備を示す実験中に得られた表面プロファイル画像とライン走査である。
図１２ｂは、トウ・スプライスとして知られた、不備を示す実験中に得られた表面プロファイル画像とライン走査である。
図１３ａは、トウ・ねじれ（tow twist）として知られた不備を示す、実験中に得られた表面プロファイル画像とライン走査である。
図１３ｂは、トウ・ねじれとして知られた不備を示す、実験中に得られた表面プロファイル画像とライン走査である。
[0041]以下、自動リボン配置を検査する為の技術を説明する。この技術は、ＯＣＴプロフィロメトリ（形状測定）を伴い、ＡＲＰヘッドの移動に対して最小限の制限を有することなく、あるいは、そのような制限で、ＡＲＰヘッド上で使用可能である。
[0042]図１は、自動リボン配置（ＡＲＰ）ヘッドのオンライン検査の為の方法の概略図である。この方法は、ＡＲＰヘッドのレイアップまたは付着方法の他、付着されるリボンの異なる場所であるが、同時に動作する照明器、集光器、プロセッサを伴う。そのため、ＡＲＰヘッドは、少なくとも３つの機能があり、これらの機能は、決して独立したものではなく、ロボットは、一定の範囲まで既に構築された合成部の表面を横切ってＡＲＰヘッドを移動させ（ステップ１０）、リボンは、送られ（ステップ１２）、リボンは表面に押圧される（ステップ１４）。ロボット運動は、技術的に周知のように、操向、すなわち、リボンの適した張力でリボンに曲率を加え、一定方向にヘッドを移動させることを伴ってもよい。操向は、たとえば、複雑なジオメトリを有する機械設備に配置する為にリボンを成形することが必要である場合がある。送りの抵抗は、成形を可能にするために必要である場合がある。一部の実施形態において、自動化繊維配置（ＡＦＰ）方法によると、リボンは、多数のトウを備えてもよく、これらのトウが、リボン送りローラおよびカッタで、独立して追加され落とされる。たとえば、各々が１／８−１／２インチ幅、０．１４ｍｍ厚の８−３２トウ帯は、かなりありふれている。他の実施形態において、自動化されたテープレイアップ（ＡＴＬ）方法によると、リボンは単一のテープであり、一部の場合において、一定の角度でリボンを切断する為に、より大きな柔軟性が与えられる。アプリケータは、リボンを表面に適合させるため、ローラ、ローラシステム、トラック、又は、リボンに制御圧力を加えるように適合されたスライド圧力システムの形式で（現システムではローラを使用）圧力を加える為に適合される。アプリケータは、ヒータ、又は他の装置を更に含み、整然としたポリマを粘着しやすくするが、このポリマは、リボンに（プリプレッグまたは他の方法で）植え込まれ、先のレイアップ層の表面にわたって加えられ、先の層に埋め込まれてもよい。
[0043]ＡＲＰヘッドはリボンを付着するが、照明器および集光器は、レイアップリボンを検査する為にアプリケータの下流に設けられる。照明器は、押圧されたリボンにビームを投射する（ステップ１６）。ビーム光は、単色レーザからでもよいが、好ましくは、白色光であり、あるいは、レーザ及びダイオードによって設けられたような周波数掃引型光源であって、少なくとも一つの範囲の周波数にわたって撮像を可能にするものであり、この方法は、ビームを生成するソースを使用することを伴う。
[0044]他の照明パターンと対照的にビームを使用することにより、所望の撮像解像度を与えるのに十分な小さいスポットが与えられることを確実にする。本発明によると、スポットは、横断方向において、リボンの幅の１／１０より小さく、最大リボン付着速度×走査周期（横断走査の期間）の２倍より小さい。理論では、ビームは、表面の完全なカバレージが要求されない限り、所望のものより小さくすることが可能である。カバレージは、走査中に一点で照明される表面の一部を意味し、この部分は、オーバーサンプリングが行われる場合、２つ以上でもよい。ビームは、高いコントラストの空間照明パターンを与えるので、光は、大面積にわたって不鮮明にならず、しっかりとスポットに集中される。ＣＦＲＰが使用される場合、表面に当たる光の小部分は反射されるが、出願人が使用したＯＣＴシステムは、実質的な角度で表面の照合が行われるときでさえ、表面の十分な感度を与えることを出願人が発見した。
[0045]ビームは、ちょうど追加されたリボンまたは表面を照明し、そのビームの少なくとも一部で散乱および後方反射する。第１表面またはリボンから後方反射された光は、集光器１８によって集められる。ＯＣＴでは慣例であるように、集められた光は、サンプルビームと呼ばれ、サンプルビームは、光検出器上の基準ビームと干渉するようにされ、電気干渉信号を得るが、電気干渉信号は、通常、データストリームで生成される。各々が技術的に知られた信号処理、それぞれの光学コンポーネントを備えた、使用可能な広範囲のＯＣＴシステムが存在する。一般的に、３型式のＯＣＴシステム（光周波数領域反射測定周波数変調連続波ライダーとしても知られた）掃引源ＳＳ−ＯＣＴ、分光領域ＯＣＴ、時間領域ＯＣＴがある。現在の時間領域ＯＣＴシステムは、最も遅いサンプリングレート、通常、約１ＫＨｚを与え、これらは、一般的、現在の目的には十分ではない。現在の分光領域ＯＣＴは、（ＳＳ−ＯＣＴに相当する）高いサンプリングレートを与えることができるが、測定の深さ範囲は、数ｍｍに制限され、これは、一般的に不十分である。ＳＳ−ＯＣＴは、付着されるリボンのプロファイルを測定するのに十分な深さ範囲を超える１００ＫＨｚのサンプルレートを支えることができる。少なくともトウの幅にわたる間隔を開けた少なくとも１０ＫＨｚのレートで測定を可能にするＯＣＴシステムが使用可能である。
[0046]ロボットによる表面の閉塞（occlusion）、形状測定（profilometry）データをタイミング良く取得する困難性があれば、静止して装着された照明器および集光器を備えたＡＲＰヘッドを表面から一定の距離で移動させる計画は不都合であり困難である。同様に、ＡＲＰヘッドおよび別個のロボット装着度量衡（metrological）システムの両方の運動を整えることは難しい。これらのいずれも、本発明に要求されるものではない。照明器および集光器は、かさばったＡＲＰヘッドが照準線を与えることを待つ必要もなく、アプリケータがリボンに加えられた直後に、リボンを検査する為にＡＲＰヘッドに装着できる。そのように、ビームは、同一のロボット運動を用いて、リボンの表面にわたってビームを走査することによって投射されてもよい。さらに、ビームの走査は、名目上、リボンに対して横断する方向でビームをライン走査することを伴ってもよく、ライン走査の各サイクルにおいて、ビームは、少なくとも一つのエッジを含むリボンの幅の少なくとも一部を照明する。走査は、直線運動、回転運動、又は、結合された運動で、反射器又は他の光学コンポーネントを移動させることによって達成可能である。
[0047]一部の実施形態において、照明器および集光器の両方は、光学装置の共通した本体に一緒に並べられ、照明器および集光器は、必然的なことではないが、集束用光学素子や導波路（導波管）のような光学コンポーネントを共有してもよい。光学装置は、ＡＲＰヘッドに静的に装着されてもよく、これによって、リボンがサンプリングされる位置は、ロボットヘッドの傾斜によって生じる有界変動を除いて、アプリケータから一定の分離を有する。光学装置は、リボンの操向によって生じる有界変動を除いて、リボンの中央に置かれてもよい。これらの有界変動のいずれかが、所望のレイアップ方法にとって許容できない場合、傾斜または操向に応じて、サンプリング位置で光学装置を再度、中央に置く為に、一つ又は複数の自由度が使用されてもよい。
[0048]（ＯＣＴ源、干渉計、光検出器、データプロセッサを含む）ＯＣＴシステムおよび光学素子は、全て、ＡＲＰヘッドの端部に装着されてもよい。これは、完全独立のロボット装着センサを可能にする。あるいは、光源、干渉計、又はプロセッサのうち一つ又は複数は、システムを嵩張らせるので、装着されたＯＣＴプローブおよび据え付けのＯＣＴシステムの間に、一つ又は複数の電気および光学接続が設けられてもよい。たとえば、光検出器は、ＯＣＴシステムシステムに装着されても、されなくてもよい。装着される場合、電気的信号リンクが、データを分析する為のプロセッサに、装着部品を結合してもよい。当業者が理解することは、デジタル信号化は、減衰、分散において、アナログ信号化より幾つかの利点があり、信号ノイズは、実際に除去される。振動からＯＣＴ源を助けるため、それを据え付けの場所に保つことが好ましいが、それによって、ある種の導波路は照明をＯＣＴシステムの装着部分に送ることを必要とし、光ファイバが提案される。特に、干渉計の光路長は、据え付け型ＯＣＴシステム源からビームを供給すること、ただし、全ての光学コンポーネント、光検出器、電子干渉信号をデジタル化する為の十分なデジタル信号プロセッサを含むことによって減少されてもよい。また、ＯＣＴ干渉計は、ＯＣＴシステムの装着部分の嵩張りを増す場合があるので、ＯＣＴ干渉計を据え付けた状態で保つことも好ましい。ＯＣＴ干渉計およびＯＣＴ源が据え付けられる場合、ＯＣＴ源から装着部分、装着部分からＯＣＴ源の間で、光学的通信が必要になる。双方向の通信のため、同一の光ファイバが使用可能である。
[0049]電気干渉信号が、例えば光検出器によって光信号から電気信号に処理され、その後、表面地点測定に関連された（デジタル）ＯＣＴデータのデータストリームを取得する為にアナログ・デジタルコンバータと共に処理され、リボンのレイアップにおいて欠陥が明白であるかを決定する為の情報を発生させる。ここで、デジタル信号プロセッサ、コンピュータ周辺カード、汎用コンピュータのうち一つ又は複数がプロセッサと称され、そのようなデータ処理を行ってもよい。プロセッサは、光検出器２０からＯＣＴデータを受信し、付着欠陥２２をテストする為に、そのＯＣＴデータを分析し、欠陥が検出されたら（ステップ２４）、通報を出す（ステップ２６）任意で、全てのＯＣＴデータが保存され、そのＯＣＴデータの一連の分析結果が保存され、あるいは、全ての欠陥又は場所の情報が資料作成の為に保存される。
[0050]出願人は、表面に付着されたリボンのトポグラフィを特徴付けるのにＯＣＴデータが十分であることを発見した。出願人は、商業的に外れたシェルフＳＳ−ＯＣＴシステム（"Novacam Technologies"社、専用ソフトウェハによって置き換えられたソフトウェア）から生データを取り出し、新しい光学装置を設け、結果として生じたシステムを試験し、表面のトポグラフィマップが確実に提供できることを発見した。ＯＣＴデータは、トモグラフィ及びトポグラフィ情報を含み、これらは、表面およびリボンのトポグラフィを共同で特徴付ける。当該システムによって提供されるＯＣＴデータの一部がトモグラフィか否かについて認められていなくても、データが明らかにトポグラフィを特徴付けることは認められている。
[0051]ＯＣＴデータの分析は、トポグラフィマップの作成を伴うが、これは、出力ログの一部でもよい。分析は、一連の欠陥の識別を伴ってもよい。これらは、ＯＣＴデータの試験のように単純な厚さ変動パラメータを備えた、リボンのプロファイル高さおよび幅の変動のようなＯＣＴデータにおいて予め特徴付けられたパターンでもよい。人工知能プログラムも、予め特徴付けられた欠陥パターンを特定することなく、例えば、正しい付着パターンとの比較にとって有用な測定基準を定義することによって、不備を識別するように訓練されてもよい。あるいは、隙間、重なり、ねじれ、気泡、カーリング、スプライス、異破片、ビーディング、他の予め特徴付けられる欠陥の為に特定の試験が識別されてもよい。
[0052]分析は、どのように部品が構築されるべきか、計算機援用設計ＣＡＤに従ってもよい。ＣＡＤ仕様書は、一般的に、ＡＲＰ処理を必要とするので、付着の為の特定試験を生み出すため、これらを使用することは当然である。試験は、完全に自動方式で、あるいは、試験設計者の入力の量と共に決定されてもよく、既存の処理データを伴ってもよい。試験は、当該処理の為に確立された許容量に関して定義されてもよい。
[0053]分析は、好ましくは、数個から多数のデータ地点に関連付けられた複数の電子干渉信号を処理することを有する。異常点を除外するフィルタ処理する為の方法が使用されるが、一般的に非常に多数のデータ点が得られるので、安定した３０％の損失でさえ、提示されたデータ上に顕著な影響を持たない。反復的試験は、（リボンの単一横断区域に対応した）単一直線走査、連続走査の組み合わせ、または、隣接領域における走査の組み合わせの処理に基づいて生成されてもよい。
[0054]図２は、本発明の実施形態に従う装置の概略図である。この装置は、リボンロール３１、一連のガイドローラ３２，カッタ３３，ヒータ３４，アプリケータ３５を有する、概略的に図示されたＡＲＰヘッド３０を備えるが、完全独立のＡＲＰヘッドの利点に拘わらず、ヒータ３４は、ＡＲＰヘッド３０にとって本質的ではなく、ローラ３１は、ＡＲＰヘッド３０内部に装着されなくてもよい。アプリケータ３５はローラとして概略的に図示されているが、適合したローラ、又は、集中エリア内で荷重を分布させる他の構造体が使用可能であること、横断方向において実質的に平坦でない方向に沿って表面にリボンを加える処理の為に特に必要であることが認識されよう。リボン３６と接触し、敷設された複合部３８に対してリボン３６を押圧するアプリケータ３５が示されている。
[0055]使用中、ＡＲＰヘッド３０は、ガイドシステムを用いて付着区域に配送する為に、ロール３１，ガイドローラ３２，カッタ３３を含み、リボン（単一トウ、トウ帯、スリットテープ、又はテープ）を含む一連のリボン処理装置を有する。リボンは、粘着しやすくするために、例えば、ノズルからの高温ガスで、あるいは、ＩＲランプで加熱され、リボンは、アプリケータ３５によって成形される場所で複合部３８に抗して配置される。通常、各リボンは、先に横たえられたリボンの次に、リボンの先の層の頂上に付着される。これは、リボンが、ＣＦＲＰのように非常に同化し、先の層は同様に非常に同化するからである。
[0056]ＡＲＰヘッド３０に付けられるものは、少なくとも光学素子を含むＯＣＴプローブ４０であり、この光学素子は、ビーム光をリボン３８および複合部３８の表面に集束させる。このように、前述したように、これは、照明器および集光器を含む。ＯＣＴプローブ４０は、プローブが位置されて付着済みリボン３６を追従するように、リボン供給部として、アプリケータの反対側でＡＲＰヘッド３０上に位置する。ＯＣＴプローブ４０は、光学干渉性トモグラフィ（ＯＣＴ）システム４２と通信状態にあり、ＯＣＴは、ＯＣＴプローブ４０の集光器によって集められた光（好ましくは、後方反射光）および基準ビームを、ＯＣＴシステム４２の光検出器へと導き、サンプルビーム及び基準ビームが検出され、デジタル信号へと変換される。そのため、ＯＣＴプローブ４０及びＯＣＴシステム４２は、干渉トポグラフィセンサの一実施例であり、これは、複合部３８のトポグラフィを決定する為に干渉分析を使用する。
[0057]ＯＣＴシステム４２は、データをデータ分析システム４４に出力し、データ分析システム４４は、前述したプロセッサを含む。ステップ２６でプロセッサによって出される通報は、使用者制御ワークステーションに送信可能であり、あるいは、複合部３８の生産を監督する者に通信されるが、一部の実施形態において、少なくとも、（共に必要とされるＡＲＰヘッド及びロボットと理解される）ＡＲＰ機４６を制御する役割を果たすシステム４６に通信されるのが好ましいことが理解されよう。少なくとも一定の欠陥が検出される場合、例えば、欠陥の後の作業の全てが無駄になり、矯正に必要な時間が増すとき、続けるより処理を停止させるのがより効率的である。一部の実施形態において、ＡＲＰ機コントローラシステム４６は、特別に識別された欠陥を処理する指令のための能力を持ち、欠陥の無い位置まで自動的にＡＲＰヘッド３０から後退することができ、欠陥のある材料を表面から効率良く引き剥がし、その場所でリボンを切断し、手続を再開するが、これには、ＡＲＰ機コントローラシステム４６およびデータ分析システム４４の間の良好な統合が要求される。
[0058]本発明は、ＯＣＴプローブ４０を含むキットとして具体化されてもよく、キットは、ＯＣＴプローブ４０，ＯＣＴシステム４２，使用者の指令を備えたデータ分析システム４４，あるいは、所定位置および向きで（プローブを含む）ＯＣＴシステムの少なくとも一部をＡＲＰヘッド３０に装着する為の装着供給部を含み、付着後にリボンの表面のトポグラフィを記録する。
[0059]図３は、本発明の実施形態に従うＯＣＴシステム４２の概略図である。ＯＣＴシステム４２は、ＯＣＴ源５０を含み、ＯＣＴ源５０は、レーザ、または、明るいダイオード又はそのアレイでもよく、これは、ＯＣＴシステムプロセッサ５２によって制御されるのが好ましい。干渉計５５は導波路を備え、この導波路は、ＯＣＴ源５０からの光をタッピングし、光学的パワーをＯＣＴプローブ４０の照明器に供給し、ＯＣＴプローブ４０の集光器から集められた光を受信し、タッピングされた光および集められた光の両方を（概略的に発光ダイオードとして表示された）光検出器５６に投射する。
[0060]光検出器５６によって発生された電気的干渉信号は、ＯＣＴシステムプロセッサ５２によって受信され、データ分析システム４４に転送される。
[0061]ＯＣＴシステムプロセッサ５２は、ＯＣＴプローブ４０内に付随する制御光学素子と共に自動焦点５３、スポットサイズ５４として上記機能を制御するようにフィードバックループを行う為に、データの特徴を識別してもよい。たとえば、ＡＲＰヘッド３０の移動方向に対し横断するラインで走査するように適合されたプローブにおいて、光路長は、プローブ４０および照明された表面の間の走査ラインにおける位置として変化してもよい。これは、ビーム光の焦点をぼかす手段の一因になり、これが、別な方法で影響を与え、信号品質を劣化させる。そのような制御光学素子がＯＣＴプローブ４０内で既に利用可能である場合、最適化アルゴリズムが使用され、常に焦点を変更し、電気的干渉信号において測定された振幅から最良の焦点を提供してもよい。たとえＯＣＴプローブ４０が表面までの距離を変更しなくても、表面の起伏は同等の影響を有する場合がある。変動が十分に緩やかである限り、自動焦点制御５３は、そのような変動の原因となる場合がある。同様に、ＯＣＴプローブ４０内のスポットサイズが制御光学素子によって制御される場合、最適なスポットサイズが決定されてもよい。
[0062]好ましくは、ＯＣＴプローブ４０は、制御光学素子が備えられ、移動方向に対して直交する（又は実質的に直交する）方向でビームを走査する。これは、リボン３６を横切って採られる多くの測定点を可能にし、これは、プロファイルを得る為に重要である。走査は、理論上、リボン３６上の異なる点を同時に覆う任意の数のビームによって行われてもよい。極端に、スポット当たり一つのビームがあり、もし、そうであるなら、一度に一つのスポットからの一波長帯の光を集める為に注意が必要であり、そのため、別個の波長区域が横断ライン上の各スポットで使用されない場合、一部の走査形式が必要である。走査制御５６は、ライン走査を導く為にＯＣＴプローブ４０内部の信号制御光学素子に設けられる。走査制御５６は、制御光学素子に対する周期的指令信号を有してもよく、リボン付着の操向、または時間にわたって蓄積された変動に応じて、所望のリボン上で、例えば、横断ラインを再び中心に置く為に電気的干渉信号を分析することによって、徐々に変化してもよい。
[0063]図４Ａは、ＯＣＴプローブ４０の為の走査システムの第１実施形態の概略図である。制御光学素子は、この場合、ガルバノメータ（モータ）６０であり、このガルバノメータ６０は、ミラー６２の旋回を制御するためにミラー６２に結合されている。ガルバノメータ６０は、より高速走査を提供する共振モードで動作するように設計されてもよい。ビームは、自動焦点／スポットサイズ調整装置６４から受信されるが、自動焦点／スポットサイズ調整装置６４は、光ファイバ６５に結合されている。そのため、ＯＣＴ干渉計によってＯＣＴ源５０から渡されたビームは、光ファイバ６５を通って伝えられ、焦点／スポットサイズ調整装置６４を通り抜ける。光は、自由空間に放出され、狭い範囲の角度（約＋／−１２°）を超えてミラー６２で反射する。ミラーから複合部３８までの光路長は、この角度で変化するので、ビームの固定焦点は、異なる位置での拡大スポットサイズ及び／又はぼやけになるが、これらは、必要に応じて、調整装置６４によって修正される。
[0064]図４Ｂは、ＯＣＴプローブ４０の為の走査システムの第２実施形態の概略図である。ここで、同様の特徴は、同一の参照符合によって識別され、どのように異なるかを除き、各図面において、同様の特徴の説明は繰り返されない。走査システムの第２実施形態は、２つの光ファイバ６５、異なる角度で配置された６面鏡を有する多角形ミラー６２を備える。この実施形態では、ガルバノメータの代わりに回転モータ６０が使用されている。連続して回転するモータの安定性は、一般的にガルバノメータの安定性より高いので、安定性という点では好ましいことが分かる。多角形ミラー６２の２つの鏡面は、単一モータを用いた２つのビームの同時走査を可能にし、（ビームの最小分離を確実にする）同一方向における２つのビームの調和された線形掃引を可能にする。多くの鏡面またはミラー及びビームの増加は、本書で開示された他の実施形態に係る走査システムを用いて行われてもよいことが分かる。単一入力繊維６５が使用可能なスキームは、走査幅が得られる場合、この為には十分であることが明らかである。
[0065]図４Ｃは、ＯＣＴプローブ４０の為の走査システムの第３実施形態の概略図である。小変位アクチュエータ６０（圧電、ボイスコイル、ガルバノメータなど）は、ミラー６２の変位の制御を可能にする。プリズム状継手の代替で、小量の角度変位も、小変位アクチュエータ６０によって適用されてもよく、ビーム修正レンズ６６（例えば、バイテレセントリックレンズ（アクチュエータ６０によって角度掃引が与えられない場合）、又は、他の方法でＦ−θレンズ、あるいは、Ｆ−θテレセントリックレンズ）に入るビームの位置および角度の組み合わせは、ビーム掃引における実質的に大きな変動を確実にする。レンズ６６は、ミラー６２からのビームを平行化し、そのビームを曲げる為に使用されるので、ミラー６２の任意角度で、レンズ６６によって出力されるビームは実質的に平行である。これは、レンズの直線範囲に対して実質的に垂直である部分の表面に対し、ビームのジオメトリによって生じる距離において何も偏差が無いことを確実にする。レンズ６６は、前述された他の走査システムに加えて、有用であることが分かる。
[0066]図４Ｄは、ＯＣＴプローブ４０の為の走査システムの第４実施形態の概略図である。モータ６０を備えた直線変位アクチュエータは、横断方向の全掃引を与える。
[0067]図４Ｅは、ＯＣＴプローブ４０の為の走査システムの第５実施形態の概略図である。マイクロ電子機械システムＭＥＭＳ６０は、ミラー６２を駆動し、角度掃引をビームに与え、レンズ（好ましくは、Ｆ−θまたはＦ−θテレセントリック）は、横断方向の全掃引を与える。
[0068]図５Ａ，図５Ｂ，図５Ｃは、プローブ走査カバレージスキームの３つの概略図である。図５Ａにおいて、単一プローブは、リボン３６の全幅を走査し、先に付着された少量の隣接リボン３６’と、下の複合部３８とを重ねる。図５Ｂにおいて、２つのプローブは、リボン３６を覆うが、各々は、同様に、先に付着された隣接リボン３６’に接しているエッジ、又は複合部３８のいずれかを覆っている。図５Ｃにおいて、３つのプローブが、使用される：２つのエッジ検出器およびリボン走査の中心。リボン走査の中心は、より広いエリアにわたって測定値を分布させるので、低点密度を有する（データキャプチャの等しいレートを推定）。これは、（その部分に対する粘着不足の緩いリボン又は突出リボン、凹部区域の曲率を満たさない突出リボン、リボンに沿ったスプライス、リボンの開始又は終了の誤った場所、あるいは、異物体、粘着液滴、又は、最小サイズの表面における破片を識別するには十分であるが）より広い面積の測定を低い精度で可能にし、エッジ検出器が、エッジに関連した欠陥（隙間、重なり、カール、ねじれ、皺など）の最高精度の感知に必要な場所で高精度を与えることを許容する。単一プローブの非線形走査は、情報の感度に応じて、分布測定値を分布させることと全く同一の効果を有することができる。
[0069]図６Ａ、図６Ｂ、図６Ｃは、ＡＲＰヘッド３０にＯＣＴプローブ４０を装着する為の３つのスキームを概略的に図示する。アプリケータ３５及び横断照明ラインの間の距離は重要である。この距離が大きくなると、アプリケータ３０に対するＡＲＰヘッド３０の傾斜角度の小さな変化は大きくなり、ＯＣＴプローブ４０から表面及び裏面までの光路長だけでなく、この距離も変化する。さらに、この距離が大きくなると、リボンの名目上の中心からの距離が大きくなり、ＡＲＰヘッド３０が横揺れを変更するように操向されるとき、ビームが存在する。これらの両方は、レイアップの設計された軌道から予め計算可能であり、走査の移動限界内、スポットサイズ／ビーム焦点制御の為に、予め補整される。さらに、付着の出発点および走査の出発点の間の距離、付着の停止後に走査が停止可能になるときの距離、欠陥が検出された時と欠陥が作られた時とのタイムラグは、全て、この距離に依存する。したがって、この距離を小さく保つことが一般的に好ましい。他方では、アプリケータ３５が表面と接触するエッジ後方の最小距離は、アプリケータ３５の曲げたわみが横断照明ラインの閉塞にならないこと、プローブ４０の位置決めがＡＲＰヘッド３０のエンベロープを拡張しないこと、入射角度が好ましい角度、または、ローラが安定化された後の複合部３８の弾性復元の範囲内にあることを確実にする。出願人は、それが、半径（ローラ以外のアプリケータの有効半径）の１／３−３倍の距離、より好ましくは半径の３／５−５／３の距離、更により好ましくは半径の半分から２倍の距離であることを発見した。
[0070]これは、使用されるＡＲＰヘッド３０の特質に依存し得る、種類が豊富な装着スキームを一般的に可能にする。多くのＡＲＰヘッドは、その操作エンベロープ内部に占有されない空間の小さなポケットを有し、この操作エンベロープは、ＯＣＴプローブ４０がＡＲＰヘッドの移動性に何ら不利益、エンベロープの拡大を与えることなく、装着を可能にする。これは、ＡＲＰ機が、ＯＣＴプローブ４０の有無に拘わらず設計されるように正確に動作可能であることを意味する。図６Ａ、図６Ｂ、図６Ｃは、３つの装着略図を示す。図６Ａにおいて、ＯＣＴプローブ４０は、約４０°の入射角度で、可能な限りアプリケータ３５に密接して装着されている。図６Ｂにおいて、ミラーは、垂直入射に近く、約１５°の入射角度にビームを反射するように使用されるが、これは、信号対ノイズの観点から好ましい。反射、屈折、回折スキームの全スペクトルは、所望の角度にビームを向け直し、複合部３８の表面に位置決めする為に使用可能であることが分かる。図６Ｃにおいて、ＯＣＴプローブは、複合部３８から更に離れて装着され、複合部３８との可能な相互作用から更に遠ざけるようにＯＣＴプローブを移動する。図６Ｃの実施形態はアプリケータ３５をビームから分離する最短距離を有することに留意されたい。
[0071]図７は、処理コマンドファイル７２を受け取り、ロボットの、それぞれのサーボとＡＲＰヘッド３０（集合的にＡＲＰ機７５と称される）に命令することによって、それを実行するように適合されたＡＲＰ機コントローラプロセッサ７０を特徴とするＡＲＰ機コントローラシステム４６の概略図である。ＡＲＰ機コントローラプロセッサ７０は、ＡＲＰ機７５のセンサ、サーボ、アクチュエータと安定した通信状態にあり、瞬間毎に各サーボの位置を示すことができる。したがって、ＡＲＰ機コントローラプロセッサ７０は、アプリケータによって加えられる圧力、リボン内の張力などだけでなく、ロボットから位置及び向き情報を受け取り、追跡することができる。
[0072]本発明の一部の実施形態において、データ分析システム４４が連続的にロボットの位置をモニタすると便利なので、リボンの各掃引に関連付けられた形状測定情報は、ツール空間内で正確に位置を定めることができる。そのようにすることの問題は、所定の瞬間におけるアプリケータ３５の位置と、新たに受け取ったＯＣＴデータに関連付けられた位置との間の遅延を補整することである。スキャナ位置補整システム７６によって実行される、この補整は、ＡＲＰ機コントローラシステム４６内部の別個の機能ブロックとして概略的に示されるが、ＡＲＰ機コントローラプロセッサ７０、あるいは、データ分析システム４４で動く別個の処理でもよい。別個のロボットコントローラは、別個に具現化されたプロセッサでもよく、スキャナ位置補整システム７６は、ロボットコントローラから位置情報を同程度に引き出してもよいことが分かる。
[0073]検出された欠陥の通報を例えばＡＲＰ機コントローラプロセッサ７０に送り、付着を解釈し、ＡＲＰ機コントローラプロセッサ７０が、処理するプログラム指令を配給され、処理する特定の欠陥を識別し、あるいは、所定の検出された欠陥をとる為に修復作業を表示するように、任意に適合されたデータ分析システム４４が示されている。多くの検出可能な不備があり、様々な修復作業をとることができる。一部の修復作業は記録する以外に何も必要ないが（例えば、排除の原則を破らない識別されたスプライス）、一部は、ＡＲＰヘッドを停止させること、それを後退させること、切断し切断場所からの回復が必要であり、他は、付着の可変パラメータに対する直接的なフィードバックに取り入れられてもよい。たとえば、隙間や重なりは、十分に密接にモニタ可能であり、制限の範囲内で、ＡＲＰ機コントローラプロセッサ７０のリボン処理および／または操向が変更され、確立されたパラメータの範囲内で、技術的に周知のフィードバックループを使用して、付着が連続することを確実にする。
[0074]
出願人は、図８に示される、ＣＦＲＰで形成された複合部のプロファイル特徴付け用ＯＣＴシステムのＯＣＴシステムを試験した。図４Ａに示されるが、テレセントリックレンズを備えた光学スキャナは、ＡＦＰヘッド（自動ダイナミックス、モデルTPTSFPS-XP-FPS2.0-6AGMP-MVP）に固定されていた。表面に集束された光学ビームの横断変位は、２３ｍｍであり、これは、５ １／８インチトウで付着されてきたリボンの５／８インチリボンに対応する。スキャナは、ＡＦＰヘッドに固定されていたが、走査パターンは、連続した一定の往復運動であったため、プローブビームはサンプルにわたってジグザグパターンに追従した。
[0075]点測定は、毎秒３０，０００測定の割合で行われた。一行おきの走査が維持されたため、付着速度は５０ｍｍ／ｓであり、ライン走査速度は、２６Ｈｚであった。ライン間隔は、１．９２ｍｍであった。各ライン走査は、５８６個の測定値から構成された。連続測定点間の横方向の距離は、０．０３９ｍｍであった。
[0076]レンズの外部表面およびバンド表面の間の距離は、４８ｍｍであった。走査ラインは、圧縮ローラおよび材料の間の接触点から２４ｍｍに置かれ、圧縮ローラは、２７ｍｍ径を有する。圧縮ローラに近い測定は、その部分の完全なモニタを確実にし、付着ヘッドの広範な余分の動きを要することなく、各ラインの端部における停止部の制御を含む。付着経路に沿った顕著な屈曲を持つ複合部を測定することも可能にする。
[0077]光学スキャナはＡＦＰヘッド後方に置かれるので、光学測定は、４５°の入射角度から行われる。この状況は、小量の光しか集められないことから、光学監視の為の実質的な試練になる。
[0078]実証に使用されるＯＣＴシステムは、図９に概略的に示されている。ＯＣＴシステムは、掃引源（ＳＳ−ＯＣＴ）システムである。この技術は、集められた光の低レベルに関連した試練に取り組むには十分に感度が良いことが分かった。ＳＳ−ＯＣＴシステムは、掃引−レーザ源（Santec HSL-2000-HS）、干渉計（Novacam Technologies）、データ取得及びデータ処理用コンピュータから構成される。
[0079]掃引−レーザ源によって放出された光は、最初に干渉計に送られ、その後、光ファイバを使用して光学スキャナに送られる。前述したように、光学スキャナは、ガルバノメータ及びレンズから構成され、照明およびビーム収集の両方に使用されていた。スキャナによって集められた光は、干渉計に戻され、そこで、干渉計の内部基準アームからの光と干渉する。
[0080]掃引−レーザ源は、１３２５ｎｍ近傍の約１００ｎｍ幅帯域の波長を掃引する。干渉計は、均衡検出を伴うマッハ・ツェンダー干渉計を含む。波長は変更されるので、干渉パターンは漸進的に変化する。表面の空間位置は、干渉パターンのフーリエ変換を行うことによって得られる。測定点の精度は、１マイクロメートルの精度であり、トウの表面による高さ変動より非常に小さい。走査処理によって、これは、トウを横切って高さプロファイル（ライン走査プロファイル）を与える。
[0081]図１０は、５トウから構成される帯を横切る典型的なライン走査プロファイルを示す。この情報は、付着中に生じた不備の明白な痕跡を提供する。横断位置Ｘ＝０ｍｍの近くの急増は、ちょうど付着されたバンドのエッジを表示する。横断位置Ｘ＝９ｍｍの近くに、短い重なりが明らかである。Ｘ＝１５．５−１６ｍｍ付近で、付着されたトウと、その隣接した、先に付着された層との間に隙間が存在する。これらの痕跡は、自動ソフトウェアによって実行される不備識別にとって十分に明らかである。ラベルのＺ方向又は高さは、仰角（すなわち、表面の上方の距離）を参照し、０は、リボンバンドの最上部の予期される高さを参照することに留意されたい。
[0082]図１１ａ、図１１ｂ、図１２ａ、図１２ｂ、図１３ａ、図１３ｂは、当該システムを使用して観察されてきた代表的な一連の不備である。各々の場合、生データライン走査と、表面プロファイルマップが提供されている。表面プロファイルマップは、コントラスト、ガンマ、輝度で修正され、白黒写真の鮮明度が改善されている。図１１ａ、図１１ｂは、一つのトウのエッジのカーリングを示す。図１２ａ、図１２ｂは、トウ・スプライスが置かれた場所を示す。トウ・スプライス情報は、その部分の品質に影響を与える重要な特性であると認識され、都合の良いことに、複合部のスプライス配置が図示され、特別な場所におけるスプライスの集中を除外する排除の原則を適用する。望ましくない場所におけるスプライスの識別は、リボン交換、付着の回復によって処理されてもよい。図１３ａ、図１３ｂは、トウがねじれている場所を示す。
[0083]したがって、出願人は、自動化リボン配置機におけるリボン配置を特徴付ける為に十分な情報をＯＣＴ形状測定が提供することを実証した。出願人は、付着を遅らせることなく、リアルタイムで５トウ付着を伴う商業的に利用可能なＡＦＰヘッドで、これを実証した。
[0084]構造に固有の他の利点は、当業者にとって自明である。上記実施形態は、本書に例示的に説明され、請求項に係る発明の範囲を限定することは意図されていない。前述の実施形態の変形は、当業者にとって明白であり、本発明者によって、以下の特許請求の範囲に包含されることが意図されている。
Claims (18)
- 自動リボン配置のオンラインモニタの為の自動化方法であって、前記方法は、
先に付着された、一つ又は複数のリボンで構成された層に対してアプリケータを移動させる為にロボット制御を与えつつリボンを送り、繊維強化複合体を構築するように前記層に前記リボンを押圧するステップと、
押圧後に前記リボンの第１の場所で前記リボンの表面を横切ってビーム光を走査すると同時に、第２の場所で同一の前記リボンが前記層に押圧され、前記ビームが前記表面上のスポットを照明するステップと、
サンプルビームを得るため、前記スポットから散乱される光を集めるステップと、
電気的干渉信号を得るため、前記サンプルビームおよび基準ビームを光検出器に導くステップと、
前記表面上に付着されたリボンのトポグラフィを特徴付ける複数の前記電気干渉信号を受信するステップと、
前記リボンの設計されたレイアップからの偏差が明らかであるかを識別する為に前記複数の前記電気干渉信号を処理するステップと、
を有する、方法。 - 前記散乱された光を集めるステップは、前記第１の場所から後方散乱光を集める工程を有する、請求項１に記載の方法。
- 前記ビームを走査するステップおよび前記光を集めるステップは、前記アプリケータを含むロボットヘッドに装着された光学装置によって一緒に実行される、請求項１または２に記載の方法。
- 前記光学装置は、前記ロボットヘッドに静的に装着され、前記第１の場所および第２の場所は、前記ロボットヘッドの傾斜によって生じる有界変動を除いて一定の分離を有し、前記光学装置は、前記リボンの操向によって生じる有界変動を除き中央に置かれる、請求項３に記載の方法。
- 走査するステップは、前記リボンに対して概略横断する方向で前記空間的照明パターンをライン走査するステップを更に有し、ライン走査の各サイクルにおいて、前記空間照明パターンは、その少なくとも一つのエッジを含む前記リボンの幅の少なくとも一部を照明する、請求項３または４に記載の方法。
- 前記光学装置は、光を少なくとも一つの光ファイバに結合させる、請求項３〜５のいずれか一項に記載の方法。
- 前記ライン走査中、前記アプリケータが前記表面に合う場所と前記スポットの間の距離は、前記アプリケータの半径の１／３から３倍に維持される、請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。
- 前記電気干渉信号は、前記表面および前記リボンの前記トポグラフィを共同で特徴付けるトモグラフィおよびトポグラフィの情報を含む、請求項１〜７のいずれか一項に記載の方法。
- 前記リボンは、高吸着性カーボンファイバから構成される、請求項１〜８のいずれか一項に記載の方法。
- 白色光源、波長掃引光源、レーザ、またはダイオードからビーム光および基準ビームを生成するステップを更に有し、前記複数の前記電気干渉信号を受信するステップは、関連付けられた干渉技術に従って信号方法を適用する工程を有する、請求項１〜９のいずれか一項に記載の方法。
- 前記複数の信号を処理するステップは、単一走査、連続操作、あるいは、隣接区域における走査の組み合わせの処理に基づく、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の方法。
- オンラインモニタの為にリボン配置（ＡＲＰ）ヘッドを適合する為のキットであって、前記キットは、
干渉信号を生成するように適合された干渉トポグラフィセンサと、
付着後、リボン表面のトポグラフィを記録するように、前記センサを前記ＡＦＰヘッドに所定位置および向きで装着する為の指令又は装着供給部と、
プロセッサ上で動くプログラム指令であって、付着後に前記リボンを特徴付けるトポグラフィ情報を得るようにリアルタイムで干渉信号を処理して、設計済みレイアップが無傷で実行されるか、あるいは、不備が存在するかを決定するようにトポグラフィ情報を使用する、前記プログラム指令と、
を有する、キット。 - 前記ＡＲＰヘッドを更に備える、請求項１２に記載のキットであって、前記ＡＲＰヘッドは、
カーボン繊維補強ポリマ（ＣＦＲＰ）から構成されたリボンを送るための、少なくとも一部のリボン供給部と、
前記一部のリボン供給部を通して送られた前記リボンの切断する為のリボンカッタと、
前記ロボットの制御および案内の下で、送られた前記リボンを機械設備に押圧し、ＣＦＲＰ複合部を形成するアプリケータと、
を備える、キット。 - 前記干渉トポグラフィセンサは、約５０ｋＨｚのサンプリングレート、付着後、前記リボンに対し概略横断する方向に前記表面上で照明スポットを移動させる為のスキャナを備えたＯＣＴセンサであり、前記スキャナは少なくとも秒速１ｃｍの速度を有する、請求項１２または１３に記載のキット。
- 前記センサは、ビーム源、集束及び集光用光学素子、および光検出器を備え、前記表面における前記ビームの入射角度、収束および収集用光学素子、前記ビーム源の電力、前記光検出器の感度は、生成された前記干渉信号が、高い吸着性カーボンファイバから構成されるリボンの為の表面のトポグラフィを共同で特徴付けるトモグラフィ及びトポグラフィ情報を与えるように選択される、請求項１２，１３または１４に記載のキット。
- 前記ＡＦＰヘッドに装着する為の装着供給部または前記指令は、前記ＡＦＰヘッドの、先に確立されたエンベロープ内部で全体に前記センサを配置する、請求項１２〜１５のいずれか一項に記載のキット。
- 前記干渉トポグラフィセンサは、掃引光源ＯＣＴセンサである、請求項１２〜１６のいずれか一項に記載のキット。
- 前記キットは、組み立てられ、ロボットに装着される、請求項１２〜１７のいずれか一項に記載のキット。
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