KR101390615B1 - 만곡된 선형 검사센서를 이용한 비파괴 검사장치와 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 센서홀더를 사용하고, 하나 이상의 만곡된 선형 검사센서를 지지하도록 되어 있으며, 스테레오리소그래피와 같은 신속한 프로토타이핑으로 구성되는, 구조물을 검사하는 장치와 시스템 및 방법에 관한 것이다. 일체형의 만곡된 선형 초음파변환기 검사장치와 시스템 및 방법은 맞춤형 검사장치를 구성하고, 햇 스트링거의 코너와 같이 구조물의 검사하기 어려운 만곡된 곡면형태를 검사하는 신속하고 효율적인 방법을 제공하게 된다.

Description

만곡된 선형 검사센서를 이용한 비파괴 검사장치와 방법 {Integrated curved linear ultrasonic transducer inspection apparatus, system and method}

도 1은 햇 스트링거를 검사하는 본 발명의 한 실시예에 따른 검사장치의 사시도이다.

도 2는 도 1에 도시된 검사장치의 다른 도면이다.

도 3은 도 1에 도시된 검사장치의 또 다른 도면이다.

본 발명은 전체적으로 구조물을 검사하는 장치와 방법에 관한 것으로, 특히 본 발명의 실시예들은 만곡된 선형 검사센서를 이용하여 구조물의 비파괴검사를 수행하는 장치와 시스템 및 방법에 관한 것이다.

구조물의 비파괴검사는, 구조물에 손상을 입히거나 구조물을 대부분 분해할 필요없이, 구조물 전체에 걸쳐 시험하는 것을 뜻한다. 비파괴검사는 통상 구조물의 손상가능성을 방지함은 물론 검사를 위해 일부분을 제거하는 데에 필요한 스케줄과 노동력 및 비용 등을 없애기 때문에 바람직하다. 비파괴검사는, 구조물 안팎의 전체 검사가 필요한 곳에 유익하다. 예컨대, 비파괴검사는 통상 항공산업에서 구조물에 있는 모든 유형의 내부 또는 외부손상이나 결함에 대해 항공기 구조물을 검사하는 데에 이용된다. 이러한 검사는 구조물을 제조하는 동안 또는 완전한 구조물이 현장시험을 포함한 실제 운용 중에 투입된 후에 실시되어서, 제조와 운행 및, 운용 중 다른 용도로 사용되는 동안 구조물의 완전함 및 상태를 확인할 수 있다.

기계적으로 비파괴검사되는 구조물 중에는, 복합샌드위치구조물과 같은 복합구조물과, 다른 접착된 패널 및 조립체, 보강 탄소섬유 및 흑연 에폭시재료로 만들어진 햇 스트링거(hat stringer) 또는 햇 스티프너(hat stiffener)와, 동시경화 또는 동시접착된 햇 스트링거와 같이 굴곡면을 가진 구조물들이 있다. 이들 복합재료와, 흑연재료를 이용하는 것과 같이 경량의 복합 및 접착된 재료로의 변화는, 장치와 공정이 구조적인 완전함과, 생산품질 및, 안전하고 신뢰성 있는 사용을 위한 수명유지를 확보하는 데에 유용하다. 이 때문에, 크랙이나 불연속부, 공간, 구멍들과 같은 임의의 결함을 확인하도록 구조물을 검사하는 것이 종종 요구되는데, 상기 결함은 구조물의 성능에 나쁜 영향을 미친다. 예컨대, 코어의 양쪽에 접착된 복합 또는 금속외피를 갖고서 하나 이상의 층으로 된 경량의 벌집모양이나 폼(foam)재의 코어재료로 만들어진 복합샌드위치구조물에 있는 전형적인 결함은 코어와 외피 사이 또는 코어와 내부 격벽 사이의 접합면에서 생기는 분리부를 포함한다.

다양한 유형의 센서가 비파괴검사를 이행하는 데에 사용될 수 있는바, 하나 이상의 센서가 검사될 구조물의 일부에 대해 이동하면서 구조물에 관련된 데이터를 받아들이게 된다. 예컨대, 펄스-에코, 투과(through transmission), 또는 전단파 센서가 구조물에서 두께 측정과, 층간 결함 및 구멍들의 검출, 크랙의 검출과 같은 초음파 데이터를 얻는 데에 사용될 수 있다. 공진, 펄스-에코, 또는 임피던스 센서가 구조물의 접착선에 있는 공간이나 구멍들을 표시하는 데에 사용될 수 있다. 항공기 구조물에서의 높은 분해능 검사는 통상 반자동화된 초음파시험을 이용하여 실시되어서, 검사 중에 있는 부품 또는 구조물의 평면 영상을 제공하게 된다. 솔리드 층들과 일부 복합재료가 통상 일측 펄스-에코 초음파시험을 이용하여 검사되는 한편, 복합샌드위치구조물은 통상 높은 분해능의 검사를 위해 투과 초음파시험을 이용하여 검사된다. 상기 펄스-에코 초음파시험에서는, 초음파변환기(ultrasonic transducer)와 같은 초음파센서가 검사될 구조물의 한쪽 표면 또는 그 근처에 인접하게 위치된다. 예컨대, 펄스-에코 초음파변환기는 검사 중에 있는 구조물로 초음파신호를 보내고, 이 구조물로부터 초음파신호의 반사를 받아들인다. 투과 초음파시험에서는, 변환기나 변환기 및 수신기센서와 같은 초음파센서가 서로 쪽을 향하되, 구조물의 양쪽에서 접촉하여 위치된다. 초음파신호가 적어도 하나의 변환기에 의해 보내어져, 구조물을 통해 전파되고, 다른 변환기에 의해 받아들여진다. 센서에 의해 얻어진 데이터는 통상 받아들여진 신호의 진폭에 대한 그래프로 처리되고 디스플레이를 통해 사용자에게 제공된다. 데이터 취득보드와 데이터 처리소프트웨어가 검사 데이터를 수집하고, 검사결과를 상응한 색상 또는 그래픽 데이터가 보충된, 햇 스트링거와 같은 검사 중인 구조물의 영상표시로 컴퓨터 모니터에 데이터를 디스플레이하는 것과 같이 검사 데이터를 나타내어서, 자격을 가진 검사자가 검사할 수 있게 한다.

비파괴 초음파검사는 종종 검사장치와 구조물 사이에서 부글부글 물거품이 일듯이 변환기 또는 변환기 어레이에서 검사 중인 구조물의 표면으로 초음파신호를 커플링하는 것을 포함한다. 솔리드 층들은 일측 펄스-에코 초음파시험을 이용하여 검사되고, 접착선 두께는 일측 펄스-에코 초음파시험을 이용하여 측정되는 한편, 복합샌드위치구조물은 통상 높은 분해능 검사를 위해 투과 초음파시험을 필요로 한다. 투과 초음파시험에서, 변환기와 같은 초음파센서 또는 변환기 및 수신기센서는 서로 쪽을 향하여 위치되되, 복합재료의 양측면과 같이 검사될 구조물의 양쪽과 접촉해서 위치된다. 초음파신호는 적어도 하나의 변환기에 의해 보내어지고, 구조물을 통해 전파되며, 다른 변환기에 의해 받아들여진다. 펄스-에코 초음파변환기와 투과 초음파변환기와 같은 센서에 의해 얻어진 데이터는 통상 처리부재에 의해 처리되고, 처리된 데이터는 디스플레이에 의해 사용자에게 제공된다.

비파괴검사는 구조물에 대해 적당한 센서를 이동시키는 기술자에 의해 수동으로 이행될 수 있다. 일반적으로 수동스캐닝은, 훈련받은 기술자가 센서를 잡고 구조물을 따라 센서를 이동시켜서 센서가 구조물의 모든 부분을 시험할 수 있게 하는 것으로 이루어진다. 많은 경우에, 기술자는 한쪽 측방향으로 센서를 반복되게 이동시켜야 함과 동시에, 다른 방향으로 센서를 인덱싱(indexing)해야 한다. 구조물 곁에 서 있는 기술자는 센서를 좌우로 그리고 다시 뒤로 반복되게 이동시키면서 각 경로들 사이에서 센서를 인덱싱하게 된다. 덧붙여, 센서가 통상 얻어진 데이터에 대한 위치정보를 연결시키지 않기 때문에, 구조물을 수동으로 스캐닝하는 기술자는 센서의 디스플레이를 보면서 구조물을 스캐닝하여, 구조물에 결함이 있음을 측정해야 한다. 그러므로, 검사의 품질은 대부분 기술자의 능력, 즉 센서의 움직임과 관련된 능력뿐만 아니라 디스플레이된 데이터를 해석하는 기술자의 주의력에 따라 결정된다.

반자동화된 검사시스템이 개발되어, 수동 검사방법의 일부 단점을 해결하였다. 예컨대, 모바일 자동 스캐너(Mobile Automated Scanner : 이하 MAUS) 시스템은 일반적으로 고정된 프레임과, 통상 초음파검사에 적용되는 하나 이상의 자동화된 스캐닝 헤드를 사용하고 이동할 수 있는 스캐닝 시스템이다. MAUS 시스템은 펄스-에코와 전단파 및 투과센서와 함께 이용될 수 있다. 고정된 프레임은 진공흡입컵이나 자석 또는 유사한 고정방법에 의해 검사될 구조물의 표면에 부착될 수 있다. 보다 작은 MAUS 시스템은, 기술자가 구조물의 표면에 대해 수동으로 이동시키는 휴대용 유닛으로 될 수 있다. 하지만, 투과 초음파시험에서, 반자동화된 검사시스템은 구조물의 양쪽으로 접근하는 것이 요구되는데, 적어도 일부 환경에서는 불가능하지는 않지만, 특히 자동화된 스캐닝 헤드의 제어를 위해 고정된 프레임을 이용하는 반자동화된 시스템에 대해서는 문제로 되게 된다.

또한, 자동화된 검사시스템이 수동 및 반자동화 검사기술의 대안으로 개발되었다. 펄스-에코 초음파시험과 같은 일측 검사방법에는, 예컨대 미국 미시건주 로체스터 힐에 있는 파눅 로보틱스(FANUC Robotics)의 R-2000iA 계열의 6축 로봇, 또는 스위스 취리히에 있는 에이비비 엘티디.(ABB Ltd.)의 IRB 6600 로봇과 같은 단일 아암 로봇장치가 펄스-에코 초음파 검사장치를 위치시키고 이동시키는 데에 이용될 수 있다. 투과 시험에는, 오토메이티드 울트라소닉 스캐닝 시스템(Automated Ultrasonic Scanning System : 이하 AUSS)과 같은 장치가 사용될 수 있다. AUSS는 로봇식으로 제어되고서, 검사가 진행중인 구조물의 양쪽 표면에 인접하게 위치될 수 있는 2개의 탐침아암을 갖추되, 한쪽 탐침아암은 구조물의 한쪽 표면을 따라 초음파 발신기를 이동시키고, 다른쪽 탐침아암은 구조물의 반대쪽 표면을 따라 초음파 수신기를 상응하게 이동시킨다. AUSS-X 시스템과 같은 종래의 자동화된 스캐닝 시스템은 투과 시험을 위해 구조물의 양쪽에서 접근해야 하는데, 적어도 일부 환경에서는 불가능하지는 않지만, 특히 아주 크거나 작은 구조물에 대해서는 문제로 되게 된다. 발신기 및 수신기 서로와, 검사가 진행중인 구조물이 적당히 정렬되고 간격을 유지하게 하기 위해서, AUSS-X 시스템은 10축으로 움직임을 제어하는 복잡한 위치선정시스템을 갖추고 있다. AUSS 시스템은 또한 펄스-에코 검사를 수행할 수 있음과 동시에 이중주파수 검사를 이행할 수 있다.

구조물의 검사가 이행되는 속도를 높이기 위해서, 스캐닝 시스템은 발신기 또는 검출기의 어레이와 같은 검사센서 어레이를 구비할 수 있다. 이로써, 구조물의 검사는 더욱 신속하고 효율적으로 진행될 수 있어서, 검사와 관련된 비용을 줄일 수 있다. 마찬가지로, 스캐닝 시스템은 선형 초음파변환기(무순서 어레이 또는 매트릭스 어레이와 비교해서 선형 어레이 변환기로도 불리는)를 구비할 수 있다. 하지만, 통상 각 구조물 및 검사방법은 구조물에 대한 스캔 범위와 변환기의 정렬(구조물의 표면에 대한 위치 및 방위)을 제공하도록 된 상응하는 변환기 또는 변환기 어레이를 필요로 한다. 종래의 특정한 검사장치는 구조물의 상이한 형태와 상이한 크기 및, 상이한 구조물을 스캐닝하도록 구성되어 있다. 특정한 구조물을 스캐닝하는 하나 이상의 선형 검사센서를 이용한 검사장치를 구성하기 위해서는, 구조 물의 표면에 대해 검사센서를 적절히 정렬시키고, 구조물의 스캔 범위를 확보하는 것이 필요하다. 예컨대, 볼록한 선단 및 오목한 코너와 같은 곡면형태를 포함하는 구조물의 형태뿐 아니라 평탄하고 만곡된 표면에 대한 고려가 있어야 한다. 종래에는 각 검사방법을 위한 특정한 검사장치를 구성하는 데에, 즉 특정한 검사장치를 설계하고 만드는 데에 상당한 시간과 비용 및 노동력을 필요로 하였다. 또한, 종래에는 각 특정한 검사장치가 단지 하나의 구조물을 검사할 수 있도록 되어 있고, 보통 크기가 상이한 선형 검사센서들을 이용하는 상이한 검사방법 또는 상이한 크기의 구조물들에 대해서는 적용될 수 없었다. 따라서, 구조물을 검사하는 향상된 비파괴검사장치와 시스템 및 방법이 필요하게 되었다.

본 발명은 하나 이상의 만곡된 선형 검사센서를 이용하여 볼록한 선단 및 오목한 코너와 같은 하나 이상의 만곡된 곡면형태를 가진 구조물을 검사하고, 가능하기로는 하나 이상의 선형 검사센서를 이용하여 여러 측면을 가진 구조물을 검사하는 향상된 장치와 시스템 및 방법을 제공한다. 본 발명의 장치와 시스템의 실시예들은 통상 신속한 프로토타이핑(Rapid Prototyping)으로 구성되는 센서홀더를 이용하는데, 이는 햇 스트링거와 같이 하나 이상의 만곡된 곡면형태를 가진 구조물의 검사를 위해 정렬되는 만곡된 선형 검사센서를 지지하도록 되어 있다. 본 발명에 따른 방법의 실시예들은 만곡된 선형 검사센서로 구조물을 검사하는 맞춤형 검사장치를 구성하는 신속하고 효율적인 방법을 제공한다.

본 발명의 다른 양상에 따르면, 만곡된 선형 펄스-에코 초음파센서와 같이, 본 발명의 실시예들에 따른 장치와 시스템의 만곡된 선형 검사센서들 사이의 초음파신호의 커플링을 용이하게 하기 위해서, 접촉매질이 검사중인 구조물의 각 표면과 만곡된 선형 검사센서의 사이에 위치될 수 있다. 본 발명에 따른 검사장치의 실실시예에서는, 바람직하기로 구조물에 대한 만곡된 선형 검사센서의 초음파신호를 커플링하도록 구조물의 표면과 만곡된 선형 검사센서 사이에 유동성 접촉매질을 공급할 수 있는 유체다기관을 구비한다.

본 발명의 또 다른 양상에 따르면, 구조물의 검사를 위해 정렬되는 만곡된 선형 검사센서를 지지하도록 된 검사장치와 같이, 하나 이상의 만곡된 선형 검사센서로 구조물을 검사하는 맞춤형 검사장치를 구성하는 방법이 제공된다.

본 발명의 추가적인 설명뿐만 아니라 다른 특징들이 다른 실시예들을 참조로 하여 상세한 설명란에 기술되어 있다.

따라서, 이제 본 발명이 일반적인 용어로 설명되되, 축척이 불필요한 첨부도면을 참조로 한다.

본 발명은 첨부도면을 참조로 하여 더욱 상세히 설명되되, 본 발명의 실시예들 중 모두가 아닌 일부만 도시되어 있다. 본 발명은 여러 상이한 형태로 실시될 수 있으며, 여기에 설명된 실시예에 한정되는 것으로 간주되지 않는다. 유사한 참조번호가 도면 전체에 걸쳐 유사한 부재를 나타낸다.

본 발명의 실시예들은 펄스-에코 초음파 비파괴검사를 기준으로 여기에 설명되고, 통상 만곡된 선형 펄스-에코 초음파 비파괴검사 센서들이 이용되지만, 본 발 명의 실시예들은 일측 검사방법에 한정되지 않고, 제한 없이 투과 초음파시험을 포함하는 다른 검사방법에 사용될 수 있다. 예컨대, 햇 스트링거와 복잡한 형태를 가진 다른 구조물은 펄스-에코 초음파시험과 같은 일측 검사방법을 사용하는 본 발명의 실시예를 이용하여 더욱 쉽게 검사될 수 있지만, 예컨대 자기(磁氣)적으로 결합된 검사용 탐침이 투과 초음파시험을 위해 본 발명의 실시예에 사용될 수 있다.

만곡된 선형 어레이로 불리는 만곡된 선형 검사센서나, 만곡된 선형 어레이 검사센서 또는 만곡된 선형 변환기는 동일한 거리로 떨어져 배열된 다수의 변환기를 포함하여 검사센서로 불리는데, 오목하게 만곡된 곡면형태를 검사하도록 볼록한 형상으로 되거나, 볼록하게 만곡된 곡면형태를 검사하도록 오목한 형상으로 되는 것과 같이, 볼록 또는 오목하게 만곡된 형상으로 위치하게 된다. 만곡된 형상 및 만곡된 곡면형태라는 용어는 여기서 형상 및 형태에 대해 사용되는데, 이들은 소정의 각도로 연결되는 복합의 곡선 또는 선형 영역과 같이 매끄럽지 않지만 연속적으로 만곡되어 있는 임의의 다른 볼록 또는 오목한 형상을 갖거나, 매끄럽고 연속되게 만곡되어 있는 특성을 갖고 있다. 만곡된 선형 어레이는, 볼록하면 갈라지거나 오목하면 모이도록 평면을 통해 소정의 각도로 검사신호를 보낸다. 비교하자면, 선형 어레이는 평면을 통해 평행하게 검사신호를 보낸다. 2개의 선형 검사센서 또는 하나의 선형 검사센서를 두번 통과시켜 중첩되게 하여 만곡된 곡면형태를 다루게 될 때일지라도 평면을 통해 평행하게 검사신호를 보내는 선형 검사센서를 이용하여 만곡된 형태를 검사하는 것보다는, 구조물의 만곡된 곡면형태를 검사하는 데에 만곡된 선형 검사센서를 이용하는 것이 바람직하다. 만곡된 선형 검사센서가 선형 검사센서보다 만곡된 곡면형태를 검사하는 데에 더욱 적합하다.

본 발명에 따른 일체형의 선형 초음파변환기 검사장치와 시스템 및 방법의 실시예들은, 여기서 햇 스트링거, 특히 항공기 동체를 위한 복합 햇 스트링거의 검사에 대해 기술한다. 하지만, 상기 장치와 시스템 및 방법은, 제한 없이 검사하기 어려운 기하학적인 형태나 먼 위치, 특히 만곡된 곡면형태를 가진 다른 복합 구조물을 포함하여, 비파괴검사를 필요로 하는 유사한 방법과 햇 스트링거와는 상이한 구조물에도 사용될 수 있다. 본 발명의 장치와 시스템 및 방법의 실시예들은 기술자에 의한 수동 스캐닝에 이용되거나, 반자동이나 자동 운동제어시스템을 이용할 수 있는데, 가능하게는 계류중인 미국 특허출원 10/943,088호와 10/943,135호 및 11/041,499호의 자기적으로 결합된 탐침에 대해 기술된 것과 같은 자기 결합을 이용할 수 있다. 본 발명의 신속한 프로토타이핑 실시예들의 한가지 장점은, 신속한 프로토타이핑이 햇 스트링거의 만곡된 선단 및 여러 측면을 가진 표면과 같이 검사될 구조물의 상응한 형상과 형태에 따라, 맞춤형 검사방법을 위한 맞춤 형상을 가진 검사장치를 창출시킨다는 점이다. 따라서, 본 발명에 따른 장치와 시스템의 실시예는, 구조물의 형상과 크기, 그리고 상이한 햇 스트링거 구조의 형상과 크기와 같은 다른 특성들의 변화와 부품두께의 변환을 수용하도록 구성될 수 있다. 선형 초음파변환기를 지지하는 검사장치의 구조물은, 신속한 프로토타이핑의 실시예 또는 종래의 방법으로 조립되든지 간에 여기서는 센서홀더로 불린다.

본 발명에 따른 장치의 실시예는 구조물 표면의 적어도 일부의 형상에 상응한 센서홀더의 표면(검사중인 구조물을 타고 가거나 인접한 장치의 일부)을 갖도록 되어 있는데, 구조물의 적어도 일부는 볼록 또는 오목표면과 같은 비평탄면이거나, 코너, 선단, 홈 등과 같은 만곡된 형태를 포함하게 된다. 예컨대, 검사될 구조물이 오목한 형상을 가지면, 장치의 표면이 구조물의 오목한 형상에 맞춰 볼록한 형상을 갖도록 될 수 있다. 마찬가지로, 검사될 구조물이 햇 스트링거이면, 장치는 햇 스트링거의 형상과 크기 및 코너각도에 상응하게 될 수 있다. 예컨대 햇 스트링거의 볼록한 선단을 검사하도록 된 장치는 구조물에 맞게 되어(형상을 갖거나 크기를 갖게 되는 등), 햇 스트링거의 볼록한 코너의 검사범위를 제공하도록 정렬되는 만곡된 선형 검사센서를 지지할 수 있다. 예컨대, 장치는 햇 스트링거의 망상부(網狀部)와 상부캡 사이에 있는 하나 이상의 볼록한 코너에 각각 일치되는 하나 이상의 오목한 코너를 구비할 수 있다. 햇 스트링거의 망상부와 상부캡 사이의 2개의 볼록한 코너를 포함하는 햇 스트링거의 부분은 햇 스트링거의 상부 곡면부로 불릴 수 있다. 도 1 내지 도 3에 도시된 본 발명에 따른 실시예의 검사장치는 햇 스트링거의 망상부와 상부캡 사이의 2개의 볼록한 코너와 일치되는, 즉 햇 스트링거의 상부 곡면부와 일치되는 2개의 오목한 코너를 구비한다.

본 발명에 따른 센서홀더의 구조와 사용은, 만곡된 선형 검사센서를 이용하여 구조물의 만곡된 곡면형태의 전체 적용범위를 검사할 수 있게 한다. 만곡된 선형 검사센서는, X축은 고정된 위치에 있고 Y평면의 일부를 스캐닝하는 것과 같이 한쪽 평면만 검사한다. 하지만, 본 발명에 따른 센서홀더를 사용함으로써 전체 검사범위가 가능하게 된다. 예컨대 만곡된 곡면형태에 대해 만곡된 선형 검사센서를 위치시키고 햇 스트링거의 상부 곡면부를 가로질러 햇 스트링거의 길이를 따라 만 곡된 선형 검사센서를 통과하는 것과 같이 특정한 패턴으로 스캐닝함으로써, 만곡된 곡면형태의 전체 검사범위가 이루어질 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 검사장치와, 특히 검사장치의 센서홀더는 검사될 구조물의 형상과 크기에 상응하게 되어 있다. 예컨대, 도 1 내지 도 3에 나타낸 검사장치(10)는 햇 스트링거의 상부 곡면부를 검사하도록 되어 있다. 예컨대, 검사장치(10)의 센서홀더(12)는 햇스트링거의 망상부 내지 볼록한 코너와 상부 캡을 검사하도록 햇 스트링거 구조물의 적어도 일부 위로 이동하도록 되어 있다. 검사장치(10)는 햇 스트링거의 망상부와 상부캡의 교차점인 코너의 곡면에 상응한 오목한 코너를 갖춘다. 마찬가지로, 검사장치(10)는 햇 스트링거의 상부캡 위로 이동하도록 된 적어도 평탄한 상부캡용 표면부를 갖추고 있다. 다른 실시예에서는, 검사 중인 구조물의 다른 고정된 부분에 대해 또는 홈에서 코너를 따라 타고 가도록 적어도 하나의 맞춤코너를 갖추어서, 잠재적으로 햇 스트링거의 상부캡 양쪽에 있는 2개의 맞춤코너, 즉 햇 스트링거의 망상부와 상부캡 사이의 만곡된 코너를 구비하는 햇 스트링거의 상부 곡면부를 따라가기보다는, 검사작업 동안 일관성을 제공하고 기준을 위해 검사장치와 햇 스트링거 또는 다른 구조물 사이에 방위를 제공하도록 구성될 수 있다.

본 발명의 실시예들은 조립되는 여러 부품 또는 단일한 부품으로 신속히 프로토타이핑함으로써 구성될 수 있다. 예컨대 단일한 장치는, (i) 만곡된 선형 검사센서 또는 선형 검사센서와 같은 검사센서를 지지하는 직사각형의 센서홈과, (ii) 수동의 검사작업과 검사장치를 다루기 위한 핸들, (iii) 광학 샤프트 엔코더와 같 은 엔코더를 지지하는 구조적인 홀더 및, (iv) 유체입구부터 검사센서 및 구조물 사이의 영역으로 유체흐름을 제공하여, 구조물에다 검사센서의 초음파신호를 커플링하는 유체다기관 홈으로 구성될 수 있다. 선택적으로, 예컨대 장치의 개별적인 부분은 조립될 수 있게 구성될 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 검사장치와 특히 센서홀더는 바람직하기로 신속한 프로토타이핑(신속한 제조와, 솔리드 프리-폼 조립, 컴퓨터 자동화 제조, 레이어드(layered) 제조로 알려진)에 의해 조립될 수 있다. 신속한 프로토타이핑은, 자외선광(각 층을 따라가는 낮은 동력의 집중 UV레이저)에 노출될 때 경화되는 액상의 광경화성 폴리머(예컨대 액상의 에폭시 또는 아크릴레이트 수지)로부터 3차원 최종 제품을 구성하는 스테레오리소그래피(stereolithography)와 같이, 물리적으로 형성하여 최종 제품을 생성하는 전자층들로 전자설계모델을 얇게 잘라내는 것을 포함한다. 스테레오리소그래피는 미국 캘리포니아주 발렌시아에 있는 쓰리디 시스템즈, 인크.(3D Systems, Inc.)에 양도된 헐(Hull)의 미국 특허 제4,575,330호에 추가로 기술되어 있다. 예컨대 적층물 제조와, 선택적인 레이저 소결, 용해침착 모델링, 솔리드 그라운드 경화, 3-D 인크젯 프린팅과 같은 다른 유형의 신속한 프로토타이핑도 가능하다. 최종 제품이 전형적으로 캐드(CAD) 모델과 같은 전자설계모델로부터 직접 생성되기 때문에, 신속한 프로토타이핑은 툴링(tooling)을 필요로 하지 않는다. 신속한 프로토타이핑이 툴링을 필요로 하지 않기 때문에, 맞춤형 검사장치를 제조하는 비교적 저렴하고 신속한 방법을 제공한다. 캐드 모델이 검사될 구조물에 대응되는 특정한 용도를 위해 창출될 수 있고, 상응한 검사장치가 창출될 수 있기 때문에, 신속한 프로토타이핑이 맞춤 형 검사장치에 대해 아주 바람직하다. 검사될 구조물이 독특한 형상 또는 표면윤곽을 가질지라도, 본 발명의 실시예들은 비교적 저렴한 비용으로 비교적 짧은 시간 내에 창출될 수 있지만, 여전히 특정한 검사방법에 대해 특수하게 되어 있다.

도 1 내지 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 검사장치(10)를 도시한다. 도 1은 검사장치(10)의 상부 및 제1단부 사시도이고, 도 2는 검사장치(10)의 저면 사시도이며, 도 3은 도 1과 반대쪽인 검사장치(10)의 상부 및 제2단부 사시도이다. 도 1은, 검사장치(10)가 햇 스트링거(4)의 상부캡(8)과 망상부(6)를 따라 이동하는 검사작업 동안 검사장치(10)가 사용될 때 햇 스트링거(4)에 놓인 검사장치를 도시한다.

검사장치(10)는 만곡된 선형 변환기(40)를 구비한다. 만곡된 선형 변환기(40)는 검사장치(10)의 신속한 프로토타이핑으로 된 센서홀더(12)에 의해 지지되어서, 만곡된 선형 변환기(40)는 햇 스트링거의 만곡된 곡면형태, 즉 햇스트링거(4)의 상부캡(8)과 망상부(6) 사이의 만곡된 코너를 검사하도록 위치하게 된다. 센서홀더(12)는 직사각형의 홈을 형성하는데, 이 홈에는 만곡된 선형 변환기(40)가 센서홀더(12:또는 다른 변환기 지지부)에 나사고정되는 수평한 홀더(42)에 의해 고정된다. 도 1 내지 도 3에 도시된 실시예는 구획된 홈을 형성하지만, 본 발명의 센서홀더는 선택적으로 홈 또는 다른 위치를 형성하는데, 여기에 또는 이에 대해 검사센서는 센서홀더에 의해 지지되고 위치하게 되며, 검사센서의 지지와 위치에 관련된 모든 구조적인 형태는 여기에 집합적으로 홈으로 불린다. 마찬가지로, 수동작업용 핸들은 통상 작업자에 의한 파지와 조종을 위해 특수하게 또는 단독으로 된 연장부 또는 유사한 구조부재를 의미하지만, 여기서 핸들이란 용어는 도 3에 도시된 바와 같이 선형 엔코더를 둘러싸는 센서홀더의 연장부와 같이 사용자에 의해 검사장치의 작동을 용이하게 하도록 된 센서홀드의 어떤 부분, 또는 붙잡기에 적합한 센서홀드의 다른 부분을 칭한다. 센서홀더는 상이한 형상과 크기의 구조물을 검사하기 위해 조절할 수 있도록 되어 있다. 예컨대, 도 1 내지 도 3의 센서홀더(12)는 정렬나사(66)의 길이를 따라 조절가능한 코너부(64)의 이동을 제어하는 정렬나사(66)의 회전을 조정함으로써 위치되는 조절가능한 코너부(64)를 구비하여서, 센서홀더(12)의 망상부용 표면부들 사이의 분리를 조정하여 햇 스트링거의 상이한 상부캡의 폭들에 대해 위치하게 된다. 마찬가지로, 수평한 홀더(42)와 직사각형의 홈은 다른 곡률을 가진 또는 다른 길이의 만곡된 선형 변환기로 만곡된 선형 변환기를 교체하고 만곡된 선형 변환기의 크기와 위치를 조정할 수 있게 되어 있다.

또한, 검사장치는 롤러베어링(61,62) 또는 스키드(skid)와 같은 접촉부재를 구비하여, 검사중인 구조물의 각 표면을 향하는 검사장치의 센서홀더의 표면으로부터 바깥쪽으로 연장할 수 있다. 롤러베어링이나, 볼베어링, 니들베어링, 유체베어링, 스키드 또는 이와 유사한 다양한 유형의 접촉부재가 사용될 수 있다. 스키드는 검사될 구조물의 표면과 접촉하도록 스키드의 표면에다, 미국 델라웨어주 윌밍턴에 있는 이. 아이. 듀퐁 느무르 앤드 컴파니(E. I. DuPont Nemours and Company)에서 구입가능한 테프론(Teflon) 재료를 구비하여, 가로지르는 병진운동을 제공한다. 스키드는 구조물에 검사장치를 처음 놓을 때 시험 중인 구조물의 표면의 손상을 방지하는 데에 도움이 된다. 롤러, 볼, 니들, 또는 다른 유형의 저마찰 베어링은, 검사되는 구조물의 표면에 대한 검사장치의 움직임을 용이하게 하는 데에 도움이 될 수 있다. 워터 베어링과 공기 베어링과 같은 유체베어링은 검사 중인 구조물에 대해 검사장치의 간격과 위치를 유지하는 데에 사용될 수 있다. 베어링과 스키드 및 이와 유사한 것들은 유압식 부양기나 유체정역학적인 베어링을 이용하여 구조물의 표면과 접촉하는 것으로부터 탐침을 이동시키는 것과 같이, 검사중인 구조물의 표면과 검사장치 사이의 마찰을 감소시키는 데에 사용될 수 있다. 접촉부재를 사용하면, 구조물의 표면에 대한 검사장치의 매끄러운 병진운동이 이루어져, 검사장치의 의도된 방향을 유지할 수 있으며, 검사센서의 정렬을 유지하고, 검사장치가 쉽게 구를 수 있는 것과 같이, 표면의 크기나 매끄러움 또는 평탄함에 관계없이 표면의 연속된 스캐닝이 이루어질 수 있게 한다. 또한, 구조물의 표면과 검사장치 사이에 스키드 또는 유체베어링을 사용하면 외피 패널의 손상 또는 부드러운 외피의 긁힘을 방지할 수 있다.

초음파 검사작업에서, 물 또는 공기와 같은 유체가 유체입구로 통해 있는 하나 이상의 공급라인을 통해, 검사장치를 거쳐 유체가 흐를 수 있게 형성된 채널이나 다기관 같은 하나 이상의 홈, 중앙 공동부, 유사한 개구부(여기서는 집합적으로 "유체다기관"으로 불린다)로 공급될 수 있는데, 검사장치 내에서는 구조물과 검사장치, 특히 이에 지지되는 검사센서 사이에 유체를 살포하여, 구조물과 검사센서 사이에 시험신호를 커플링한다. 이 공정은 유체커플링으로 알려져 있다. 일반적으로, 초음파 검사신호의 신호 대 잡음비율에 나쁜 영향을 끼칠 수 있는 기포나 캐비테이션 또는 난류 없이, 검사센서와 구조물 사이에 유체흐름이 매끄럽게 이루어질 수 있게 하는 시도가 있었다. 검사장치(10)는 유체입구(50)를 구비하고, 여기에는 유체공급라인이 검사장치에 유체 접촉매질을 전달하도록 연결될 수 있다. 유체입구(50)는 이 유체입구(50)로부터, 햇 스트링거(4)의 망상부(6)와 상부캡(8) 그리고 이들 사이의 만곡된 코너와 같이 검사중인 구조물과 만곡된 선형 변환기(40) 사이의 영역으로 유체 접촉매질을 통과시키도록 된 센서홀더(12) 내의 내부 유체다기관에 연결된다. 유체다기관은 임의의 수의 형상으로 형성될 수 있고, 유체입구로부터 초음파 검사신호가 통과하는 영역으로 흐르는 유체흐름을 제어하도록, 유체입구에서 초음파 검사신호가 통과하는 영역까지 형성된 통로를 나타낸다.

또한, 검사장치(10)는, 검사되는 햇 스트링거(4)에 대해 검사장치(10)의 움직임 또는 위치정보를 기록하는 휠(31)을 갖춘 선형 엔코더 또는 광학 샤프트 엔코더(30)를 구비한다. 광학 샤프트 엔코더(30)와 휠(31)은 구조물을 따라 이동함으로써 작동되게 검사장치에 장착되고, 다른 실시예에서는 햇스트링거에 인접하거나 햇스트링거의 망상부를 따라 도 1 내지 도 3에 도시된 실시예의 상부캡 위치를 따르기 보다는 다른 위치에서 작동하도록 방위를 가진 엔코더, 또는 상이한 높이 또는 크기를 가진 햇스트링거와 같이 상이한 구조물의 검사를 위해 필요할 때 조절될 수 있게 장착된 엔코더를 사용한다. 마찬가지로, 광학 샤프트 엔코더(30)를 위해 휠(31)을 사용하는 것에 대해, 본 발명에 따른 검사장치의 다른 실시예에서는 검사되는 구조물을 따라 검사장치를 반자동 또는 자동으로 이동시키는 구동모터 또는 유사한 자동화된 구동기구를 이용하고, 선택적으로, 자기적으로 결합된 크롤러(crawler) 또는 동작제어 로봇아암이 검사되는 구조물을 따르는 검사장치의 이동을 제어하는 데에 이용될 수 있다.

전술된 바와 같이, 본 발명의 실시예들은, 작업자가 구조물을 따라 검사장치를 미끄럼이동시키는 수동 스캐닝작업에, 또는 반자동이나 자동화된 스캐닝작업에 사용될 수 있다. 또한, 전술된 바와 같이, 본 발명에 따른 실시예의 센서홀더는 다양한 형태로 만들어져 만곡된 선형 검사센서를 이용하여 스캐닝될 구조물에 동등하게 변화되는 형태에 맞춰지거나, 조정 또는 교환가능한 부분을 가져 하나 이상의 형상 또는 크기를 가진 구조물에서 센서홀더를 사용할 수 있게 한다. 또한, 본 발명에 따른 실시예의 검사장치와 센서홀더는, 햇 스트링거의 만곡된 코너나 홈, 망상부, 상부캡 등을 스캐닝하기 위해 하나 이상의 만곡된 선형 검사센서 또는 하나 이상의 선형 검사센서를 갖추어 구조물의 여러 부분을 검사하는 데에 사용되거나, 구조물의 상이한 부분들을 동시에 검사하기 위해 다수의 검사센서와 함께 이용될 수 있다.

본 발명은 기술된 실시예들에 한정되지 않고, 본 발명의 응용 및 다른 실시예는 첨부된 청구범위의 범주 내에 포함되는 것으로 간주된다. 특정한 용어들은 단지 포괄적이고 설명하기 위한 것으로, 한정하기 위한 것은 아니다.

이상과 같이 본 발명에 의하면, 볼록한 선단 및 오목한 코너와 같은 하나 이상의 만곡된 곡면형태를 가진 구조물을 검사하고, 가능하기로는 하나 이상의 선형 검사센서를 이용하여 여러 측면을 가진 구조물을 비파괴검사하는 향상된 장치와 시스템 및 방법을 제공하게 된다.

Claims (29)

1. 제1 만곡된 선형 검사센서와;

   이 제1 만곡된 선형 검사센서를 지지하고 위치시키는 제1홈을 형성하며, 구조물의 적어도 제1부분 위로 이동하도록 되어 있되, 구조물의 상기 제1부분은 햇 스트링거의 상부캡과 망상부 사이의 만곡된 코너를 포함하는 적어도 제1 만곡된 구조형태를 가지며, 상기 제1홈은 제1 만곡된 구조형태를 검사하도록 제1 만곡된 선형 검사센서를 위치시키도록 되어 있는 센서홀더;를 구비하는, 만곡된 선형 검사센서를 이용한 비파괴검사장치.
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9. 제1항에 있어서, 상기 제1홈에 만곡된 선형 검사센서를 고정시킬 수 있는 적어도 하나의 분리가능하고 조절가능한 변환기 지지부를 추가로 구비하는 것을 특징으로 하는 비파괴검사장치.
10. 제1항에 있어서, 제2 만곡된 선형 검사센서를 추가로 구비하고,

    상기 센서홀더는 제2홈을 추가로 형성하도록 되어 있으며,

    상기 구조물의 제1부분은 제2 만곡된 구조형태를 갖추는 한편,

    상기 제2홈은 센서홀더가 구조물의 제1부분 위로 이동하는 동안 제2 만곡된 구조형태를 검사하도록 제2만곡된 선형 검사센서를 지지하고 위치시키도록 된 것을 특징으로 하는 비파괴검사장치.
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12. 제1항에 있어서, 제2 선형 검사센서를 추가로 구비하고,

    상기 센서홀더는 제2홈을 추가로 형성하도록 되어 있으며,

    상기 구조물의 제1부분은 제1 평탄한 구조형태를 갖추는 한편,

    상기 제2홈은 센서홀더가 구조물의 제1부분 위로 이동하는 동안 제1 평탄한 구조형태를 검사하도록 제2 선형 검사센서를 지지하고 위치시키도록 된 것을 특징으로 하는 비파괴검사장치.
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14. 제1항에 있어서, 유체다기관과 이 유체다기관에 연결된 유체입구를 추가로 구비하고,

    상기 유체입구는 유체를 유체다기관으로 주입하도록 되며,

    상기 센서홀더는 추가적으로 유체다기관으로부터 적어도 하나의 홈과 구조물 사이로 유체를 살포할 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 비파괴검사장치.
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17. 제1항에 있어서, 검사중인 구조물에 대해 검사장치의 위치와 속도 및 방향 중 적어도 하나를 측정하도록 된 엔코더를 추가로 구비하는 것을 특징으로 하는 비파괴검사장치.
18. 제1항에 있어서, 상기 구조물의 적어도 제1부분 위로 센서홀더를 이동시킬 수 있는 이동장치를 추가로 구비하고,

    상기 제1 만곡된 구조형태는 이 제1 만곡된 구조형태의 곡선에 직각인 길이와, 제1 만곡된 구조형태의 곡선에 평행한 폭을 가지며,

    상기 제1 만곡된 선형 검사장치는 제1 만곡된 구조형태의 폭과 관련된 한쪽 단부와 다른쪽 단부를 잇는 방위를 갖고,

    상기 이동장치는 제1 만곡된 선형 검사센서의 한쪽 단부와 다른쪽 단부를 잇는 방위에 직각인 축을 따라 구조물 위로 센서홀더를 이동하도록 되어 있어, 제1 만곡된 선형 검사센서가 제1 만곡된 구조형태 길이의 적어도 일부의 검사를 위해 구조물 위로 이동하도록 된 것을 특징으로 하는 비파괴검사장치.
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20. 구조물의 제1만곡된 구조형태를 검사하는 비파괴 검사방법으로서, 이 검사방법이,

    제1 만곡된 구조형태는 이 제1 만곡된 구조형태의 곡선에 직각인 길이와 제1 만곡된 구조형태의 곡선에 평행한 폭을 갖고, 제1 만곡된 선형 검사센서는 제1 만곡된 구조형태의 폭과 관련된 한쪽 단부와 다른쪽 단부를 잇는 방위를 갖도록, 제1 만곡된 구조형태를 검사하도록 된 제1 만곡된 선형 검사센서를 구비하는 단계와;

    센서홀더가 구조물의 적어도 제1부분 위로 이동하도록 되고, 구조물의 상기 제1부분은 햇 스트링거의 상부캡과 망상부 사이의 만곡된 코너를 포함하는 제1 만곡된 구조형태를 가지며, 제1홈은 제1 만곡된 구조형태를 검사하도록 제1 만곡된 선형 검사센서를 위치시키도록, 센서홀더에 의해 형성된 제1홈에서 제1 만곡된 선형 검사센서를 지지하고 위치시키는 단계 및;

    제1 만곡된 선형 검사센서가 적어도 제1 만곡된 구조형태의 길이의 일부를 검사하기 위해 구조물 위로 이동하도록, 제1 만곡된 선형 검사센서의 한쪽 단부와다른쪽 단부를 잇는 방위에 직각인 제1축을 따라 구조물 위로 센서홀더와 제1 만곡된 선형검사센서를 이동시키는 단계;를 포함하는 비파괴검사방법.
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26. 제20항에 있어서, 검사중인 구조물에 대해 검사장치의 위치와 속도 및 방향 중 적어도 하나를 측정하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 비파괴검사방법.
27. 구조물의 제1부분이 햇 스트링거의 상부캡과 망상부 사이의 만곡된 코너를 포함하는 제1 만곡된 구조형태를 형성하고, 센서홀더의 전자설계모델이, 센서홀더가 구조물의 제1부분 위로 이동할 때 제1 만곡된 구조형태를 검사하기 위하여 제1 만곡된 선형 비파괴 검사센서를 지지하고 위치시키는 적어도 제1홈을 형성하도록, 구조물의 적어도 제1부분 위로 이동하도록 된 센서홀더를 위한 전자설계모델을 생성하는 단계와;

    센서홀더를 위한 전자설계모델을 이용하여 신속한 프로토타이핑함으로써 센서홀더를 형성하는 단계;를 포함하는 비파괴 검사장치를 준비하는 방법.
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