KR20110022600A

KR20110022600A - 초음파 데이터의 ｃａｄ 공간으로의 맵핑을 위한 비전 시스템 및 방법

Info

Publication number: KR20110022600A
Application number: KR1020107028052A
Authority: KR
Inventors: 마크 뒤브아; 토마스 이. 주니어 드레이크; 데이비드 엘. 카이저; 마크 에이. 오스터캄프
Original assignee: 록히드 마틴 코포레이션
Priority date: 2008-05-16
Filing date: 2009-05-14
Publication date: 2011-03-07
Also published as: TW200951419A; IL209295A0; US20090287427A1; AU2009246269B2; SG190633A1; JP2014222246A; BRPI0912751A2; EP2288868B1; JP2011523048A; WO2009140465A1; CA2724321A1; CN102077053A; EP2288868A1; AU2009246269A1

Abstract

본 발명은 복합 소재들의 분석을 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다. 복합 소재들의 레이저 초음파 측정값들은 복합 물품의 모양 및 위치와 상관된다.

Description

초음파 데이터의 ＣＡＤ 공간으로의 맵핑을 위한 비전 시스템 및 방법{VISION SYSTEM AND METHOD FOR MAPPING OF ULTRASONIC DATA INTO CAD SPACE}

본 발명은 일반적으로 복합 소재들(composite materials)의 측정을 위한 비파괴(non-destructive) 기술 분야에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명은 위치 데이터를 초음파 데이터와 상관시키기 위한 방법 및 시스템에 관한 것이다.

최근 몇 년간, 복합 소재들의 사용은 항공 우주 산업 및 다른 상업적인 산업들에서 증가하고 있다. 복합 소재들은 성능에 있어 상당한 개선들을 제공하지만, 제작하기에 어려우며, 따라서 제작 중에 엄격한 품질 제어 절차들을 필요로 한다. 비파괴 평가("NDE(non-destructive evaluation)") 기술들은 예를 들어, 함유물들(inclusions), 박리들(delaminations) 및 공극들(porosities)의 검출과 같은, 복합 구조들 내의 결함들의 식별을 위한 방법으로서 개발되고 있다. 종래의 NDE 방법들은 일반적으로 느리고, 노동-집약적이며, 비용이 많이 든다. 그 결과, 테스트 절차들은 불리하게도 복합 구조들과 연관된 제작 비용들을 증가시킨다.

불규칙한 표면들을 가지는 부품들에 대하여, 측정 데이터는 바람직하게 위치 데이터와 상관된다. 이 부품들에 대하여, 부품의 모양의 결정은 그 부품 상의 위치로 측정값을 상관시킴에 있어서 중요하다. 불규칙한 모양들을 가지는 복합 부품들을 스캔하기 위한 종래의 방법들은 스캔되는 부품이 테이블 위에 배치되고 공지된 위치에 고정되어 스캔을 위한 시작 기준 포인트를 제공하도록 하는 것을 요구하였다. 크고 및/또는 불규칙한 모양의 물체들에 대하여, 부품을 배치하기 위해 필요한 테이블 또는 다른 수단은 비싸고, 때때로 단 하나의 부품에만 특정된다.

종래의 방법들에 따르면, 복잡한 모양의 부품들을 스캔하는 것은 몇 가지 서로 다른 포즈(pose)들 또는 장면(view)들로부터의 다수의 스캔들을 필요로 하였다. 그러나, 상기 방법들은 몇 가지 단점들을 갖는다. 하나의 부품의 다수의 스캔들을 행할 때, 그 부품의 인접 위치들에 대하여 컨텍스트(context)의 손실이 발생한다. 이것은 2개 이상의 부품들로 만들어진 물체를 스캐닝할 때 부품이 복잡한 모양을 가로질러서 또는 인접한 부품들을 가로질러서 오버스캔(overscan)되거나 언더스캔(underscan)되었는지를 결정하는 것을 어렵게 만들 수 있다. 또한, 종래의 기술들은 그 부품 상에서 레이저 초음파 데이터의 열악한 위치측정(localization)을 발생하였다. 따라서, 스캔되는 부품 상의 위치에 상관되는 복합 소재들의 레이저 초음파 데이터를 제공하기 위한 방법 및 장치에 대한 필요성이 존재한다.

물체의 모양을 결정하기 위한 비접촉 방법 및 장치와, 물체에 대한 레이저 초음파 측정값들을 상관시키기 위한 방법이 제공된다.

본 발명의 일 양상에서, 물품의 위치 데이터에 레이저 초음파 데이터를 상관시키기 위한 방법이 제공된다. 상기 방법은, (a) 레이저 초음파 평가를 위해 물품을 배치하는 단계; (b) 구조광 시스템(structured light system)으로 상기 물품의 치수들을 측정하는 단계; (c) 상기 물품의 표면에서 초음파 표면 변위(ultrasonic surface displacement)들을 검출하는 단계; (d) 상기 물품의 치수들 및 상기 초음파 표면 변위들을 상관시키는 단계; (e) 상기 물품의 치수들을 공지된 데이터 세트(data set)와 비교하는 단계; (f) 상기 초음파 표면 변위를 처리하는 단계; 및 (g) 상기 공지된 데이터 세트와 상기 처리된 초음파 표면 변위들을 상관시키는 단계를 포함한다. 바람직한 특정 실시예들에서, 상기 물품은 복합 소재이다.

특정 실시예들에서, 상기 물품의 치수들을 측정하는 단계는 구조광 장치를 제공하는 단계를 포함하며, 상기 구조광 장치는 적어도 하나의 카메라, 광 빔 생성 소자 및 상기 장치의 이동 수단을 포함한다. 광 빔은 상기 물품의 표면으로 투영된다. 카메라는 상기 물품의 표면 위에 투영되는 광 빔의 이미지(image)를 수신하도록 동작된다. 그 후, 상기 장치는 물품의 전체 표면이 측정될 때까지 다음 위치로 이동되어 다시 스캔된다.

특정 실시예들에서, 물품의 표면에서 초음파 표면 변위들을 검출하는 단계는 물품의 표면에서 초음파 변위들을 생성하는 단계, 검출 레이저 빔(detection laser beam)을 생성하는 단계, 물품의 표면으로 검출 레이저 빔을 보내는 단계, 위상 변조된 광을 생성하기 위해 물품의 초음파 표면 변위를 사용하여 검출 레이저 빔을 산란시키는 단계, 상기 표면에서 초음파 표면 변위들과 관련된 데이터를 획득하기 위해 상기 위상 변조된 광을 처리하는 단계, 및 상기 물품의 구조에 관한 정보를 제공하기 위해 상기 데이터를 수집하는 단계를 포함한다.

또 다른 양상에서, 사용중인 항공기 부품들을 평가하는 방법이 제공된다. 상기 방법은 물품의 3차원 정보를 획득하기 위해 구조광 시스템으로 제작된 항공기 부품(as-made aircraft part)을 스캔하는 단계를 포함한다. 레이저 빔은 이후 검출되는 초음파 표면 변위들을 생성하기 위해 상기 제작된 항공기 부품의 표면으로 보내진다. 상기 제작된 항공기 부품의 3차원 정보는 상기 초음파 표면 변위들과 상관된다. 상기 제작된 항공기 부품의 3차원 정보는 공지된 데이터 세트와 비교된다. 상기 초음파 표면 변위 데이터는 처리되고, 상기 제작된 항공기 부품의 상기 초음파 표면 변위 데이터에 대한 좌표 측정값들을 제공하기 위해 상기 공지된 데이터 세트와 상관된다. 상기 제작된 항공기 부품의 3차원 정보 및 상기 초음파 표면 변위 데이터는 그 후에 컴퓨터 메모리 등에 저장된다. 상기 제작된 항공기 부품은 항공기에 설치된다. 시간에 있어서 약간 나중의 시점에, 설치된 항공기 부품은 물품의 3차원 정보를 획득하기 위해 구조광 시스템에 의해 스캔된다. 레이저 빔은 초음파 표면 변위들을 생성하기 위해 상기 설치된 항공기 부품의 표면으로 보내진다. 그 이후에, 상기 초음파 표면 변위들이 검출된다. 상기 설치된 항공기 부품의 3차원 정보는 상기 초음파 표면 변위들과 상관된다. 상기 초음파 표면 변위 데이터는 처리되고, 상기 초음파 표면 변위 데이터에 대한 좌표 측정값들을 제공하기 위해 상기 공지된 데이터 세트와 상관된다. 상기 설치된 항공기 부품의 3차원 정보 및 상기 처리된 초음파 표면 변위 데이터는 상기 제작된 항공기 부품의 3차원 정보 및 상기 처리된 초음파 표면 변위 데이터와 비교된다.

또 다른 양상에서, 레이저 초음파 측정값과 3차원 물체들의 위치 데이터를 상관시키기 위한 장치가 제공된다. 상기 장치는 구조광 시스템 및 레이저 초음파 시스템을 포함하는 관절 형태의 로봇 팔(robotic arm)을 포함한다. 구조광 시스템은 광원 및 광 검출 수단을 포함한다. 레이저 초음파 시스템은 물품의 표면 상에 초음파 진동들을 생성하는 레이저, 상기 초음파 진동들을 검출하는 수단 및 검출 신호를 수집하는 수단을 포함한다. 상기 장치는 또한 중앙 처리 유닛 및 동작 제어 시스템을 포함하며, 상기 구조광 시스템은 팬(pan) 및 틸트 유닛(tilt unit)에 의해 상기 관절 형태의 로봇 팔에 결합된다.

도 1은 물품의 레이저 초음파 측정들 및 3차원 측정들을 제공하기 위한 방법의 예시적인 실시예의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 로직 흐름도를 제공한다.

하기의 도면들 및 설명에서, 유사한 부품들은 명세서 및 도면들 전체에서 동일한 도면 부호들로 표시된다. 도면들은 반드시 스케일링할 필요는 없다. 본 발명의 어떤 특징들은 크기가 과장되거나 다소 개략적인 형태로 도시될 수 있고, 종래의 소자들의 세부 사항들은 명확성 및 간결성을 위해 도시되지 않을 수 있다. 본 발명은 서로 다른 형태의 실시예들을 허용할 수 있다. 특정 실시예들은 본 개시물이 본 발명의 원칙들의 예시로서 간주된다는 것을 조건으로 하여 상세히 설명되고 도면들에 도시되며, 본 발명을 본 명세서에 설명되고 도시된 사항들로 제한하기 위한 것은 아니다. 하기에서 논의되는 실시예들의 서로 다른 내용들은 원하는 결과들을 발생하기 위해 구분하여 또는 적절히 결합하여 사용될 수 있음이 완전히 인식될 것이다. 전술된 다양한 특징들 뿐만 아니라 다른 특징들 및 하기에서 상세히 설명되는 특징들은 하기의 실시예들의 상세한 설명을 읽고 첨부된 도면을 참조함으로써 당업자들에게 용이하게 인식될 것이다.

본 명세서에서는 복합 소재들을 포함하는 물체의 모양을 결정하기 위한 비접촉 방법 및 장치와, 상기 물체에 대한 레이저 초음파 측정값들을 상관시키기 위한 방법이 설명된다.

구조광

구조광은 물체 상에서의 공지된 각도의 광 패턴(예를 들어, 평면, 그리드(grid), 또는 다른 더 복잡한 모양)의 투영을 포함하는, 3D 복합 소재들의 맵핑(mapping)을 위한 하나의 예시적인 비접촉 기술이다. 이 기술은 치수 정보를 촬영하고 포착하는데 유용하다.

일반적으로, 구조광 시스템들에 의해, 광 패턴은 광 빔을 광의 시트(sheet) 내로 전개(fan out)시키거나 산란(scatter)시킴으로써 생성된다. 광의 시트가 물체와 교차할 때, 밝은 광이 물체의 표면 상에서 보일 수 있다. 광의 선(line)을 각도, 일반적으로 입사 레이저 광의 각도와는 상이한 검출 각도로 관측함으로써, 상기 선의 왜곡들은 관찰되는 물체 상의 높이 변동들로 해석될 수 있다. 장면(view)들(종종 포즈(pose)들로 불림)의 다수의 스캔들은 전체 물체의 모양을 제공하기 위해 결합될 수 있다. 광으로 물체를 스캔하는 것은 물체의 모양에 관한 3-D 정보를 제공할 수 있으며, 3-D 정보는 물체에 대한 절대 좌표 및 모양 데이터를 포함한다. 이것은 때대로 능동형 삼각법(active triangulation)이라 불린다.

구조광이 물체의 모양을 결정하기 위해 사용될 수 있기 때문에, 하나의 환경에서 물체를 인식하고 물체를 위치시키는 것을 모두 지원할 수 있다. 이 특징들은 구조광이 프로세스 제어 또는 품질 제어를 구현하는 어셈블리(assembly) 라인들에서 유용하도록 한다. 물체들은 저장된 데이터와 비교될 수 있는 물품의 모양을 제공하기 위해 스캔될 수 있다. 이러한 장점은 어셈블리 라인들의 추가적인 자동화를 허용하며, 따라서 전체 비용을 감소시킬 수 있다.

물체 위로 투영되는 광의 빔은 카메라 또는 다른 수단으로 관측될 수 있다. 예시적인 광 검출 수단은 CCD 카메라 등을 포함한다. 레이저가 정확성 및 신뢰성을 위해 바람직하지만, 다양한 서로 다른 광원들이 스캐닝 소스로서 사용될 수 있다.

구조광 3D 스캐너들은 피사체(subject) 위에 광의 패턴을 투영하고, 피사체 위에 패턴의 변형(deformation)을 검출한다. 패턴은 1차원 또는 2차원이 될 수 있다. 1차원 패턴의 일 예는 선이다. 선은 LCD 프로젝터 또는 스위핑 레이저(sweeping laser)의 어느 하나를 사용하여 피사체(subject) 위로 투영된다. 카메라와 같은 검출 수단은 선의 모양을 보고, 선 위의 모든 포인트(point)의 거리를 계산하기 위해 삼각법과 유사한 기술을 사용한다. 단일-선 패턴의 경우, 선은 한번에 하나의 스트립의 거리 정보를 모으기 위해 시야(field of view)를 통해 스윕(sweep)될 수 있다.

구조광 3D 스캐너의 한가지 장점은 속도이다. 한번에 하나의 포인트를 스캔하는 대신에, 구조광 스캐너들은 한번에 다수의 포인트들 또는 전체 시야를 스캔한다. 이것은 스캐닝 동작으로부터 왜곡의 문제점을 감소시키거나 제거한다. 몇몇 현존하는 시스템들은 이동하는 물체들을 실시간으로 스캔할 수 있다.

특정 실시예들에서, 구조광 시스템 검출 카메라는 스캐닝 레이저의 파장과 같은 특정 파장에만 상응하는 광을 통과시키도록 설계된 필터를 포함한다. 검출 카메라는 광 이미지를 검출하여 기록하고, 다양한 알고리즘들을 사용하여 이미지에 상응하는 좌표 값들을 결정하도록 동작가능하다. 특정 실시예들에서, 레이저 및 검출 카메라는 서로 다른 각도들로 물체를 관찰한다.

구조광 시스템은 또한 물체의 전체 이미지를 제공하도록 동작가능한 텍스처 카메라(texture camera)로서 공지된 제 2 카메라를 포함할 수 있다.

종래의 교정 기술(calibration technique)들은 툴 테이블(tool table) 주위로 다양한 위치들에 배치된 일련의 타겟(target)들의 사용을 포함한다.

바람직한 실시예에서, 물체 또는 부품을 스캔하기 위한 최적 방식이 결정되며, 상기 방식은 각각의 완전한 스캔을 위해 필요한 장면들 또는 "포즈들"의 개수를 최적화하는 것(즉, 최소 수를 사용하는 것)을 포함하며, 따라서 스캔들의 중첩을 최소화하고 후속 스캔들을 재구성해야하는 필요성을 최소화한다. 특정 실시예들에서, 포즈들의 개수는 측정된 데이터에 따라 최적화될 수 있다. 다른 특정 실시예들에서, 최소 개수의 포즈들이 CAD 데이터의 장면(view)에서 결정될 수 있다. 또 다른 실시예들에서, 물체 또는 부품의 전체 표면을 스캔하는데 필요한 최소 스캔 횟수를 결정하기 위하여, CAD 데이터는 물체를 스캔하기 전에 분석될 수 있다.

특정 실시예들에서, 구조광 시스템은 스캔되는 물체 또는 부품의 특정 장면 및 물체의 모양에 상응하는 포인트 클라우드(point cloud)를 생성하기 위한 일련의 데이터 포인트(data point)들을 제공한다. 그 다음으로, 각각의 장면 또는 포즈에 대한 포인트 클라우드들은 전체 물체 또는 부품의 복합 포인트 클라우드(compositie point cloud)를 조립(assemble)하기 위해 병합될 수 있다. 그 후, 개별 포인트 클라우드 데이터는 특정 셀 좌표 시스템들로 변환될 수 있다.

각각의 부품에 대한 측정된 포즈들이 전체 부품에 대한 포인트 클라우드를 제공하기 위해 조립되고, 부품에 대한 상대적인 좌표들이 결정되면, 부품에 상응하는 데이터 세트가 등록될 수 있다. 물품에 상응하는 데이터 세트를 등록하는 것은 물품의 좌표 포인트들의 완전한 여집합(complement)을 제공하며, 데이터가 공간에서 조작되도록 하고, 따라서 동일한 부품이 추후의 스캔들에서 즉시 식별되도록 한다. 부품이 등록되면, 유사한 부품들은 후속 스캔을 이전의 스캔들 또는 확인된 CAD 데이터와 비교함으로써 더 용이하게 식별되고 확인된다. 등록된 스캔들은 데이터베이스를 제공하기 위해 수집될 수 있다.

레이저 초음파

레이저 초음파는 고체 물질들을 분석하여 결함들의 존재 등과 같은 데이터를 제공하기 위한 비파괴 평가 기술이다. 특히, 레이저 초음파는 비파괴의 비접촉식 분석 기술이기 때문에, 정교한 샘플들과, 복잡한 기하구조(geometry)들을 갖는 샘플들에서 사용될 수 있다. 또한, 레이저 초음파는 대형 물체들의 특성들을 측정하기 위해 사용될 수 있다.

레이저 초음파에서, 펄스형 레이저 조사(pulsed laser irradiation)는 표면 위의 열 팽창 및 수축이 분석되도록 하며, 따라서 물질 내에 응력파(stress wave)들을 생성한다. 이 응력파들은 물질 표면에 변위들을 생성한다. 변위에서 측정가능한 결함이 기록될 때 결함들이 검출된다.

초음파의 레이저 검출은 다양한 방식들로 수행될 수 있고, 이 기술들은 끊임없이 개선되고 개발되고 있다. 문제를 인식하고 다양한 유형의 레이저 검출기가 수행할 수 있는 것을 이해하는 것이 필요하기 때문에 일반적으로 사용하기 위한 최적의 방법이 존재하지 않는다. 통상적으로 사용되는 레이저 검출기들은 2개의 카테고리들, 간섭 검출(Fabry Perot, Michelson, 시간 지연, 진동계(vibrometer)들 및 그 외) 및 나이프 에지 검출기(knife edge detector)들과 같은 진폭 변동 검출에 속한다.

레이저 초음파는 복합 소재들로부터 만들어진 물체들을 검사하기 위한 하나의 예시적인 방법이다. 일반적으로, 상기 방법은 펄스형 생성 레이저로 복합물의 일부분을 방사함으로써 복합물 표면 위에 초음파 진동들을 생성하는 것을 포함한다. 검출 레이저 빔은 진동하는 표면으로 보내질 수 있고, 표면 진동들에 의해 산란되고, 반사되며, 위상 변조되어 위상 변조된 광을 생성한다. 위상 변조된 레이저 광은 광학 수단 등에 의해 수집될 수 있고, 처리를 위해 보내질 수 있다. 처리는 일반적으로 수집 광학계(collection optic)들에 결합된 간섭계(interferometer)에 의해 수행된다. 복합물에 관한 정보는 크랙들, 박리들, 공극들, 이물질들(함유물들), 해체물들 및 섬유 정보의 검출을 포함하는 위상 변조된 광의 처리로부터 확인될 수 있다.

특정 실시예들에서, Mid-IR 레이저가 사용될 수 있다. 일반적으로, Mid-IR 레이저는 더 큰 광학 침투 깊이, 분석된 표면으로의 열 손상을 생성하지 않고 열탄성 생성을 수행하기 위한 개선된 신호대 잡음비 및 더 짧은 펄스들을 제공한다.

항공 우주 산업에서 사용되는 구성요소들과 같이 복잡한 모양의 물체들에 대하여 레이저 초음파를 사용하는 장점들 중 하나는 접촉 매질(couplant)이 불필요하고, 윤곽-추적 로봇들의 필요 없이 복잡한 모양이 검사될 수 있다는 것이다. 따라서, 레이저 초음파는 항공 우주 산업 제작에서 고분자 복합형(polymer-matrix) 복합 소재들을 검사하기 위해 사용될 수 있다. 상기 복합 소재들은 그 중 하나가 레이저 초음파에 의한 초음파 조사인 다수의 특징 단계들을 복합 소재들의 준비 동안 경험할 수 있다. 제작 동안 몇몇 포인트에서 상기 복합물들은 바람직하게 복합물을 형성하는데 사용된 수지(resin)들이 적절히 가공되는 것을 보장하는 화학적인 특징을 갖는다. 추가로, 정확한 수지들이 형성 프로세스에서 사용되었는지에 대한 확인이 중요하다. 비파괴, 비접촉 기술이기 때문에, 레이저 초음파는 바람직한 분석 방법이다. 일반적으로, 복합 소재들의 화학적 특징은 적외선 분광기 실험 분석을 위한 제어 샘플들을 획득하는 것을 포함한다.

본 방법을 사용하는 장점들 중 또 다른 한가지는 본 명세서에서 설명된 스펙트럼(spectroscopic) 분석이 특정 부품으로부터 취득되고, 실험실에서 분석된 샘플보다 제작된 부품들에서 수행될 수 있다는 것이다. 추가로, 본 명세서에서 설명된 스펙트럼 분석 기술들은 또한 상기 부품이 완성된 제품에 부착될 때 사용될 수 있다. 특정 실시예들에서, 본 방법은 유용한 수명 기간 동안, 즉 서비스에 부가된 후에 항공기 또는 다른 운송수단에 부착되는 동안 완성된 제품에 사용될 수 있다. 예를 들어, 스펙트럼 분석은 항공기에서 조립 이전에 부품의 승인 검사 동안 항공기 부품에 발생할 수 있다. 유사하게, 항공기로의 부착 이후에, 부품은 항공기의 승인 이전에, 또는 항공기가 사용된 이후에 및 항공기 또는 부품의 수명 동안 스펙트럼 분석을 사용하여 분석될 수 있다.

본 방법들은 비행기를 포함하는 최종 제품들에 제한되는 것이 아니라 임의이 단일 부품 또는 2개 이상의 부품들을 포함하는 임의의 제품을 포함할 수 있음이 언급되어야 한다. 추가로, 레이저 초음파 시스템은 위치들에 액세스하기 위해 부품들 또는 부품들의 일부분의 스펙트럼 분석을 제공하기 위해 사용될 수 있다. 본 방법은 제작된 부품과 같은 타겟 물체의 조성을 결정할 수 있고, 상기 방법은 또한 물체 형성 프로세스가 정확히 수행되는지 결정할 수 있다. 예를 들어, 부품이 복합물이거나 수지 제품을 포함하는 경우에, 수지와 같은 복합 성분들이 적절히 처리되거나 가공되는지 결정될 수 있다. 추가로, 수지와 같은 특정한 성분 또는 원하는 성분이 최종 제품을 형성하는데 사용되었는지 결정될 수 있다. 분석은 또한 페인팅된 표면과 같은 코팅이 물체에 적용되는지, 적절한 코팅이 표면에 적용되었는지, 코팅이 적절히 적용되었는지를 결정할 수 있다.

추가로, 공지된 복합물들의 기록된 광학 깊이 데이터는 측정된 초음파 변위 값들 및 상응하는 생성 빔 파장으로부터 물질을 식별하기 위한 유효한 비교 기준을 제공한다. 전술된 것과 같이, 부품의 물질과 관련된 식별은 특정 물질 조성에 제한되는 것이 아니라 물질이 적절히 처리되는 경우에 코팅들을 포함할 수 있고 물질들 내의 조성(composition)들의 백분율들을 포함할 수 있다.

일 양상에서, 본 발명은 복합 소재들의 위치 데이터 및 스펙트럼 데이터를 상관시키기 위한 자동화된 비파괴 기술 및 장치를 제공한다. 먼저 도 1을 참조하여, 구조광 - 레이저 초음파 장치(100)의 예시적인 실시예가 제공된다. 장치(100)는 레이저 초음파 시스템(102), 아날로그 카메라(140) 및 구조광 시스템(106)을 포함한다. 레이저 초음파 시스템(102)은 생성 레이저, 검출 레이저 및 상기 검출 레이저로부터 광을 수집하도록 구성된 광학 수단들을 포함할 수 있다. 특정 실시예들에서, 광학 수단들은 광학 스캐너 등을 포함할 수 있다. 예시적인 생성 레이저들 및 레이저 검출 수단들은 당업계에 공지되어 있다. 아날로그 카메라(104)는 실시간 모니터이다. 구조광 시스템(106)은 구조화된 광 신호(structured light signal)를 제공하기 위한 레이저(108), 스캔되는 물체의 파노라마 이미지들을 제공하기 위한 광학 텍스처 카메라(110) 및 구조광 카메라(112)를 포함한다. 특정 실시예들에서, 구조광 카메라(112)는 레이저(108)에 의해 생성된 레이저 광과는 다른 모든 광을 필터링하도록 설계된 필터를 포함할 수 있다. 시스템(100)은 주위에 회전 축(118)을 가지는 관절 형태의 로봇 팔(116)에 결합된다. 시스템(100)은 또한 구조광 시스템(106)을 로봇 팔(116)에 결합하는 팬(pan) 및 틸트(tilt) 유닛(114)을 포함한다. 로봇 팔(116)은 바람직하게 시스템이 팔의 위치를 인식하게 하는 센서들 및 부속 카메라들 및 레이저들을 포함하며, 따라서 자가-인식 절대 위치 시스템을 제공하고 참조되는 툴 테이블에 스캔되는 물품을 배치시켜야할 필요성을 제거한다. 추가로, 자가-인식 로봇 시스템은 툴 테이블에서의 분석을 위해 매우 클 수 있는 대형 물체들을 스캔하기에 적합하다. 시스템(100)은 다양한 카메라들을 제어하고 데이터를 수집하도록 동작가능한 소프트웨어를 포함하는 컴퓨터에 결합될 수 있다. 특정 실시예들에서, 시스템은 고정된 시스템이 될 수 있다. 다른 실시예들에서, 시스템은 선형 레일에 결합될 수 있다. 다른 실시예들에서, 시스템은 움직이는 베이스 또는 운송수단에 장착될 수 있다. 운송수단은 유리하게 시스템을 다양한 위치들로 운송하기 위해 사용될 수 있다.

특정 실시예들에서, 관절 형태의 로봇 팔 및 상기 팔을 움직이기 위한 임의의 수단들은 예컨대 테이블 등과 같은 일반적인 영역 내에서 물체들과의 충돌을 방지하기 위한 수단을 포함한다. 충돌 방지는 로봇 팔을 위한 제어 시스템 내로 모든 고정된 아이템들 및 물체들의 위치를 프로그래밍하는 다양한 수단들에 의해 또는 다양한 센서들의 사용을 통해 달성될 수 있다. 일반적으로, 로봇 팔은 스캔되는 부품에 의해 점유되는 공간을 차지하는 것이 금지된다.

도 2를 참조하여, 물품을 스캐닝하고 위치 데이터에 상응하는 레이저 초음파 데이터를 제공하기 위한 예시적인 방법의 단계들이 제공된다. 제 1 단계(202)에서, 교정된 구조광 시스템, 레이저 초음파 및 로봇 위치결정 시스템이 제공된다. 제 2 단계(204)에서, 스캐닝을 위해 미리 정해진 위치 내에 부품이 배치된다. 일반적으로, 종래기술에서 요구되는 것과 같이 부품이 공지된 위치 내에 배치되어야 할 필요는 없지만, 부품이 지정된 위치 내에 배치되는 것이 유리하다. 제 3 단계(206)에서, 부품은 구조광 시스템 및 레이저 초음파 시스템에 의해 동시에 스캔된다. 특정 실시예들에서, 구조광 시스템은 구조광 시스템에 대한 부품 표면의 절대적인 위치를 측정하기 위해 미리 결정된 경로를 따른다. 일반적으로, 구조광 카메라는 광을 필터링하는 필터를 포함하며, 따라서 레이저 광은 필터를 통과하여 기록된다. 이는 레이저에 의해 발생된 파장과는 상이한 모든 파장들을 필터링함으로써 달성될 수 있다. 라인 검출 알고리즘은 물체 표면 위의 각각의 개별적인 스캔에 대한 좌표들을 결정한다. 구조광 시스템 데이터 및 상응하는 레이저 초음파 데이터가 기록된다. 시스템은 물품의 전체 표면이 스캔되도록 보장하기 위한 물품의 나머지 이미지들을 취득하기 위해 이동되고 재배치된다. 제 4 단계(208)에서, 물품의 전체 표면이 스캔된 후에, 구조광 데이터는 물체의 3D 장면을 제공하도록 컴파일(compile)된다. 제 5 단계(210)에서, 구조광 데이터는 공지된 데이터 세트, 예컨대 CAD 데이터 또는 유사 물체의 저장 구조광 스캔들과 함께 정렬된다. 제 6 단계(212)에서, 레이저 초음파 데이터는 구조광 데이터 및 상응하는 공지된 데이터 세트 예를 들어, CAD 또는 저장 데이터와 상관된다. 이러한 방식으로, 레이저 초음파 데이터는 부품의 구조에 대하여 맵핑될 수 있고, 결함들의 존재, 부재 또는 형성의 경향들이 결정될 수 있다.

초음파 변위들은 열탄성 팽창들에 응답하여 타겟 표면상에 생성된다. 특정 초음파 파장들에서 초음파 변위의 진폭은 타겟 표면으로의 생성 레이저 빔의 광학 침투 깊이와 비례한다. 광학 침투 깊이는 타겟의 광 흡수량의 역이다. 따라서, 본 방법의 또 다른 실시예에서, 생성 레이저 빔 광 파장을 변화시킴으로써, 타겟 물질의 흡수 대역은 생성 빔의 파장 범위에서 관측될 수 있다.

자동화 시스템은 종래의 시스템보다 훨씬 빠르기 때문에 유리하며, 각각의 개별 부품이 툴 테이블에 정확한 방식으로 위치되어 각각의 부품이 초기 기준 포인트를 가지도록 할 것을 요구한다. 종래 기술의 방법의 한가지 큰 단점은 유사한 모양을 가지는 각각의 후속 부품이 이후 비교 및 컴파일을 위해 데이터 베이스를 준비하는 것과 같이 비교에 적합한 데이터를 제공하기 위해 정확히 동일한 방식으로 배치되어야 한다는 것이다. 특정 실시예들에서, 본 발명의 시스템은 종래 기술의 방법들보다 5배까지 빨리 부품들을 스캐닝할 수 있고, 바람직한 실시예들에서, 본 발명의 시스템은 종래 기술의 방법들보다 10배까지 빨리 부품들을 스캐닝할 수 있다. 데이터 획득 속도가 증가하면 부품들의 스루풋(throughput)을 증가시킨다.

초음파 데이터는 바람직하게 구조광 데이터의 측정과 동시에 측정된다. 특정 실시예들에서, 구조광 시스템은 레이저 초음파 시스템과 함께 동기화된다. 개별 초음파 데이터 포인트들은 그 후에 부품 표면 위의 좌표들과 함께 상관되어 등록된 좌표 측정 세트에 투영될 수 있다. 특정 실시예들에서, 초음파 측정들은 정해진 스캔들의 에지들에서 중첩될 수 있다. 몇몇 사례들에서, 초음파 측정값들에 대한 포즈들은 다수의 데이터 포인트들을 필요로 하므로 부품의 특정 영역들에서 중첩하도록 설계될 수 있다.

전술된 것과 같이, 레이저 초음파 데이터를 CAD 데이터 또는 등록된 구조로 맵핑하는 장점은 부품의 전체 표면이 스캔되는 것의 증명 또는 증명된 구조의 사용으로 인해 조사의 효율성을 개선하는 것을 포함한다. 추가로, 부품의 좌표 데이터에 초음파 데이터를 상관시킴으로써, 부품 데이터를 저장하는 것은 향후 스캔될 부품의 상관인 것으로 간략화된다.

레이저 초음파는 공극, 이물질들, 박리들, 공극, 이물질들(함유물들), 해체물(disband)들, 크랙들과 같은 다른 일반적인 물질 특성들과, 섬유 방위 및 섬유 밀도, 부품 두께, 및 벌크 기계 성질들과 같은 섬유 특성들을 측정하기에 유용하다. 따라서, 본 방법의 또 다른 장점은 레이저 초음파 검출 시스템이 타겟 스펙트럼 분석을 수행할 수 있고, 동시에 결함 조건들의 존재를 위해 벌크 물질을 분석하는 것이다. 시간 및 자본을 절약하는데 부가하여, 본 방법은 더 대표적인 스펙트럼 분석을 제공하며, 이는 상기 분석이 테스트 쿠폰 또는 제어 샘플에 상응하는 것이 아니라 물체 자체의 전체 표면에서 수행되기 때문이다. 전술된 것과 같이, 스캔은 제작된 부품들에서 자체적으로 수행될 수 있고, 상기 부품은 더 큰 완성된 제품에 부착되거나 최종 완성된 조립된 부품에 전체적으로 부착될 수 있다.

특정 실시예들에서, CAD 데이터는 분석되는 물체에 사용가능할 수 있다. 상기 실시예들에서, 구조광 시스템에 의해 생성된 3D 위치 데이터는 CAD 데이터와 비교되고 및/또는 오버레이(overlay)될 수 있다. 이것은 제작 프로세스를 검증하기 위한 품질 제어 절차로서 사용될 수 있다. 다른 실시예들에서, 구조광 데이터는 부품의 확인을 제공하기 위해 CAD 데이터에 오버레이될 수 있다. 구조광 시스템에 의해 수집되는 데이터는 물체의 3D 구조에 상응하는 데이터 클라우드를 제공하기 위해 사용될 수 있다. 시스템을 위해 사용되는 교정(calibration) 기술들에 기초하여, 절대 데이터 클라우드가 생성될 수 있다. 데이터 클라우드는 CAD 도면을 향해 놓여지며, 따라서 구조광 데이터와 CAD 데이터 사이에 상관을 제공한다. 바람직하게 구조광 데이터와 동시에 수집되고 물체의 표면상의 개별 포인트들로 상관되는 레이저 초음파 데이터는 그 후에 레이저 초음파 데이터에 대한 절대 좌표 데이터를 제공하기 위해 CAD 데이터로 투영되거나 맵핑될 수 있다.

특정 실시예들에서, 장치는 텍스처 카메라와 같은 제 2 카메라를 포함할 수 있다. 텍스처 카메라는 일반적으로 물체의 전체 이미지들을 포착하고, 부품 인식을 위해 사용될 수 있다. 구조광 카메라와 달리, 텍스처 카메라 이미지는 상기 이미지로부터 물체를 제거하기 위해 필터링되지 않는다. 구조광 데이터는 부품의 가상 표면을 제공하지만, 텍스처 카메라는 구조광 및 레이저 초음파 데이터와 함께 사용될 수 있는 물체의 실제 이미지를 제공할 수 있다. 상기 방식에서, 구조광 데이터와 CAD 데이터 모두는 텍스처 카메라에 의해 제공되는 가상 이미지와 비교될 수 있다. 부가적으로, 텍스처 카메라는 기록의 목적을 위해 오퍼레이터로 스캔되는 부품의 장면을 제공할 수 있다.

바람직하게, 구조광 시스템은 물체의 스캔을 수행하기 전에 교정된다. 교정은 스캔되는 물체와 관련된 좌표 데이터의 측정 및 준비에서의 정확성을 보장하기 위해 필요하다. 특정 실시예들에서, 시스템은 구조광 시스템으로 공지된 모양을 가지는 물체를 스캔함으로써 국부적으로, 즉 틸트 및 피봇 메커니즘(tilt and pivot mechanism)과 관련하여 측정된다.

당업자에 의해 이해되는 것과 같이, 복잡한 모양들을 가지는 부품들의 스캔은 다중 스캔들을 필요로 할 수 있다. 일 실시예에서, 스캔들은 부품의 이음새(seam) 또는 에지들에서 스캔들이 중첩하도록 수행된다. 또 다른 실시예에서, 스캔들은 부품의 특정 영역들에서 일부러 중첩하도록 수행된다.

유사하거나 동일한 부품의 CAD 데이터 또는 이전 스캔들에 대하여 구조광 데이터의 등록 및 비교는 표면 영역의 100%가 최소로 중첩하거나 부품의 임계 영역들 내에서 중첩하여 스캔되도록 보장하는 것을 지원할 수 있다. 추가로, 등록은 특징들 및/또는 결함들이 다수의 부품들에 걸쳐 스캔되고 비교되도록 한다. 이는 문제 영역들이 분석되고 향후 결함들의 방지를 위한 해결책들이 개발되도록 한다. 추가로 데이터의 저장은 수리된 부품들이 "구성된" 데이터 세트와 비교되도록 한다.

복잡한 모양을 가지는 더 작은 부품들에 대하여, 구조광에 대하여 필수적인 정렬 신호들을 제공하기 위한 표시(peg)들 및 표(post)들을 포함하는 툴 테이블이 사용될 수 있다. 그러나, 툴 테이블을 베이스로서 사용하고, 검사되는 부품을 지원하는 것은 부품의 모양 및 부품의 시작 기준 포인트에 대한 사전 인식을 필요로 한다.

본 명세서 내에서 사용되는 것과 같이, 용어들, 약(about) 및 대략적으로(approximately)는 언급된 값의 5% 이내에 있는 임의의 값을 포함하는 것으로 해석되어야 한다. 추가로, 값들의 범위와 관련하여 용어들 약 및 대략적으로의 언급은 언급된 범위의 상한 및 하한 모두를 포함하는 것으로 해석되어야 한다.

본 발명은 그 실시예들 중 일부에서만 보여지거나 설명되지만, 그에 제한되는 것이 아니라 본 발명의 사상으로 벗어나지 않고 다양한 변경들이 허용되는 것임이 당업자에게 인식될 것이다.

Claims

물품의 3차원 정보를 획득하기 위해 구조광 시스템으로 상기 물품을 스캔하는 단계;
초음파 표면 변위들을 생성하기 위해 상기 물품의 표면으로 레이저 빔을 보내는 단계;
상기 초음파 표면 변위들을 검출하는 단계;
물품의 3차원 정보를 상기 초음파 표면 변위들과 상관시키는 단계;
물품의 3차원 정보를 공지된 데이터 세트와 비교하는 단계;
초음파 표면 변위 데이터를 처리하는 단계; 및
상기 초음파 표면 변위 데이터에 대한 좌표 측정값들을 제공하기 위해 상기 공지된 데이터 세트와 상기 처리된 초음파 표면 변위들을 상관시키는 단계를 포함하는 물품의 분석 방법.
청구항 1에 있어서,
레이저 초음파 평가를 위해 상기 물품을 배치하는 단계를 더 포함하는 물품의 분석 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 구조광 시스템으로 상기 물품을 스캔하는 단계는 상기 물품에 대한 3차원 데이터를 제공하는 물품의 분석 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 물품은 복합 소재를 포함하는 물품의 분석 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 구조광 시스템으로 상기 물품을 스캔하는 단계는,
적어도 하나의 카메라, 광 빔 생성 소자 및 구조광 장치 이동 수단을 포함하는 구조광 장치를 제공하는 단계;
상기 물품의 표면 위에 광 빔을 투영하는 단계;
상기 물품의 표면 위에 투영된 광 빔의 이미지를 수신하도록 카메라를 동작시키는 단계; 및
상기 물품의 전체 표면이 측정될 때까지 상기 구조광 장치를 다음 위치로 이동시키는 단계를 포함하는 물품의 분석 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 물품의 표면에서 초음파 표면 변위들을 검출하는 단계는,
상기 물품의 표면에서 초음파 변위들을 생성하는 단계;
검출 레이저 빔을 생성하는 단계;
상기 물품의 표면으로 상기 검출 레이저 빔을 보내는 단계;
위상 변조된 광을 생성하기 위해 상기 물품의 초음파 표면 변위로 상기 검출 레이저 빔을 산란시키는 단계;
상기 표면에서 상기 초음파 표면 변위들과 관련된 데이터를 획득하기 위해 상기 위상 변조된 광을 처리하는 단계; 및
상기 물품의 구조에 관한 정보를 제공하기 위해 상기 데이터를 수집하는 단계를 포함하는 물품의 분석 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 공지된 데이터 세트는 CAD 데이터인 물품의 분석 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 물품의 치수들을 측정하기 전에 상기 구조광 시스템을 교정하는 단계를 더 포함하는 물품의 분석 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 물품은 항공기 부품인 물품의 분석 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 물품은 항공기인 물품의 분석 방법.
3차원 물체들의 레이저 초음파 측정값 및 위치 데이터를 상관시키기 위한 장치로서,
관절 형태의 로봇 팔;
중앙 처리 유닛; 및
동작 제어 시스템을 포함하고,
상기 관절 형태의 로봇 팔은,
광원 및 광 검출 수단을 포함하는 구조광 시스템;
물품의 표면 위에 초음파 진동들을 생성하는 레이저, 상기 초음파 진동들을 검출하는 수단 및 검출 신호를 수집하는 수단을 포함하는 레이저 초음파 시스템을 포함하고,
상기 구조광 시스템은 팬 및 틸트 유닛에 의해 상기 관절 형태의 로봇 팔에 결합되는, 3차원 물체들의 레이저 초음파 측정값 및 위치 데이터를 상관시키기 위한 장치.
청구항 11에 있어서,
상기 광 검출 수단을 포함하는 구조광 시스템은 전하 결합 디바이스를 포함하는, 3차원 물체들의 레이저 초음파 측정값 및 위치 데이터를 상관시키기 위한 장치.
청구항 11에 있어서,
상기 장치는 이동가능한, 3차원 물체들의 레이저 초음파 측정값 및 위치 데이터를 상관시키기 위한 장치.
청구항 11에 있어서,
상기 중앙 처리 유닛은 상기 구조광 측정값들을 처리하고, 상기 물품과 관련된 3차원 정보를 제공하도록 구성되는, 3차원 물체들의 레이저 초음파 측정값 및 위치 데이터를 상관시키기 위한 장치.
청구항 14에 있어서,
상기 중앙 처리 유닛은 상기 물품의 3차원 정보와 상기 물품의 표면 상의 초음파 진동들을 상관시키도록 구성되는, 3차원 물체들의 레이저 초음파 측정값 및 위치 데이터를 상관시키기 위한 장치.
사용중인 항공기 부품들을 평가하는 방법으로서,
물품의 3차원 정보를 획득하기 위해, 구조광 시스템으로 제작된 항공기 부품을 스캔하는 단계;
초음파 표면 변위들을 생성하기 위해, 상기 제작된 항공기 부품의 표면으로 레이저 빔을 보내는 단계;
상기 초음파 표면 변위들을 검출하는 단계;
상기 제작된 항공기 부품의 3차원 정보를 상기 초음파 표면 변위들과 상관시키는 단계;
상기 제작된 항공기 부품의 3차원 정보를 공지된 데이터 세트와 비교하는 단계;
초음파 표면 변위 데이터를 처리하는 단계;
상기 제작된 항공기 부품의 상기 초음파 표면 변위 데이터에 대한 좌표 측정값들을 제공하기 위해, 상기 공지된 데이터 세트와 상기 처리된 초음파 표면 변위들을 상관시키는 단계;
상기 제작된 항공기 부품의 3차원 정보 및 상기 초음파 표면 변위 데이터를 저장하는 단계;
상기 제작된 항공기 부품을 항공기에 설치하는 단계;
물품의 3차원 정보를 획득하기 위해, 구조광 시스템으로 상기 설치된 항공기 부품을 스캔하는 단계;
초음파 표면 변위들을 생성하기 위해, 상기 설치된 항공기 부품의 표면으로 레이저 빔을 보내는 단계;
상기 초음파 표면 변위들을 검출하는 단계;
상기 설치된 항공기 부품의 3차원 정보를 상기 초음파 표면 변위들과 상관시키는 단계;
상기 초음파 표면 변위 데이터를 처리하는 단계;
상기 초음파 표면 변위 데이터에 대한 좌표 측정값들을 제공하기 위해, 상기 공지된 데이터 세트와 상기 처리된 초음파 표면 변위들을 상관시키는 단계; 및
상기 설치된 항공기 부품의 3차원 정보 및 상기 처리된 초음파 표면 변위 데이터와, 상기 제작된 항공기 부품의 3차원 정보 및 상기 처리된 초음파 표면 변위 데이터를 비교하는 단계를 포함하는, 사용중인 항공기 부품들을 평가하는 방법.
청구항 16에 있어서,
상기 항공기 부품의 평가는 박리들(delaminations), 크랙들(cracks), 함유물들(inclusions), 해체물들(disbands) 및 이들의 조합들을 포함하는 그룹으로부터 선택된 결함의 식별을 포함하는, 사용중인 항공기 부품들을 평가하는 방법.