(57)【要約】      （修正有）【課題】１回の連続ＮＤＩ（非破壊検査）手順で丸みを帯びたキャップ補剛材を検査する。【解決手段】マルチセンサＮＤＩプローブは、丸みを帯びたキャップを有する中空の長尺補剛材の長さに沿ったセンサ群の移動に連動してＮＤＩプローブの自己位置合わせを行うための手段を有する。プローブは、丸みを帯びたキャップを完全にカバーする、円筒状のフォーカスを持つ大きい半径の湾曲した超音波トランスデューサアレイと、下部外側曲面のＮＤＩ用の２つの小さい半径の凸状湾曲トランスデューサアレイと、補剛材の側面のＮＤＩ用の２つの直線状トランスデューサアレイとを備える。５つのトランスデューサアレイは、走査中のトランスデューサアレイの位置決め（すなわち位置および向き）の適切な調整を容易にするそれぞれの追随性アセンブリによって支持される。トランスデューサアレイの位置は補剛材の形状変化を考慮して調整される。【選択図】図２
2019060888.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
支持構造体と、
前記支持構造体に枢動自在かつ摺動自在に結合された第１大シャフトと、
前記第１大シャフトの一端に取り付けられた第１可撓性継手と、
前記第１可撓性継手に取り付けられた第１トランスデューサホルダーと、
前記第１トランスデューサホルダーによって保持された第１トランスデューサアレイと、
前記第１トランスデューサホルダーに取り付けられた第１センタリング機構と、を備えた装置。
【請求項２】
前記第１センタリング機構が、
前記第１トランスデューサホルダーによって両端を支持された第１および第２小シャフトと、
前記第１および第２小シャフトにそれぞれ摺動自在に結合された第１および第２枢動／摺動機構と、
前記第１および第２枢動／摺動機構にそれぞれ枢結された第１および第２の４リンクセンタリングガイドアセンブリと、を含む、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記第１枢動／摺動機構が第１ベアリングと第１枢支ピンとを含み、かつ前記第２枢動／摺動機構が第２ベアリングと第２枢支ピンとを含み、前記第１および第２小シャフトが前記第１および第２ベアリング内でそれぞれ摺動自在であり、かつ前記第１および第２の４リンクセンタリングガイドアセンブリが前記第１および第２枢支ピンにそれぞれ枢結された、請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記第１および第２の４リンクセンタリングガイドアセンブリの各々が、前記第１および第２枢動／摺動機構にそれぞれ枢結された第１および第２上部センタリングガイドと、前記第１および第２上部センタリングガイドにそれぞれ枢結され、かつ相互に枢結された第１および第２下部センタリングガイドとを含む、請求項２に記載の装置。
【請求項５】
前記トランスデューサアレイが前記第１および第２の４リンクセンタリングガイドアセンブリの間に配置された、請求項２に記載の装置。
【請求項６】
前記支持構造体に枢動自在かつ摺動自在に結合された第２大シャフトと、
前記第２大シャフトの一端に取り付けられた第２可撓性継手と、
前記第２可撓性継手に取り付けられた第２トランスデューサホルダーと、
前記第２トランスデューサホルダーによって保持された第２トランスデューサアレイと、
前記第２トランスデューサホルダーに取り付けられた第２センタリング機構と、をさらに備えた、請求項１に記載の装置。
【請求項７】
前記第１トランスデューサアレイが凹状湾曲形状を有し、前記第２トランスデューサアレイが直線状であり、かつ前記第１および第２トランスデューサアレイは、前記第１トランスデューサアレイが補剛材の下部外側曲面に対向したときに、前記第２トランスデューサアレイが補剛材の側面に対向するように配設された、請求項６に記載の装置。
【請求項８】
前記第１および第２トランスデューサアレイの各々が凹状湾曲形状を有し、かつ前記第１および第２トランスデューサアレイは、前記第１トランスデューサアレイが補剛材の第１下部外側曲面に対向したときに、前記第２トランスデューサアレイが補剛材の第２下部外側曲面に対向するように配設された、請求項６に記載の装置。
【請求項９】
前記第１および第２トランスデューサアレイの各々が直線状であり、かつ前記第１および第２トランスデューサアレイは、前記第１トランスデューサアレイが補剛材の第１側面に対向したときに、前記第２トランスデューサアレイが補剛材の第２側面に対向するように配設された、請求項６に記載の装置。
【請求項１０】
外板構造体と、
前記外板構造体に取り付けられた補剛材であって、複合材料から作られ、かつ丸みを帯びたキャップと、前記丸みを帯びたキャップに接続された第１および第２側面と、前記第１および第２側面にそれぞれ接続された第１および第２下部外側曲面とを含む補剛材と、
アームを含むマニピュレータと、
前記アームに結合された超音波検査プローブであって、
前記マニピュレータの前記アームに結合されたプローブ支持構造体と、
前記プローブ支持構造体に枢結された第１トランスデューサアセンブリと、
を含み、前記第１トランスデューサアセンブリが、前記補剛材の前記丸みを帯びたキャップに音響結合された第１トランスデューサアレイを含み、前記第１トランスデューサアレイが、前記補剛材の前記第１側面またはその付近から前記第２側面またはその付近まで、前記丸みを帯びたキャップの検査を可能にする充分な長さの凹状湾曲形状を有して成る、前記超音波検査プローブと、を備えたシステム。
【請求項１１】
前記プローブ支持構造体が、前記マニピュレータの前記アームに結合された主構造板と、前記主構造板に結合されたヨークとを含み、かつ前記第１トランスデューサアレイが前記ヨークに枢結された、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１２】
前記プローブ支持構造体に枢動自在かつ摺動自在に結合された大シャフトと、前記大シャフトの一端に取り付けられた可撓性継手と、前記可撓性継手に取り付けられたトランスデューサホルダーと、前記トランスデューサホルダーによって保持された第２トランスデューサアレイと、前記トランスデューサホルダーに取り付けられたセンタリング機構とを含む、第２トランスデューサアセンブリをさらに備えた、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１３】
前記センタリング機構が、
前記トランスデューサホルダーによって両端を支持された第１および第２小シャフトと、
前記第１および第２小シャフトにそれぞれ摺動自在に結合された第１および第２枢動／摺動機構と、
前記第１および第２枢動／摺動機構にそれぞれ枢結された第１および第２の４リンクセンタリングガイドアセンブリと、を含む、請求項１２に記載のシステム。
【請求項１４】
前記第２トランスデューサアレイが凹状湾曲形状を有し、かつ前記補剛材の前記第１下部外側曲面に音響結合された、請求項１２に記載のシステム。
【請求項１５】
前記第２トランスデューサアレイが直線状であり、かつ前記補剛材の前記第１側面に音響結合された、請求項１２に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、一般的に非破壊検査設備および方法に関し、さらに詳しくは、複合材料製の構造体を検査するための方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
構造体の非破壊検査は、構造体を損傷することなく、あるいは構造体を大幅に分解する必要なく、構造体を徹底的に調べることを含む。非破壊検査は航空機産業界で通常、構造体にどんな種類でも内部または外部の損傷または欠陥が無いか、航空機の構造体を検査するために使用される。非破壊検査はまた、航空機の構造部品の初期製作中にも使用される。それは、部品が正しく製作されたこと、および異物が部品内に埋め込まれていないことを確実にするために使用される。検査は、構造体の製造中および／または構造体が運航を始めた後に実行することができる。
【０００３】
非破壊検査（ＮＤＩ）は航空機の補剛複合部品に実行されることもある。補剛部品の補剛材は、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）のような複合材料で作ることができる。複合胴体に取り付けられた複合ストリンガは、そのような補剛材の一例にすぎない。
【０００４】
補剛部品の品質は、超音波試験によって非破壊的に決定することができる。補剛部品は、それぞれの超音波トランスデューサアレイを保持する１つ以上のシューを含むプローブによって、超音波検査することができる。ＮＤＩ実行中に、シューは補剛部品のそれぞれの外面に圧接され、トランスデューサは（例えば水を用いて）補剛部品に音響結合され、プローブは補剛部品の長さに沿って漸次移動する。プローブが移動するにつれて、トランスデューサアレイはパルス／エコーモードで動作してパルス超音波を発生し、それは補剛部品に伝搬する。反射した超音波はトランスデューサアレイに戻ってそれにより検出され、補剛部品における亀裂、孔隙、層間剥離等の存在を示すデータを提供する。トランスデューサアレイによって取得されたデータは一般的にコンピュータシステムによって処理され、処理されたデータは、コンピュータモニタを介してユーザに提示することができる。データ取得装置およびデータ処理ソフトウェアは、検査中の構造体、例えばハットストリンガの画像表現としてデータを、有資格検査員による検査を可能にするように検査に対応する色および／またはグラフィカルデータを補足して、コンピュータモニタ上に表示するなど、検査データの収集および表示のために使用することができる。
【０００５】
典型的なＮＤＩプローブは、検査を受ける表面に近接して配置されるセンシング素子、例えば超音波トランスデューサを有する。多くの場合、被検査部品は異なる形状および向きの複数の表面を有し、複数のトランスデューサアレイを使用する必要がある。これは、構造体の検査をより迅速かつ効率的に進め、それによって検査に関連するコストを低減することを可能にする。通常、異なる構造体は、トランスデューサの位置合わせ（構造体の表面に対する位置および向き）および構造体全体の走査範囲を達成するように特別に設計された、それぞれのトランスデューサアレイを使用して検査される。
【０００６】
航空宇宙産業は、熟練工による手作業製造から自動機械の使用に移行してきた。これは、複合構造体の非破壊検査の分野では特にあてはまる。手動および半自動検査技術に代わるものとして、自動検査システムが開発されてきた。そのようなシステムは通常、ＮＤＩエンドエフェクタ(end effector)を被検査部品に沿って走査するマニピュレータ（例えばオーバヘッドガントリ、多軸スキャナ、またはロボット）を使用する。パルスエコー超音波検査のような片側検査法の場合、６自由度を有する単腕ロボット装置はロボットアームの端部に取り付けられたパルスエコー超音波検査装置のようなＮＤＩエンドエフェクタを
配置かつ移動させるために使用される。被検査部品は、軸線を中心に回転可能なホルダーに装着することができる。したがって、合計して８自由度は部品の完全な検査を可能にする。８自由度は、被検査部品のデジタルモデルから生成される軌跡に従って、ロボット制御装置によって制御される。
【０００７】
両コーナー部が丸みを帯びた台形状の外形を有する胴体および主翼ボックスの補剛材（「ハットストリンガ(hat stringers)」としても知られる）を検査するために、様々なシ
ステムが使用されてきた。一部のシステムは、コーナー部およびコーナー部をつなぐ中央キャップ部をそれぞれ検査するために使用される３つのトランスデューサを有する。各トランスデューサは、それ自体の超音波セットアップ技術およびそれ自体のＮＤＩ要件を有しており、該要件は満たされなければならない。３つのトランスデューサアレイからのデータを継ぎ合せて、連続Ｃ走査データ画面を提供する必要がある。ストリンガキャップを検査するためのそのような３トランスデューサシステムは大型、高価、かつ複雑な構成を有し、丸みを帯びたキャップストリンガの検査に最適ではない。
【０００８】
上述のシステムはさらに、下部外側曲面（ＬＯＲ）およびストリンガ側面（ＳＳ）のＮＤＩ用に４つのトランスデューサアレイを装備することができる。そのような７トランスデューサシステムでは、ロボットは、キャップおよびコーナー部を走査する３つのトランスデューサアレイを位置合わせされた状態に維持するが、ＬＯＲおよびＳＳ用の他のトランスデューサアレイは、それらの位置決めを妨げる多くの寸法因子の影響を受ける。それらは、次のような変動要素、すなわちストリンガの高さ、ストリンガの厚さ、胴体プライドロップ(fuselage ply drops)、非対称ストリンガ断面、およびプロセス上の問題による不規則な表面状態（多孔性、樹脂気泡等）に適応することができなければならない。ＬＯＲおよびＳＳトランスデューサアレイが、上記の変数に適切に順応することができなければ、再走査を実行することが必要になる。
【０００９】
補剛材の再走査を低減または排除して、１回の連続ＮＤＩ手順で丸みを帯びたキャップ補剛材を検査するための自己位置合わせ自動システムを提供することは、有益であろう。
【発明の概要】
【００１０】
以下で詳細に開示する対象は、丸みを帯びたキャップを有する中空長尺構造体（以下、「丸みを帯びた構造体」）の長さに沿ったセンサ群の移動に連動する、ＮＤＩセンサの自己位置合わせのための手段を有するマルチセンサＮＤＩシステムに向けられる。例証のために、ＮＤＩセンサがそれぞれの超音波トランスデューサアレイであり、かつ丸みを帯びた構造体が胴体に取り付けられる丸みを帯びたキャップストリンガである実施形態について記載する。しかし、本書の教示は、他の丸みを帯びた構造体および複合材料のＮＤＩに適した他の種類のセンサにも適用される。
【００１１】
丸みを帯びた形状を有する胴体ストリンガのような大半径の複合構造体（例えば黒鉛エポキシ製）のＮＤＩのための装置を提供する。本書に開示する実施形態によると、装置は、丸みを帯びたキャップストリンガのいわゆる「キャップ」を完全に網羅する円筒状集束を備えた大半径湾曲超音波トランスデューサアレイ（例えば６４トランスデューサ素子）を含む。このトランスデューサアレイは、最適セットアップのためにストリンガの高さおよび軸線方向の調節を行う。この最適セットアップおよび時間補正利得を使用することによって、セットアップを調整または変更することなく、複合ストリンガの丸みを帯びたキャップを非破壊検査することができる。特に、装置の設計は、１つのセットアップを使用して、プライが（例えば５つから１２のプライに）変化する丸みを帯びたキャップストリンガのキャップを走査することを可能にする。これは、キャップのＮＤＩのために利得を調整しあるいは複数のＮＤＩ手順を有する必要をなくす。また、ストリンガのキャップを検査するときにトランスデューサの数を３から１に低減させる。一実施例によると、この
プローブは、ストリンガに対するトランスデューサアレイの法線性を維持するために、厳密な位置合わせのためのステンレス鋼の機械的摺動体を利用する。このプローブはまた、バブラ構成への水の流入を低減するために低減水コラムを有する。このプローブ構成は、複合部品の走査を容易にするために、どの向きにでも使用することができる。このプローブは、複合構造体を回転させる必要なく、ストリンガのＮＤＩを可能にする。
【００１２】
丸みを帯びたキャップストリンガの上部キャップ曲面（ＵＣＲ）のＮＤＩのための大半径凹状湾曲トランスデューサアレイを有することに加えて、本書に開示する実施形態はさらに、下部外側曲面（ＬＯＲ）のＮＤＩのための２つの小半径凸状湾曲トランスデューサアレイ、およびストリンガ側面（ＳＳ）のＮＤＩのための２つの直線トランスデューサアレイを備える。５つのトランスデューサアレイは、トランスデューサアレイの位置決め（すなわち位置および向き）の適切な調整を容易にするそれぞれの応従性アセンブリによって支持される。それぞれのトランスデューサアレイおよびそれらの応従性支持装置を本書ではトランスデューサアセンブリという。ＵＣＲトランスデューサアセンブリはヨークに枢結され、次にヨークは主構造板に取り付けられる。ＬＯＲおよびＳＳトランスデューサアセンブリは主構造板のそれぞれのコーナー部に装着される。ヨークおよび主構造板は両方ともロボットインタフェース板／アセンブリに接続される。
【００１３】
丸みを帯びたキャップストリンガのＮＤＩ中に、ロボットはＵＣＲトランスデューサアレイを位置合わせされた状態に維持する。本書に開示するＬＯＲおよびＳＳトランスデューサアセンブリは、ストリンガの寸法、胴体プライドロップ、非対称ストリンガ断面、およびプロセス上の問題による不規則な表面状態（多孔性、樹脂気泡等）における上述した変動に適応することができる。さらに詳しくは、ＬＯＲおよびＳＳトランスデューサアセンブリは、ＬＯＲおよびＳＳトランスデューサアレイが上述した変動に適応することを可能にする、内蔵センタリング機構を含む。
【００１４】
本書に開示する対象の一態様は、支持構造体と、支持構造体に枢動自在かつ摺動自在に結合された大シャフト（主シャフト）と、大シャフトの一端に取り付けられた可撓性継手と、可撓性継手に取り付けられたトランスデューサホルダーと、トランスデューサホルダーによって保持されたトランスデューサアレイと、トランスデューサホルダーに取り付けられたセンタリング機構とを備えた装置である。
【００１５】
一つの実例によると、センタリング機構は、トランスデューサホルダーによって両端を支持された第１および第２小シャフト（副シャフト）と、第１および第２小シャフトにそれぞれ摺動自在に結合された第１および第２枢動／摺動機構と、第１および第２枢動／摺動機構にそれぞれ枢結された第１および第２の４リンクセンタリングガイドアセンブリとを含む。第１枢動／摺動機構は第１ベアリングと第１枢支ピンとを含む一方、第２枢動／摺動機構は第２ベアリングと第２枢支ピンとを含み第１および第２小シャフトはそれぞれ第１および第２ベアリング内で摺動自在であり、かつ第１および第２の４リンクセンタリングガイドアセンブリは第１および第２枢支ピンにそれぞれ枢結される。第１および第２の４リンクセンタリングガイドアセンブリの各々は、第１および第２枢動／摺動機構にそれぞれ枢結された第１および第２上部センタリングガイドと、第１および第２上部センタリングガイドにそれぞれ枢結されかつ相互に枢結された第１および第２下部センタリングガイドとを含む。センタリング機構はさらに、第１および第２下部センタリングガイドに転動自在に結合されたそれぞれの複数の転動要素を含む。トランスデューサアレイは、第１および第２の４リンクセンタリングガイドアセンブリの間に配置される。装置はさらに、前記支持構造体に枢動自在かつ摺動自在に結合された第２大シャフト（主シャフト）と、前記第２大シャフトの一端に取り付けられた第２可撓性継手と、前記第２可撓性継手に取り付けられた第２トランスデューサホルダーと、前記第２トランスデューサホルダーによって保持された第２トランスデューサアレイと、前記第２トランスデューサホルダーに
取り付けられた第２センタリング機構とを含むことができる。装置は、前記第１トランスデューサアレイが凹状湾曲形状を有し、前記第２トランスデューサアレイが直線状であり、かつ前記第１トランスデューサアレイが補剛材の下部外側曲面に対向したときに前記第２トランスデューサアレイが補剛材の側面に対向するように、前記第１および第２トランスデューサアレイが配設されて成る装置であることが有利である。装置は、前記第１および第２トランスデューサアレイの各々が凹状湾曲形状を有し、かつ前記第１トランスデューサアレイが補剛材の第１下部外側曲面に対向したときに前記第２トランスデューサアレイが補剛材の第２下部外側曲面に対向するように、前記第１および第２トランスデューサアレイが配設されて成る装置であることが有利である。装置は、前記第１および第２トランスデューサアレイの各々が直線状であり、かつ前記第１トランスデューサアレイが補剛材の第１側面に対向したときに前記第２トランスデューサアレイが補剛材の第２側面に対向するように、前記第１および第２トランスデューサアレイが配設されて成る装置であることが有利である。
【００１６】
開示する対象の別の態様は、軸線を有する第１支持構造体であって、軸線に対し垂直に配置された平板および平板に固定結合されかつ矩形のそれぞれのコーナー部に配置された第１ないし第４スリーブを含む第１支持構造体と、第１ないし第４スリーブにそれぞれ着座する第１ないし第４ベアリングと、第１ないし第４ベアリングにそれぞれ枢動自在かつ変位自在に結合された第１ないし第４大シャフト（主シャフト）と、第１ないし第４大シャフトのそれぞれの端にそれぞれ取り付けられた第１ないし第４可撓性継手と、第１ないし第４可撓性継手にそれぞれ取り付けられた第１ないし第４トランスデューサホルダーと、第１ないし第４トランスデューサホルダーにそれぞれ取り付けられた第１ないし第４トランスデューサアレイと、第１ないし第４トランスデューサホルダーにそれぞれ取り付けられた第１ないし第４センタリング機構とを備えた装置である。
【００１７】
一つの実例によると、第１ないし第４センタリング機構の各々は、第１ないし第４トランスデューサホルダーのそれぞれによって両端を支持された第１および第２小シャフト（副シャフト）と、第１および第２小シャフトにそれぞれ摺動自在に結合された第１および第２枢動／摺動機構と、第１および第２枢動／摺動機構にそれぞれ枢結された第１および第２の４リンクセンタリングガイドアセンブリとを含む。第１枢動／摺動機構の各々は第１ベアリングおよび第１枢支ピンをそれぞれ含み、第２枢動／摺動機構の各々は第２ベアリングおよび第２枢支ピンをそれぞれ含み、第１および第２小シャフトは第１および第２ベアリング内でそれぞれ摺動自在であり、かつ第１および第２の４リンクセンタリングガイドアセンブリは第１および第２枢支ピンにそれぞれ枢結される。第１および第２の４リンクセンタリングガイドアセンブリの各々は、第１および第２枢動／摺動機構にそれぞれ枢結された第１および第２上部センタリングガイドと、第１および第２上部センタリングガイドにそれぞれ枢結されかつ相互い枢結された第１および第２下部センタリングガイドとを含む。第１ないし第４トランスデューサアレイは、それぞれの第１および第２の４リンクセンタリングガイドアセンブリの間にそれぞれ配置することができる。
【００１８】
第１および第２トランスデューサアレイの各々は凹状湾曲形状を有し、第３および第４トランスデューサアレイの各々は直線状であり、第１ないし第４トランスデューサアレイは、第１トランスデューサアレイが補剛材の第１外側曲面に対向したときに、第２トランスデューサアレイが補剛材の第２外側曲面に対向し、第３トランスデューサアレイが補剛材の第１側に対向し、かつ第４トランスデューサアレイが補剛材の第２側に対向するように、配設される。
【００１９】
装置はさらに、第１支持構造体の第２支持構造板に固定結合された第２支持構造体と、第２支持構造体に枢結された第５トランスデューサホルダーと、第５トランスデューサホルダーによって保持された第５トランスデューサアレイとを備えることができ、第５トラ
ンスデューサアレイは、第１トランスデューサアレイが補剛材の第１外側曲面に対向したときに、補剛材の丸みを帯びたキャップの検査（interrogation）を可能にする充分な長
さの凹状湾曲形状を有する。
【００２０】
さらなる態様は、外板構造体と、外板構造体に取り付けられた補剛材であって、複合材料から作られ、キャップと、キャップに接続された第１および第２側面と、第１および第２側面にそれぞれ接続された第１および第２下部外側曲面とを含む補剛材と、アームを備えたマニピュレータと、アームに結合された超音波検査プローブとを備えたシステムである。超音波検査プローブは、マニピュレータのアームに結合されたプローブ支持構造体であって、平板および平板に固定結合されかつ矩形のそれぞれのコーナー部に配置された第１ないし第４支持要素を含むプローブ支持構造体と、第１ないし第４支持要素に枢動自在かつ変位自在に結合された第１ないし第４トランスデューサアセンブリとを含み、第１ないし第４トランスデューサアセンブリの各々は、それぞれのトランスデューサホルダーと、それぞれのトランスデューサホルダーによって保持されたそれぞれのトランスデューサアレイと、それぞれのトランスデューサホルダーに取り付けられたそれぞれのセンタリング機構と、を含む。第１および第２トランスデューサアセンブリのトランスデューサアレイは凹状湾曲形状を有し、補剛材の第１および第２下部外側曲面にそれぞれ音響結合される一方、第３および第４トランスデューサアセンブリのトランスデューサアレイは直線状であり、補剛材の第１および第２側面にそれぞれ音響結合される。
【００２１】
前段落に記載したシステムはさらに、プローブ支持構造体に枢結された第５トランスデューサアセンブリを備えることができ、第５トランスデューサアセンブリは前記補剛材の丸みを帯びたキャップに音響結合されたトランスデューサアレイを含み、第５トランスデューサアレイは、補剛材の第１側面またはその付近から補剛材の第２側面またはその付近まで、丸みを帯びたキャップの検査を可能にする充分な長さの凹状湾曲形状を有する。
【００２２】
さらに別の態様は、外板構造体と、外板構造体に取り付けられた補剛材であって、複合材料から作られ、かつ丸みを帯びたキャップと、丸みを帯びたキャップに接続された第１および第２側面と、第１および第２側面にそれぞれ接続された第１および第２下部外側曲面とを含む補剛材と、アームを含むマニピュレータと、アームに結合された超音波検査プローブとを備えたシステムである。超音波検査プローブは、マニピュレータのアームに結合されたプローブ支持構造体と、プローブ支持構造体に枢結された第１トランスデューサアセンブリとを含み、第１トランスデューサアセンブリは、補剛材の丸みを帯びたキャップに音響結合された第１トランスデューサアレイを含む。第１トランスデューサアレイは、補剛材の第１側面またはその付近から補剛材の第２側面またはその付近まで、丸みを帯びたキャップの検査を可能にする充分な長さの凹状湾曲形状を有する。一実施例では、プローブ支持構造体は、マニピュレータのアームに結合された主構造板と、主構造板に取り付けられたヨークとを含み、第１トランスデューサアレイはヨークに枢結される。
【００２３】
システムはさらに、プローブ支持構造体に枢動自在かつ摺動自在に結合された大シャフト（主シャフト）と、大シャフトの一端に取り付けられた可撓性継手と、可撓性継手に取り付けられたトランスデューサホルダーと、トランスデューサホルダーによって保持された第２トランスデューサアレイと、トランスデューサホルダーに取り付けられたセンタリング機構とを含む第２トランスデューサアセンブリを備えることができる。一実施例では、センタリング機構は、トランスデューサホルダーによって両端を支持された第１および第２小シャフト（副シャフト）と、第１および第２小シャフトにそれぞれ摺動自在に結合された第１および第２枢動／摺動機構と、第１および第２枢動／摺動機構にそれぞれ枢結された第１および第２の４リンクセンタリングガイドアセンブリとを含む。枢動／摺動機構は第１ベアリングおよび第１枢支ピンを含むことができ、前記第２枢動／摺動機構は第２ベアリングおよび第２枢支ピンを含むことができ、前記第１および第２小シャフトは前
記第１および第２ベアリング内でそれぞれ摺動自在であり、かつ前記第１および第２の４リンクセンタリングガイドアセンブリは前記第１および第２枢支ピンに枢結される。前記第１および第２の４リンクセンタリングガイドアセンブリの各々は、前記第１および第２枢動／摺動機構にそれぞれ枢結された第１および第２上部センタリングガイドと、前記第１および第２上部センタリングガイドにそれぞれ枢結され、かつ相互に枢結された第１および第２下部センタリングガイドとを含むことができる。第２トランスデューサアレイは凹状湾曲形状を有し、かつ補剛材の第１下部外側曲面に音響結合することができ、あるいは第２トランスデューサアレイは直線状であり、かつ補剛材の第１側面に音響結合することができる。丸みを帯びたキャップ、補剛材の側面および下部外側曲面のＮＤＩのために、合計して５つのトランスデューサアレイを設けることができる。
【００２４】
丸みを帯びたキャップ補剛材のＮＤＩのためのシステムおよび方法の他の態様を以下に記載する。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】外板に取り付けられた台形ストリンガを含む構造体の斜視図である。
【図２】一実施形態に係る丸みを帯びたキャップ補剛材に着座したＮＤＩプローブのデジタルモデルから抽出された概要を表す図である。
【図３】図２を抽出したのと同じデジタルモデルをプローブの下の視点から見た図である。
【図４】補剛材の側面のＮＤＩ用のそれぞれの直線状トランスデューサアレイを柔軟に支持する第１対のトランスデューサアセンブリを含む、図２に描かれたＮＤＩプローブの一端を示す立面図である。
【図５】補剛材の下部外側曲面のＮＤＩ用のそれぞれの湾曲トランスデューサアレイを柔軟に支持する第２対のトランスデューサアセンブリを含む、図２に描かれたＮＤＩプローブの他端を示す立面図である。
【図６】図５に提示されたのと同じ立面図に、図２に描かれた丸みを帯びたキャップ補剛材を加えて示す図である。
【図７Ａ】図２に描かれた実施形態に係るＳＳトランスデューサアセンブリの下部を１つの視点から見た図である。
【図７Ｂ】図２に描かれた実施形態に係るＳＳトランスデューサアセンブリの下部を別の視点から見た図である。
【図８】図２に描かれた実施形態に係るＬＯＲトランスデューサアセンブリを表す図である。
【図９】図２に描かれた実施形態に係る、ヨークに枢結されたＵＣＲトランスデューサアセンブリを表す図である。
【図１０】図２に描かれたＵＣＲトランスデューサアセンブリの下部筐体（図３参照）が省かれた状態を表す図である。
【図１１】図１０に示された構造体の断面図である。
【図１２】リニア位置センサの上面図であり、プローブ支持構造体に対するトランスデューサアセンブリの変位を検出するために、４つのそのようなリニア位置センサがプローブ支持構造体に取り付けられる。
【図１３Ａ】図１２に描かれたリニア位置センサと連動して使用されるピンアクチュエータの立面図である。
【図１３Ｂ】図１３Ａに描かれたピンアクチュエータの断面図である。
【図１４】ロボットによって担持されデータ収集システムと通信するプローブを含む、本発明の一実施形態に係る非破壊検査システムの斜視図である。
【図１５】航空機の製造およびサービス方法のフローチャートである。
【図１６】航空機のシステムを示すブロック図である。
【発明を実施するための態様】
【００２６】
以下で図面を参照しながら説明する。異なる図における同様の要素には、同一参照番号が付されている。
【００２７】
以下で、航空機の胴体用の丸みを帯びたキャップ複合ストリンガを検査するための非破壊検査装置および方法の実施形態について説明する。しかし、本書で開示する装置および方法は、丸みを帯びたキャップを有する他の長尺複合補剛材を含め、非破壊検査を必要とする同様の用途にも使用することができる。
【００２８】
ハットストリンガを検査するには、通常、パルスエコー超音波（ＰＥＵ）検査のような片側検査技術が要求される。しかし、ハットストリンガの形状は検査を複雑にする。本書に開示するハットストリンガ検査装置は、断面で見たときに丸みを帯びた外形を有するハットストリンガにパルスエコー検査を実行することができる。開示する実施形態は、シングルパス検査(single-pass inspection)を可能にするためにハットストリンガの両側面および頂部を走査するように構成される。トランスデューサアレイは、ハットストリンガ全体の完全な検査を確実にするように、戦略的に配置されかつ方向付けられる。トランスデューサホルダーとも呼ばれる検査センサのための支持構造体は、ハットストリンガの意図された形状および大きさに相応してトランスデューサアレイが特定の配置および向きを取るように製作することができる。
【００２９】
図１は、２つのハットストリンガ１１０を持つ構造体の斜視図である。構造体は、構造体全体を補剛するために個々のまたは接続されたハットストリンガ１１０が取り付けられた外板１１２を含む。各ハットストリンガ１１０は、それぞれコーナー部１２４および１２６でキャップ１１４につながる傾斜した側面１１６および１１８を含む台形の構造体である。各ハットストリンガ１１０は、それぞれのコーナー部１２８および１３０でハットストリンガの傾斜した側面につながるフランジ１２０および１２２で、外板１１２に固定される。図１に示す構造を有するハットストリンガを検査するために、７個１組のトランスデューサアレイを使用する１つの手法が公知である。１つは中央キャップ部分１１４を検査し、２つは傾斜側面１１６および１１８を検査し、２つはキャップコーナー部１２４および１２６を検査し、２つはコーナー部１２８および１３０を検査する。本書で使用する場合、用語「コーナー部」とはアール面を指すことを理解されたい。中央キャップ部分１１４は、キャップコーナー部１２４および１２６をつなぐ平坦面とすることができる。
【００３０】
本書の教示によると、ストリンガの傾斜した側面が連続的に湾曲したキャップによって接続されることを意味する、丸みを帯びたキャップを有するストリンガ（以下、「丸みを帯びたキャップストリンガ」）を検査する装置を提供する。例えば、連続的に湾曲したキャップの外形は円、楕円、放物線、または他の種類の曲線の一部分とすることができる。
【００３１】
図２は、一実施形態に係る丸みを帯びたキャップストリンガ４に着座した超音波検査プローブ１８を示す。丸みを帯びたキャップストリンガ４は外板構造体２（例えば胴体外板）に取り付けられ、それを補剛するように働く。丸みを帯びたキャップストリンガ４は複合材料で形成され、キャップと、キャップに接続された第１および第２傾斜側面と、第１および第２側面にそれぞれ接続された第１および第２下部外側曲面とを含む。プローブ１８は、（説明のために、長尺の丸みを帯びたキャップストリンガ４が直線状であると想定して）丸みを帯びたキャップストリンガ４を長手方向に走査するために、コンピュータ制御マニピュレータ（図示せず）のアームに装着することができる。
【００３２】
図２に示した実施形態によると、超音波検査プローブ１８は、マニピュレータアーム（図示せず）に結合されたプローブ支持構造体３２と、プローブ支持構造体３２に枢動自在かつ変位自在に結合された４つのトランスデューサアセンブリ５０ａ〜５０ｄを含む。プ
ローブ支持構造体３２は矩形の主構造板３４と、それぞれの支持脚３８ａ〜３８ｄにある４つの支持スリーブ３６ａ〜３６ｄとを含む。支持脚３８ａ〜３８ｄはそれぞれの隅梁(corner beams)４０によって主構造板３４のそれぞれのコーナー部に接続され、かつ複数の（すなわち４つの）側梁(side beams)４２によって隣接する支持脚に接続される。主構造板３４は、大きい円形中心穴４４および４つの小さい円形隅穴４６を有する。
【００３３】
図２に示した実施形態では、主構造板３４、支持スリーブ３６ａ〜３６ｄ、支持脚３８ａ〜３８ｄ、隅梁４０、および側梁４２は、単一の部品として一体的に形成される。しかし、プローブ支持構造体３２は個別に形成された部品から容易に組み立てることができる。
【００３４】
図２に示す通り、トランスデューサアセンブリ５０ａ〜５０ｄは、それぞれのスリーブベアリング４８によって支持スリーブ３６ａ〜３６ｄに枢動自在かつ変位自在に結合される。トランスデューサアセンブリ５０ａおよび５０ｂ（以下、「ＳＳトランスデューサアセンブリ」）は、丸みを帯びたキャップストリンガ４のそれぞれの傾斜側面を検査するために配置されるそれぞれの直線状トランスデューサアレイ（図２には図示せず）を含み、トランスデューサアセンブリ５０ｃおよび５０ｄ（以下、「ＬＯＲトランスデューサアセンブリ」）は、凹状湾曲形状を有しかつ丸みを帯びたキャップストリンガ４のそれぞれの下部外側曲面を検査するために配置される、それぞれのトランスデューサアレイ（図２には図示せず）を含む。そのような検査を容易にするために、検査中は丸みを帯びたキャップストリンガ４からトランスデューサアレイを分離させるそれぞれの水コラム（図２には図示せず）に供給される水によって、トランスデューサアレイ５０ａ〜５０ｄは丸みを帯びたキャップストリンガ４の対向部分に音響結合される。
【００３５】
プローブ１８はさらに、プローブ支持構造体３２に対して枢動自在なトランスデューサアセンブリ１００（以下、「ＵＣＲトランスデューサアセンブリ」）を含む。（図２にはＵＣＲトランスデューサアセンブリ１００の一部分だけが示されている）。ＵＣＲトランスデューサアセンブリ１００は、ストリンガ４の丸みを帯びたキャップとの音響結合が可能であるように配置されるトランスデューサアレイ（図２には図示せず）を含む。ＵＣＲトランスデューサアレイ１００は、ストリンガ４の一方の傾斜側面またはその付近から他方の傾斜側面またはその付近まで、丸みを帯びたキャップの検査を可能にする充分な長さの凹状湾曲形状を有する。
【００３６】
図２に示す実施形態では、ＵＣＲトランスデューサアセンブリ１００は支持台(cradle)５２に枢結される。支持台５２はクロスバー（図２には図示せず）に取り付けられ、クロスバーは次に主構造板３４に取り付けられる。（ヨークを形成する支持台およびクロスバーに関するさらなる詳細は、後で図９に関連して説明する。）
図３は、図２が抽出されたのと同じデジタルモデルから作成された、プローブの下の視点から見た別の図である。上述の支持台は図３では省略されており、図３に示すＵＣＲトランスデューサアセンブリの唯一の構成部品は下部筐体７４である。下部筐体は、検査される丸みを帯びたキャップ補剛材の傾斜側面の角度と一致するように設計された角度に配置された１対の転動部材７６および７８を含む。各転動部材７６、７８はそれぞれ複数のベアリング凹部(bearing wells)７５を含む。軸を介してベアリング凹部７５に回転自在
に装着されるローラーベアリングは図示されない。ローラーベアリングは、プローブが補剛材に沿って移動するときに、丸みを帯びたキャップ補剛材のそれぞれの傾斜側面で平行に転動するように配置される。下部筐体７４の底面は、下部筐体７４が丸みを帯びたキャップストリンガに沿って移動することを可能にする、丸みを帯びた形状を有する。下部筐体７４は、ころがりベアリングが補剛材の傾斜側面上を転動するときに上部キャップ曲面を検査するための凹状湾曲トランスデューサアレイ（図３には図示せず）の下に位置する水コラム(water column)８０を含む。
【００３７】
再び図２に注意を向けると、トランスデューサアセンブリ５０ａ〜５０ｄの各々は、プローブ支持構造体３２に対してそれ自体の軸線に沿って変位可能でありかつ当該軸線を中心に枢動自在である、それぞれのシャフト６０を含む。各シャフト６０は、それぞれのスリーブベアリング４８内で摺動かつ回転する。シャフト６０は、それぞれの可撓性継手６２およびそれぞれのトランスデューサホルダー６４または６６によって、それぞれのセンタリング機構６８に結合される。各可撓性継手６２は、ばねとして働くつる巻きコイルを中央部に形成するように、アルミニウム管の長さに切り込まれた螺旋状スロットを有するアルミニウムロッドの形をとることができる。継手の中央部分によって可能になる撓みは、取り付けられたシャフト６０とトランスデューサホルダー６４または６６との間の角度、平行、および軸線方向の不整合を許容する。そのような可撓性継手はLovejoy,Inc.（米国イリノイ州ダウナーズグローブ）から市販されている。
【００３８】
トランスデューサアセンブリ５０ａ〜５０ｄについて、図４および図５を参照しながら以下でさらに詳しく説明する。図４および図５は、図２に描かれたＮＤＩプローブの両端部の立面図である。プローブの一端（図４に示す）には、補剛材の側面のＮＤＩ用のそれぞれの直線状トランスデューサアレイを柔軟に支持する１対のトランスデューサアセンブリ５０ａ、５０ｂが装備される。プローブの他端（図５に示す）には、補剛材の下部外側半径のＮＤＩ用のそれぞれの凸状湾曲トランスデューサアレイを柔軟に支持する１対のトランスデューサアセンブリ５０ｃ、５０ｄが装備される。
【００３９】
図４を参照すると、トランスデューサアセンブリ５０ａおよび５０ｂの各々はさらに、それぞれのトランスデューサホルダー６４を含む。各トランスデューサホルダー６４は、それぞれの水ノズル接続部８６と、そこに形成されたそれぞれの水コラム８２（図３に示す）を有するそれぞれのシュー７０とを含む。図４に示す実施形態によると、水ノズル接続部およびシューは、センタリング機構を支持するトランスデューサホルダーの他の部品と共に一体的に形成される。代替的に、機能的に同等の構成を有するトランスデューサホルダーを、個別の構成部品から組み立てることもできる。水ノズル接続部８６は水コラムと流体連通し、検査中にそれぞれの直線状超音波トランスデューサアレイ７１を補剛材のそれぞれの傾斜側面に音響結合するために、水コラムへの水の供給を可能にする。直線状トランスデューサアレイ７１はそれぞれ、シュー７０の内部に設置される。直線状トランスデューサアレイ７１の頂部から出る電気ケーブルコネクタ９８は、それぞれの直線状トランスデューサアレイ７１からそれぞれの電気ケーブル（図４には図示せず）への電気的接続を容易にする。
【００４０】
図５を参照すると、トランスデューサアセンブリ５０ｃおよび５０ｄの各々はさらに、それぞれのトランスデューサホルダー６６を含む。各トランスデューサホルダー６６は、それぞれの水ノズル接続部８６と、そこに形成されたそれぞれの水コラム８４（図３に示す）を有するそれぞれのシュー７２とを含む。水ノズル接続部８６は水コラムと流体連通し、検査中にそれぞれの凹状湾曲トランスデューサアレイ（図５には図示せず）を補剛材のそれぞれの下部外側曲面に音響結合するために、水コラムへの水の供給を可能にする。キャップおよびキャップ係止部はシュー７２内に水を含み、水流を低減する。凹状湾曲トランスデューサアレイはそれぞれ、シュー７２の内部に設置される。シュー７２の側面から出る電気ケーブルコネクタ９８は、それぞれの凹状湾曲トランスデューサアレイからそれぞれの電気ケーブル（図５には図示せず）への電気的接続を容易にする。
【００４１】
再び図２を参照すると、トランスデューサアセンブリ５０ａおよび５０ｂの各々はさらに、それぞれのトランスデューサホルダー６４に取り付けられたそれぞれのセンタリング機構６８を含む。図４、図７Ａ、および図７Ｂに示す実施例によると、各センタリング機構６８は、トランスデューサホルダー６４のそれぞれの相互に対向するクロス部材によっ
て両端を支持された第１および第２小シャフト（副シャフト）９０と、第１および第２小シャフト９０にそれぞれ摺動自在に結合された第１および第２枢動／摺動機構８８と、第１および第２枢動／摺動機構８８にそれぞれ枢結された第１および第２の４リンク（９４ａ、９４ｂ、９６ａ、９６ｂ）センタリングガイドアセンブリとを含む。加えて、それぞれのトランスデューサホルダー６４の最上部横部材とそれぞれの枢動／摺動機構８８との間に延びるシャフト９０の部分は、枢動／摺動機構８８をトランスデューサホルダー６４の最上部横部材から遠ざけるように付勢するそれぞれの圧縮ばね９２によって包囲される。
【００４２】
図７Ａおよび図７Ｂに最も分かり易く示す通り、各枢動／摺動機構８８は、ベアリング１０２と、枢支ピン１０６と、ベアリング１０２および枢支ピン１０６の一端の両方を支持するベアリング支持体１０４とを含む。さらに詳しくは、ベアリング支持体１０４には、２つの部分、すなわち比較的大きい直径を有しベアリング１０２が着座する第１部分と、それぞれの小シャフト９０を通すために比較的小さい直径を有する第２部分とを有する、第１の円筒状穴が作製される。ベアリング支持体１０４はさらに、それぞれの枢支ピン１０６の一端を受容する第２円筒状穴を含む。一実施例では、枢支ピン１０６の軸線は、シャフト９０の軸線に対し垂直である。この構成では、各ベアリング１０２はそれぞれのシャフト９０に変位自在に結合され、枢動／摺動機構８８がシャフト９０に沿って上下に摺動することを可能にする。
【００４３】
補剛材側面を検査するための直線状トランスデューサアレイを担持するトランスデューサアセンブリの下部を示す図７Ａおよび図７Ｂに関連して、枢動／摺動機構８８を説明したが、下部外側曲面を検査するための凸状湾曲トランスデューサアレイを担持するトランスデューサアセンブリに組み込まれた枢動／摺動機構も同じ構成を有することができる。
【００４４】
図７Ａおよび図７Ｂはまた、直線状トランスデューサアレイを担持するトランスデューサアセンブリの４リンクセンタリングガイドアセンブリの構造をも示す。下部外側曲面を検査するための凸状湾曲トランスデューサアレイを担持するトランスデューサアセンブリの４リンクセンタリングガイドアセンブリの構造は類似しているが、同一ではない。各トランスデューサアセンブリは２つの４リンクセンタリングガイドアセンブリを有する。プローブの四隅にある４つのトランスデューサアセンブリ用の４リンクセンタリングガイドアセンブリは、走査中にプローブが補剛材の長さに沿って移動しているときに、同じ原理で動作する。
【００４５】
各４リンクセンタリングガイドアセンブリは、１対の上部センタリングガイド９４ａ、９４ｂおよび１対の下部センタリングガイド９６ａ、９６ｂを含む。上部センタリングガイド９４ａ、９４ｂの上端はそれぞれの枢支ピン１０６に枢結される（図７Ｂ参照）。上部センタリングガイド９４ａ、９４ｂの下端はそれぞれ下部センタリングガイド９６ａ、９６ｂの上端に枢結される（図７Ａ参照）。下部センタリングガイド９６ａ、９６ｂの下端は相互に枢結される（図７Ａ参照）。各直線状トランスデューサアレイ７１は、それぞれのトランスデューサアセンブリの第１および第２の４リンクセンタリングガイドアセンブリの間に配置される。これらの枢結は、下部センタリングガイド９４ａおよび９４ｂの間の角度が補剛材フランジと補剛材の両側の傾斜側面との間の角度と一致する、調整可能な四辺形のセンタリング構造体をもたらし、トランスデューサアレイが二等分角と位置合わせすることを可能にする。センタリング機構はさらに、第１および第２下部センタリングガイド９６ａおよび９６ｂに転動自在に結合されたそれぞれの複数の転動要素１４０を含む（図７Ａ参照）。センタリング機構は、プローブが補剛材の長さに沿って移動中にストリンガの角度および／または厚さが変化する状況で、個別の角度位置合わせを達成する。
【００４６】
図４に戻ると、枢動‐摺動機構８８の動作は、ストリンガ側面角度に対する胴体ＩＭＬの可変性に備えるものである。胴体は一定半径の構造体ではないので、これは胴体の可変半径を考慮に入れている。それは胴体構造の長さに沿っても可変である。枢動／摺動機構によるセンタリングの動作はまた、ＳＳトランスデューサアセンブリ５０ａおよび５０ｂの場合、各直線状トランスデューサアレイをそれぞれのストリンガの側面上で正しい位置に維持する。この機構はまた、図６に示す通り、優れたデータ収集を確実にするように、ＬＯＲトランスデューサアセンブリ５０ｃおよび５０ｄの各凹状湾曲トランスデューサアレイを、補剛材のそれぞれの下部外側曲面と位置合わせされた状態に維持する。
【００４７】
図８は、図２に描かれた実施形態に係るＬＯＲトランスデューサアセンブリ５０ｃを示す。ＬＯＲトランスデューサアセンブリ５０ｃは、プローブ支持構造体３２（図２に示す）に対してそれ自体の軸線に沿って変位可能かつそれ自体の軸線を中心に枢動可能であるシャフト６０を含む。シャフト６０はスリーブベアリング４８内で摺動かつ回転する。シャフト６０の回転は、軸回転限度（例えば±５〜１０度）に達するとプローブ支持構造体３２（図２参照）に衝突するキーパ（keeper）１２２によって制限される。シャフト６０は、可撓性継手６２およびトランスデューサホルダー６６によって、１対の４リンク（９４ａ、９４ｂ、９６ａ、９６ｂ）センタリングガイドアセンブリに結合される。可撓性継手６２によって可能になる撓みは、シャフト６０とトランスデューサホルダー６６との間の角度、平行、および軸線方向の不整合を許容する。
【００４８】
再び図２を参照すると、各シャフト６０の軸線方向変位は、それぞれの支持脚３８ａ〜３８ｄに固定されたそれぞれのリニア位置センサ１２４によって測定される。リニア位置センサ１２４はソフト電位差計(soft potentiometer)の形を取ることができる。付属部品１２０に形成された穴にねじ込まれた圧力接点を有するそれぞれの付属部品１２０は、それぞれのシャフト６０の上端に取り付けられる。各リニア位置センサ１２４は、それぞれの付属部品１２０の圧力接点が移動した距離を検知する。
【００４９】
図１２に示す通り、リニア位置センサ１２４は、ポリエステル基板１２６上に２つの抵抗出力チャネルおよび１つの電流コレクタを持つ３線システムである。圧力接点を頂部回路１２８に押し当てることによって、リニア位置センサ１２４は、圧力接点の線形位置を示す電気出力を生成する。圧力接点はシャフトに固定されるので、センサ出力はシャフトの軸線方向の変位をも示す。
【００５０】
一実施形態によると、圧力接点は、図１３Ａおよび１３Ｂに示すピンアクチュエータ１５０の形を取る。ピンアクチュエータ１５０は、雄ねじ１５４および円筒形の穴１５６を有する筐体を含む。ピンは、穴１５６内で摺動自在のプラグ１６０、および筐体から突出してリニア位置センサと接触する丸みを帯びた先端１５２を含む。シャフトが軸線方向に変位すると丸みを帯びた先端１５２は、頂部回路１２８に当接し（図１２参照）、シャフトの軸線方向増分変位を示すセンサ出力信号を生成する。各シャフト６０（図２参照）の軸線方向変位は、このようにして検出することができる。
【００５１】
セットアップ中に、各シャフトの一部分を包囲するそれぞれのばね（図示せず）の圧力は、リニア位置センサの出力に応じて調整することができる。各ばねは、各シャフトの最適なセッティングおよび位置、すなわちストリンガ上のプローブの位置が得られるように、異なるばね定数および長さのものを選択することができる。
【００５２】
ストリンガの傾斜側面および下部外側曲面を検査することに加えて、図２に示すプローブ１８は同時に、ストリンガの丸みを帯びたキャップを検査することができる。図９は、一実施形態に係るＵＣＲトランスデューサアセンブリの様々な構成部品を示す。ＵＣＲトランスデューサアセンブリは、クロスバー５４に取り付けられた支持台５２を含むヨーク
５６によって支持される。ヨーク５６（図９に示す）および主構造板３４（図２に示す）は両方とも、ロボットインタフェース板／アセンブリ（図示せず）に接続される。ロボットインタフェース板／アセンブリは、ロボットエンドエフェクタ（後で図１４に関連して説明する）の遠位端に配置される。
【００５３】
ＵＣＲトランスデューサアセンブリは、ストリンガのキャップを横切って摺動するために、それぞれの内面にローラーベアリングを有する下部筐体７４（前に図５に関連して説明した）を含む。ＵＣＲトランスデューサアセンブリはさらに、下部筐体７４に結合された上部筐体（部品１０８および１１０）を含む。上部筐体は、下部筐体７４から上方に突出したフランジにねじ結合されたボルト１４２によって、下部筐体に対して横方向に移動させることできる。
【００５４】
図１０および図１１に最も分かり易く示す通り凸状湾曲トランスデューサアレイ１１２は、それぞれのスライダ１３４および１３６によってそれぞれ上部筐体部品１０８および１１０に対して相対的に摺動自在である、２つの治具構成部品１１４および１１６の間でそれらに取り付けられる。これは、トランスデューサアレイ１１２の垂直方向の位置の調整を可能にする。ステンレス鋼のスライダは、低ヒステリシスおよび正確な位置合わせをもたらすために使用される。上部筐体部品１０８および１１０の下方部分は、上部筐体部品１１０に形成されたマニホルド１４０によって水供給源に接続された水コラム１３８を形成する。ストリンガの丸みを帯びたキャップの検査中に、トランスデューサアレイ１１２は、水が充満している水コラム１３８中に突出する。
【００５５】
図１１に示す実施形態によると、トランスデューサアレイ１１２の垂直方向の位置は、上部筐体部品１１０に形成されたネジなし穴内のネジなし部分および治具構成部品１１６に形成されたネジ穴内のネジ部分を有するボルト１３０を回すことによって、手動で調整することができる。
【００５６】
代替実施形態によると、トランスデューサアレイ１１２の垂直方向の位置の調整は、ボルト１３０をモータ駆動リードネジ(motor-driven lead screw)と交換することによって
自動化することができる。モータ駆動リードネジの一例は米国特許第8,082,793号に開示
されている。
【００５７】
一実施例によると、ストリンガの丸みを帯びたキャップのＮＤＩ用の凸状湾曲トランスデューサアレイは、円筒状フォーカスを持つ２インチ６４要素の湾曲アレイとすることができる。ストリンガ側面のＮＤＩ用の直線状トランスデューサアレイは、１６要素のフラットリニアアレイとすることができる。ストリンガの下部外側曲面のＮＤＩ用の凹状湾曲トランスデューサアレイは、１０．２ｍｍの半径および９０度の角度を有する１６要素の曲面アレイとすることができる。最初の２種類のアレイはGE Inspection Technologiesから市販されている。３番目の種類のアレイはOlympusから市販されている。
【００５８】
図１４は、構造体２０（例えば胴体）を検査するための検査システムを示す。検査システムは、ロボット１０と、データ収集システム１４と、ロボットアーム１２の端部に配置されかつデータ収集システム１４と通信するロボットエンドエフェクタ１６に装着されたプローブ１８とを備える（換言すると、プローブ１８はロボットエンドエフェクタ１６によってロボットアーム１２に結合される）。プローブ１８が構造体２０に沿って移動するにつれて、データは処理のためにデータ収集システム１４に送信される。通常、ロボット１０は自動的に制御されて、プローブ１８を構造体２０に近接して移動させる一方、データ収集システム１４は構造体２０の表面の画像を生成してプローブの応答をマッピングする。ロボット１０は、構造体の傷または欠陥の検出が必須である様々な産業界、例えば航空機、自動車、または建築産業界で、任意の数の構造体を検査するために使用することが
できる。特に、プローブ１８が図２に示すタイプである場合、ロボット１０は、図１および図２に示すタイプの補剛材を検査するために使用することができる。
【００５９】
ロボット１０は多軸運動能力を有し、ソフトウェア支援を使用して、部品の測定および検査に使用される三次元プロファイルを生成する。特に、図１４に示すロボット１０は基台２８、カルーセル（carrousel）２２、揺動体２４、ロボットアーム１２、およびエン
ドエフェクタ１６を含み、これらの構成部品は複数のピボット２６により回転自在に結合される。これらの構成部品の組合せにより幾つかの自由度がもたらされ、それにより今度はプローブ１８を様々な位置および様々な方向に移動させることが可能になる。ロボット１０は、ピボット２６の各々における、またはそれに関連付けられる、１つ以上の位置センサ３０を含み、位置センサは、プローブ１８を正確に位置決めするために、位置データ（三次元空間におけるＸ、Ｙ、およびＺ）をデータ収集システム１４に提供する。その一例を米国特許第7,448,271号に見ることができる。例えば図１４に示すロボット１０は６
つのピボット２６を含み、各ピボットは、プローブ１８の三次元位置を包括的に定義する位置符号器３０を含む。プローブ１８は構造体２０を表すＮＤＩデータを提供する。したがってロボット１０は、構造体２０の検査中に収集した位置データおよびＮＤＩデータを使用して、欠陥の正確な位置を提供する。
【００６０】
図２に示すプローブと共に使用することのできるロボット１０の一例として、Kuka Roboter GmbH（ドイツ国アウグスブルグ）社製のＫＲ‐１５０型ロボットがあるが、プロー
ブ１８を担持しかつデータ収集システム１４と通信することのできる任意のロボットまたは他のマニピュレータを使用することができる。さらに、ロボット１０は、位置データを収集するために任意の数のセンサ３０（例えば１つ以上）を含むことができ、センサ３０は、プローブ１８の近接位置など、様々な位置に配置することができる。
【００６１】
データ収集システム１４は、位置センサ３０およびプローブ１８によって収集されたデータに基づいて、複雑な形状の構造体２０のＡスキャン、Ｂスキャン、およびＣスキャンの画像を含め、様々な画像を生成することが可能である。さらに、データ収集システム１４は、位置センサ３０およびプローブ１８によって収集されたデータに基づいて、三次元点群を生成することが可能である。こうして、位置データストリームをＮＤＩデータストリームにマッピングし、点群を生成することができる。ＮＤＩデータは、数ある情報の中でも、特に構造体２０における欠陥、異常、または他の不完全さに関するデータを含むことができる。
【００６２】
データ収集システム１４は通常、構造体２０の欠陥をディスプレイ上に提示することができるように、画像作成ソフトウェアの制御下で動作するプロセッサまたは同様のコンピューティング装置を含む。プロセッサは、位置センサ３０およびプローブ１８によって生成されたデータを処理しかつモニタまたは他の表示装置のようなディスプレイに示される走査データの画像を作成することのできる、デスクトップ、ラップトップ、またはポータブル処理装置のようなコンピュータによって具現化することができる。データ収集システム１４はデータの画像を生成し、かつ事前に作成された画像をユーザに格納および編集させることもできる。したがって、画像の永久記録を、将来使用するためまたは記録保持のために管理することができる。しかし、データ収集システムは、技術者がデータに基づいて傷の特徴を明らかにしたり、その位置を突き止めるために使用することのできる位置データおよびＮＤＩデータを、数学的に収集かつ解析することができるので、データ収集システム１４は画像を生成する必要がないことを理解されたい。
【００６３】
ロボット１０は通常、位置センサ３０およびプローブ１８によって蓄積されたデータを処理しかつ処理されたデータを表示するために、データ収集システム１４と通信する。多くの場合、通信ケーブル（図１４には図示せず）は、ロボット１０とデータ収集システム
１４との間でデータを伝達する。他の実施形態では、データは、ロボット１０とデータ収集システム１４との間で無線通信を介して伝達することができる。ロボット１０はプロセッサに直接接続することができ、あるいはネットワークを介するなど、間接的に接続することができる。さらなる実施形態では、データ収集システム１４は、ロボット１０に近接して配置することができるので、ロボットとデータ収集システムとの間の遠隔接続は必要ない。さらに、データがロボットによって収集されかつ処理されるように、データ収集システム１４をロボット１０と一体化することができることを理解されたい。
【００６４】
リニアデカルト軸線プラットホーム、回転軸線プラットホーム、および平行運動学を使用するスチュワート（Stewart）プラットホームの組合せを含め、他の種類のエンドエフ
ェクタ位置決めシステムを使用してもよい。特定の例としてガントリ、他の種類のロボット、軌条上ロボット（robots‐on‐rail）、ポストミル型プラットホーム、およびスチュワートプラットホーム（例えば六脚）が挙げられる。これらの例の各々において、エンドエフェクタ位置決めシステムは、性能要件（例えば角度、速度、加速度、剛性、移動範囲、実用性、迅速解放結合）を満たしながら、選択されたエンドエフェクタを、その機能を実施する位置に、またはその機能を実施する経路に沿って送達するように構成される。
【００６５】
上に開示したシステムおよび方法は、図１６に示す航空機２０２の部品を検査するために、図１５に示す航空機の製造およびサービス方法２００で使用することができる。製造準備中に、例示的方法２００は、航空機２０２の仕様および設計２０４、ならびに資材調達２０６を含むことができる。製造中に、航空機の２０２の構成部品および部分アセンブリの製造２０８、ならびにシステム統合２１０が行われる。その後、航空機２０２は就航２１４するために、認証および納品２１２を経る。顧客による運航中に、航空機２０２は定期的保守点検２１６（改修、再構成、改造等を含むことができる）が計画される。
【００６６】
方法２００のプロセスの各々は、システム構築業者、第三者、および／または事業者（例えば顧客）によって実行または実施することができる。本記述において、システム構築業者は非限定的に任意の数の航空機製造者および主要システム下請業者を含むことができ、第三者は非限定的に任意の数の納入業者、下請業者、および供給業者を含むことができ、かつ事業者は航空会社、リース会社、軍隊、サービス機関等を含むことができる。
【００６７】
図１６に示す通り、例示的方法２００によって製造された航空機２０２は、複数のシステム２２０および内装２２２を備えた機体２１８（例えば胴体、フレーム、補剛材、主翼ボックス等を含む）を含むことができる。高レベルシステム２２０の例として、推進システム２２４、電気系統２２６、油圧系２２６、および環境管理システム２３０の１つ以上が含まれる。任意の数の他のシステムを含めることができる。航空宇宙例を示したが、本書に開示した原理は、自動車業界のような他の産業に適用することができる。
【００６８】
本書で具現化した装置および方法は、製造およびサービス方法２００の任意の１つ以上の段階で使用することができる。例えば、製造プロセス２０８中に製造されまたは組み立てられた構成部品または部分アセンブリは、本書に開示した検査システムを用いて検査することができる。また、航空機２０２の組立を実質的に促進し、あるいはコストを低減することによって、１つ以上の装置の実施形態、方法の実施形態、またはそれらの組合せを、例えば製造段階２０８および２１０で利用することができる。同様に、例えば航空機２０２が運用されている間に、かつ非限定的に保守点検２１６中に、装置の実施形態、方法の実施形態、またはそれらの組合せの１つ以上を利用することができる。
【００６９】
様々な実施形態に関連してＮＤＩプローブを説明したが、本書における教示の範囲から逸脱することなく、様々な変更を施すことができ、かつそれらの要素に代えて均等物を使用することができることを、当業者は理解されるであろう。さらに、本書の教示を特定の
状況に適応するために、教示の範囲から逸脱することなく、多くの変形を行うことができる。したがって、特許請求の範囲を本書に開示した特定の実施形態に制限することは意図していない。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【手続補正書】
【提出日】平成30年12月4日(2018.12.4)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外板構造体と、
前記外板構造体に取り付けられた補剛材であって、複合材料から作られ、かつ丸みを帯びたキャップと、前記丸みを帯びたキャップに接続された第１および第２側面と、前記第１および第２側面にそれぞれ接続された第１および第２下部外側曲面とを含む補剛材と、
アームを含むマニピュレータと、
前記アームに結合された超音波検査プローブであって、
前記マニピュレータの前記アームに結合されたプローブ支持構造体と、
前記プローブ支持構造体に枢結された第１トランスデューサアセンブリと、
を含み、前記第１トランスデューサアセンブリが、前記補剛材の前記丸みを帯びたキャップに音響結合された第１トランスデューサアレイを含み、前記第１トランスデューサアレイが、前記補剛材の前記第１側面またはその付近から前記第２側面またはその付近まで、前記丸みを帯びたキャップの検査を可能にする充分な長さの凹状湾曲形状を有して成る、前記超音波検査プローブと、を備えたシステム。
【請求項２】
前記プローブ支持構造体が、前記マニピュレータの前記アームに結合された主構造板と、前記主構造板に結合されたヨークとを含み、かつ前記第１トランスデューサアレイが前記ヨークに枢結された、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記プローブ支持構造体に枢動自在かつ摺動自在に結合された大シャフトと、前記大シャフトの一端に取り付けられた可撓性継手と、前記可撓性継手に取り付けられたトランスデューサホルダーと、前記トランスデューサホルダーによって保持された第２トランスデューサアレイと、前記トランスデューサホルダーに取り付けられたセンタリング機構とを含む、第２トランスデューサアセンブリをさらに備えた、請求項１又は２に記載のシステム。
【請求項４】
前記センタリング機構が、
前記トランスデューサホルダーによって両端を支持された第１および第２小シャフトと、
前記第１および第２小シャフトにそれぞれ摺動自在に結合された第１および第２枢動／摺動機構と、
前記第１および第２枢動／摺動機構にそれぞれ枢結された第１および第２の４リンクセンタリングガイドアセンブリと、を含む、請求項３に記載のシステム。
【請求項５】
前記第２トランスデューサアレイが凹状湾曲形状を有し、かつ前記補剛材の前記第１下部外側曲面に音響結合された、請求項３又は４に記載のシステム。
【請求項６】
前記第２トランスデューサアレイが直線状であり、かつ前記補剛材の前記第１側面に音響結合された、請求項３又は４に記載のシステム。
【外国語明細書】
2019060888000001.pdf
2019060888000002.pdf
2019060888000003.pdf
2019060888000004.pdf