(57)【要約】      （修正有）【課題】複合レイアップ機のテープ端部を監視するためのシステム及び方法を提供する。【解決手段】複合材構造１０２上に巻き付ける繊維テープ１１０の端部を特定するための装置１００が提示される。装置は、複合材構造の近傍に配置されるとともに、複合材構造上に巻き付ける繊維テープ上に第１の角度で光線を投射するように構成された光源１１６を含む。また、装置は、複合材構造の近傍に配置されるとともに、第２の角度で繊維テープ上の光線の画像を撮像するように構成された撮像ユニット１１８を含む。更に、装置は、撮像ユニットに結合されるとともに、繊維テープ上の光線における不連続を検出するために撮像画像を処理しかつ繊維テープ上の光線における検出された不連続に基づいて繊維テープの端部を特定するように構成された制御装置１０８を含む。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複合材構造上に巻き付ける繊維テープの端部を特定するための装置であって、
複合材構造の近傍に配置されるとともに、複合材構造上に巻き付ける繊維テープ上に第１の角度で光線を投射するように構成された光源と、
複合材構造の近傍に配置されるとともに、第２の角度で繊維テープ上の光線の画像を撮像するように構成された撮像ユニットと、
撮像ユニットに結合されるとともに、繊維テープ上の光線における不連続を検出するために撮像画像を処理しかつ繊維テープ上の光線における検出された不連続に基づいて繊維テープの端部を特定するように構成された制御装置と
を備える、装置。
【請求項２】
制御装置は、光線が繊維テープの所定の配向の線に一致したときに光線における不連続を検出するように構成される、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
撮像ユニットに動作可能に結合されるとともに、複合材構造上に繊維テープを巻き付けるように構成されたレイアップヘッドであって、繊維テープの端部を示すために、撮像ユニットに第１の信号を送信するように構成されるレイアップヘッドを更に備える、請求項１に記載の装置。
【請求項４】
撮像ユニットは、レイアップヘッドから第１の信号を受信したときに繊維テープ上の光線の画像を撮像するように構成される、請求項３に記載の装置。
【請求項５】
制御装置が、繊維テープの端部が複合材構造上の所定の位置から外れていると判断し、かつレイアップヘッドが複合材構造上に繊維テープを巻き付けるのを停止するようにレイアップヘッドに第２の信号を送信するように構成される、請求項３に記載の装置。
【請求項６】
複合材構造上に巻き付ける繊維テープの端部を特定するための方法であって、
複合材構造上に巻き付ける繊維テープ上に第１の角度で光線を光源により投射することと、
第２の角度で繊維テープ上の光線の画像を撮像ユニットにより撮像することと、
繊維テープ上の光線における不連続を検出するために撮像画像を制御装置により処理することと、
繊維テープ上の光線における検出された不連続に基づいて繊維テープの端部を特定することと
を含む、方法。
【請求項７】
撮像画像を処理することが、
繊維テープ上の光線に沿ってピクセル値の強度を監視することと、
繊維テープ上の光線に関連するピクセル値の強度の実質的な変化に基づいて光線における不連続を検出することと
を含む、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
繊維テープの端部を特定することが、光線における不連続が検出された繊維テープ上の位置を求めることと、求められた位置において繊維テープの端部を特定することとを含む、請求項６に記載の方法。
【請求項９】
複合材構造上に繊維テープをレイアップヘッドにより巻き付けることと、
繊維テープの端部を示すために、撮像ユニットに第１の信号を送信することと、
レイアップヘッドから第１の信号を受信したときに繊維テープ上の光線の画像を撮像ユニットにより撮像することと
を更に含む、請求項６に記載の方法。
【請求項１０】
繊維テープの端部が複合材構造上の所定の位置からずれていると制御装置により判断することと、レイアップヘッドが複合材構造上に繊維テープを巻き付けるのを停止するように制御装置によりレイアップヘッドに第２の信号を送信することとを更に含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
繊維テープ上の光線の第１の角度が、撮像画像の第２の角度に直交する、請求項６に記載の方法。
【請求項１２】
繊維テープの端部を特定することが、繊維テープの端部をリアルタイムで求めることを含む、請求項６に記載の方法。
【請求項１３】
複合材構造上に巻き付ける繊維テープの端部を特定するための装置であって、
複合材構造の近傍に配置されるとともに、複合材構造上に巻き付ける繊維テープ上に第１の角度で２以上の光線を投射するように構成された光源と、
複合材構造の近傍に配置されるとともに、第２の角度で繊維テープ上の２以上の光線の画像を撮像するように構成された撮像ユニットと、
撮像ユニットに結合されるとともに、撮像画像内の２つの光線における不連続に関連する複数対の点のうちから１対の点を選択するために撮像画像を処理し、撮像画像内の選択された対の点を結ぶ線の角度を求め、かつ線の求められた角度が複合材構造上に載置された繊維テープの所定の配向と同一線上にある場合に繊維テープの端部を検出するように構成された制御装置と
を備える、装置。
【請求項１４】
繊維テープの端部は、選択された対の点が撮像画像内の第１の位置にあるときに検出される、請求項１３に記載の装置。
【請求項１５】
選択された対の点が第１の点と第２の点とを含み、第１の点が２つの光線の一方に関連しかつ第２の点が２つの光線の他方に関連する、請求項１３に記載の装置。
【請求項１６】
撮像ユニットと光源とに動作可能に結合されるとともに、複合材構造上に所定の配向で繊維テープを載置するように構成されたレイアップヘッドを更に備える、請求項１３に記載の装置。
【請求項１７】
レイアップヘッドが、繊維テープの端部を示すために、撮像ユニットに第１の信号を送信するように構成される、請求項１６に記載の装置。
【請求項１８】
撮像ユニットは、レイアップヘッドから第１の信号を受信したときに繊維テープ上の２つの光線の画像を撮像するように構成される、請求項１６に記載の装置。
【請求項１９】
複合材構造上に巻き付ける繊維テープの端部を特定するための方法であって、
複合材構造上に巻き付ける繊維テープ上に第１の角度で２以上の光線を光源により投射することと、
第２の角度で繊維テープ上の２以上の光線の画像を撮像ユニットにより撮像することと、
撮像画像内の２つの光線における不連続に関連する複数対の点のうちから１対の点を選択するために撮像画像を制御装置により処理することと、
撮像画像内の選択された対の点を結ぶ線の角度を求めることと、
線の求められた角度が複合材構造上に載置された繊維テープの所定の配向と同一線上にある場合に繊維テープの端部を検出することと
を含む、方法。
【請求項２０】
選択された対の点が撮像画像内の第１の位置にあるときに繊維テープの端部を検出することを更に含む、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
繊維テープの端部が複合材構造上の所定の位置からずれていると制御装置により判断することと、
レイアップヘッドが複合材構造上に繊維テープを巻き付けるのを停止するように制御装置によりレイアップヘッドに第２の信号を送信することと
を更に含む、請求項１９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書の実施形態は、概して複合レイアップ機に関し、より詳細には、複合レイアップ機のテープ端部を監視するためのシステム及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
複合レイアップ機は、航空宇宙、自動車、海洋、及び他の産業において、航空機翼、ファンケーシング、及び機体などの、複合材構造を製造するために使用される。典型的には、複合レイアップ機は、（テープとして知られる）炭素繊維材料の細長片をレイアップ表面に配置するために、構造のレイアップ表面上を移動する。複合レイアップ機は、所定のパターンでレイアップ表面上を複数回通過して、レイアップが形成されるまでテープの層を積み重ねることができる。
【０００３】
一般に、テープは、構造の強度を最大にするために、構造の表面上に異なる角度で繰り返し巻き付けられる。また、構造の強度及び品質を高めるために、構造の表面上の正確な位置にテープを配置することが重要である。いくつかの事例において、レイアップ機は、スリップする場合がありかつミリ単位でオフセットを生じさせる場合がある。このため、レイアップ機が、構造の表面上の不正確な位置にテープを配置する。また、テープが構造の表面上の不正確な位置に配置される原因となり得るテープの捻れ及びテープの接合部の破れなどの、他の誤差が存在する場合がある。更に、構造上でのテープのこの不正確な位置決めは、膨らみを生じさせる場合があり、かつ構造の強度を低減する場合がある。また、構造の最終製品に不良箇所が存在する場合がある。したがって、構造上のテープの配置を監視することが非常に重要である。
【０００４】
既存のシステムでは、レイアップ機が構造上にテープを配置する間に、作業者が構造の表面上のテープ端部の位置を目視により特定する。更に、作業者は、構造の表面上の正確な位置にテープが配置されているかどうかを確認するために、テープ端部を目視により検査する。しかしながら、このレイアップ工程では、作業者がレイアップ機の前に立ち、その動作を注視し続ける必要がある。また、テープ端部がレイアップ機の下にあるので、構造上の各層のテープ端部の位置を作業者が目視により特定することは非常に困難である。加えて、テープの繊維特性により、テープ表面がいくつかの配向では明るく見え、他の配向では非常に暗く見える場合がある。このため、テープの縁部又は端部を作業者が目視により見つけることが困難になる。その上、作業者がテープを配置する際の誤差を特定したときには、多数の層が不正確なテープ上に載置されている可能性がある。このため、作業者がレイアップ機を停止し、不正確なテープ上にある全ての層を剥離するが、これは、面倒で時間のかかる工程である。その上、構造内に深く埋設される誤差テープを見つけることは非常に困難でありかつその修理が高コストであることが分かる。また、不正確なテープ上にある全ての層を剥離し、新たなテープを再び載置することにより、複合材構造を製造するための材料費及び人件費が増加する可能性がある。
【０００５】
したがって、テープの端部の位置を自動的に検出して複合材構造上のテープ端部の配置を監視するシステム及び方法が必要である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１４／００８１４４４号明細書
【発明の概要】
【０００７】
本明細書の態様によれば、複合材構造上に巻き付ける繊維テープの端部を特定するための装置が提示される。装置は、複合材構造の近傍に配置されるとともに、複合材構造上に巻き付ける繊維テープ上に第１の角度で光線を投射するように構成された光源を含む。また、装置は、複合材構造の近傍に配置されるとともに、第２の角度で繊維テープ上の光線の画像を撮像するように構成された撮像ユニットを含む。更に、装置は、撮像ユニットに結合されるとともに、繊維テープ上の光線における不連続を検出するために撮像画像を処理しかつ繊維テープ上の光線における検出された不連続に基づいて繊維テープの端部を特定するように構成された制御装置を含む。
【０００８】
本明細書の更なる態様によれば、複合材構造上に巻き付ける繊維テープの端部を特定するための方法が提示される。方法は、複合材構造上に巻き付ける繊維テープ上に第１の角度で光線を光源により投射することを含む。また、方法は、第２の角度で繊維テープ上の光線の画像を撮像ユニットにより撮像することを含む。更に、方法は、繊維テープ上の光線における不連続を検出するために撮像画像を制御装置により処理することを含む。加えて、方法は、繊維テープ上の光線における検出された不連続に基づいて繊維テープの端部を特定することを含む。
【０００９】
本明細書の別の態様によれば、複合材構造上に巻き付ける繊維テープの端部を特定するための装置が提示される。装置は、複合材構造の近傍に配置されるとともに、複合材構造上に巻き付ける繊維テープ上に第１の角度で２以上の光線を投射するように構成された光源を含む。また、装置は、複合材構造の近傍に配置されるとともに、第２の角度で繊維テープ上の２以上の光線の画像を撮像するように構成された撮像ユニットを含む。更に、装置は、撮像ユニットに結合されるとともに、撮像画像内の２つの光線における不連続に関連する複数対の点のうちから１対の点を選択するために撮像画像を処理し、撮像画像内の選択された対の点を結ぶ線の角度を求め、かつ線の求められた角度が複合材構造上に載置された繊維テープの所定の配向と同一線上にある場合に繊維テープの端部を検出するように構成された制御装置を含む。
【００１０】
本明細書の更に別の態様によれば、複合材構造上に巻き付ける繊維テープの端部を特定するための方法が提示される。方法は、複合材構造上に巻き付ける繊維テープ上に第１の角度で２以上の光線を光源により投射することを含む。また、方法は、第２の角度で繊維テープ上の２以上の光線の画像を撮像ユニットにより撮像することを含む。更に、方法は、撮像画像内の２つの光線における不連続に関連する複数対の点のうちから１対の点を選択するために撮像画像を制御装置により処理することを含む。加えて、方法は、撮像画像内の選択された対の点を結ぶ線の角度を求めることを含む。更に、方法は、線の求められた角度が複合材構造上に載置された繊維テープの所定の配向と同一線上にある場合に繊維テープの端部を検出することを含む。
【００１１】
本発明のこれらの及び他の特徴、態様及び利点は、図面全体を通して類似の符号が類似の部分を表す添付図面を参照しながら以下の詳細な説明を読むとき、より良く理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本明細書の態様による、複合材構造上にテープを載置する複合レイアップ機の概略図である。
【図２】本明細書の態様による、繊維テープ上に投射された光源と撮像ユニットの概略図である。
【図３】本明細書の態様による、撮像ユニットにより撮像された画像の概略図である。
【図４】本明細書の態様による、フィルタリングされた画像の概略図である。
【図５】本明細書の別の態様による、繊維テープ上に投射された光源と撮像ユニットの概略図である。
【図６】本明細書の別の態様による、撮像ユニットにより撮像された画像の概略図である。
【図７】本明細書の別の態様による、他のテープを描いた画像の概略図である。
【図８】本明細書の別の態様による、重なり合うテープを描いた画像の概略図である。
【図９】本明細書の態様による、繊維テープの所定の位置を描いたチャートの図である。
【図１０】本明細書の態様による、複合材構造上のレイアップヘッドの概略図である。
【図１１】本明細書の別の態様による、単一の光線を使用して繊維テープの端部を特定するための方法を図示するフローチャートである。
【図１２】本明細書の別の態様による、多数の光線を使用して繊維テープの端部を特定するための方法を図示するフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下に詳細に説明するように、複合材構造上のテープ端部の位置を検出するための例示的なシステム及び方法の種々の実施形態が提示される。特に、本明細書に提示するシステム及び方法は、構造上に配置された各テープの端部を自動的に特定するのを補助し、次いで、構造上のテープの配置を監視するのを補助する。本明細書の方法及びシステムの種々の実施形態を用いることにより、複合材構造を製造するための時間及びコストを大幅に低減することができる。また、複合材構造を精度よく製造することができ、したがって、これにより構造の品質が高まる。
【００１４】
ここで図面に移り、図１を参照すると、本明細書の態様による、複合材構造１０２を製造するために動作させる複合レイアップ機１００の概略図が描かれている。一般に、複合材構造は、航空宇宙、自動車、海洋、及び他の同様の産業で広く使用されている。航空宇宙産業の例では、複合材構造は、エンジンに結合される１以上のファンブレードを収納するために使用することができる。詳細には、複合材構造は、ファンブレード用のファンケーシングとして使用される。典型的には、複合材構造は、ガラス、炭素その他の材料から作られた繊維を含むテープの層を使用して組み立てられ又は製造される。また、これらの複合材構造は、金属部品よりも軽量であるが、金属部品と同等か又はそれよりも高い強度を有し得る。
【００１５】
現在考えられる構成において、複合レイアップ機１００は、複合部品又は複合材構造を作るために使用される自動機械とすることができる。複合レイアップ機１００は、複数のレイアップヘッド１０４と、平行移動プラットフォーム１０６と、制御装置１０８とを含み得る。複合レイアップ機１００が他の構成要素を含み得かつ図１に示す構成要素に限定されないことに留意されたい。レイアップヘッド１０４の各々は、平行移動プラットフォーム１０６に動作可能に結合される。更に、平行移動プラットフォーム１０６は、ケーシング又はドラムなどの、複合材構造１０２の近傍にレイアップヘッド１０４を配置するようになされる。以下の説明では、用語「複合材構造」、「ケーシング」及び「ドラム」が交換可能に使用され得ることに留意されたい。
【００１６】
更に、制御装置１０８をレイアップヘッド１０４と平行移動プラットフォーム１０６とに動作可能に結合することができる。また、制御装置１０８は、ドラム１０２の近傍の３次元経路に沿ってレイアップヘッド１０４を規則正しく移動させるために１以上の制御信号を平行移動プラットフォーム１０６に送信するように構成することができる。その上、各レイアップヘッド１０４は、ドラム１０２上に複合レイアップを作製するために、対応する複合繊維テープ１１０の配置及び圧密固定を実行するように動作可能である。本発明を理解し易くするために、レイアップヘッド１０４が１つだけ図１に描かれている。
【００１７】
また、レイアップヘッド１０４は、送給組立体１１２と圧縮ローラ１１４とを含み得る。送給組立体１１２は、圧縮ローラ１１４と制御装置１０８とに動作可能に結合させることができる。また、送給組立体１１２は、複合繊維テープ１１０を備える１以上のスプールを含み得る。一例において、複合繊維テープ１１０は、未硬化のエポキシ樹脂及び粘着性樹脂を用いて互いに接着される炭素繊維材料のストランドにより形成することができる。
【００１８】
更に、送給組立体１１２は、１以上のスプールから圧縮ローラ１１４に複合繊維テープ１１０を供給するように構成される。更に、圧縮ローラ１１４は、ドラム１０２に対して複合繊維テープ１１０を圧縮するために、ドラム１０２上に複合繊維テープ１１０を貼り付ける。以下の説明では、用語「複合繊維テープ」及び「繊維テープ」が交換可能に使用され得ることに留意されたい。更に、繊維テープ１１０は、ドラム１０２に巻き付けられたときに、繊維テープ１１０上のエポキシ樹脂を硬化させるために紫外線（ＵＶ）光にさらされる。次いで、このことは、繊維テープ１１０をドラム１０２の表面に接着するのを補助する。その上、テープ１１０における繊維材料は軽量炭素材料であり、この材料は、製造後のドラム１０２の全重量を低減するのに有用である。ドラム１０２の表面上に載置される繊維テープ１１０がトウと称されることに留意されたい。
【００１９】
例示的な実施形態では、レイアップヘッド１０４は、複合繊維テープ１１０をドラム１０２の表面上に配置するためにドラム１０２に沿って移動することができる。また、レイアップヘッド１０４は、所定のパターンでドラム１０２の表面上を複数回通過して、レイアップがドラム１０２上に形成されるまで繊維テープ１１０の層を積み重ねることができる。一例では、ドラム１０２の強度を最大にするために、繊維テープ１１０をドラム１０２の表面上に異なる角度で繰り返し巻き付けることができる。また、各テープ層は、約数十ミクロンの厚さの層を追加することができる。
【００２０】
その上、レイアップヘッド１０４及び平行移動プラットフォーム１０６は、ドラム１０２の表面上の所定の位置に繊維テープ１１０を配置するようにプログラムされる。しかしながら、いくつかの事例において、レイアップヘッド１０４は、スリップする場合がありかつミリ単位でオフセットを生じさせる場合がある。このため、レイアップヘッド１０４が、ドラム１０２の表面上の不正確な位置に繊維テープ１１０を配置する。更に、ドラム１０２の表面上でのテープ１１０のこの不正確な位置決めは、膨らみを生じさせる場合があり、かつドラム１０２の強度を低減する場合がある。
【００２１】
従来のシステムでは、作業者は、構造の表面上のテープ端部の位置を手作業で特定することができ、かつ繊維テープが構造の表面上の正確な位置に配置されているかどうかを確認することができる。しかしながら、このレイアップ工程では、作業者がレイアップ機の前に立ち、その動作を注視し続ける必要がある。その上、作業者がテープを配置する際の誤差を特定したときには、多数の層が、不正確なテープ上に載置されている可能性がある。このため、作業者がレイアップ機を停止し、不正確なテープ上にある全ての層を剥離するが、これは、面倒で時間のかかる工程である。また、テープを配置する際の誤差により、最終製品に脆弱箇所又はボイドが生じ得る。
【００２２】
上記の欠点又は問題を克服するために、例示的な複合レイアップ機１００は、テープ１１０がドラム１０２又は複合材構造の表面上に配置されたときにテープ端部を自動的に特定する。更に、複合レイアップ機１００は、テープ端部がドラム１０２の表面上の所定の位置に配置されているかどうかを自動的に判断する。本発明を理解し易くするために、以下の説明では、単一のテープについて言及される。また、用語「繊維テープ」及び「テープ」が交換可能に使用され得ることに留意されたい。
【００２３】
複合レイアップ機１００は、レイアップヘッド１０４及び制御装置１０８に結合される光源１１６及び撮像ユニット１１８を含む。一実施形態では、光源１１６及び撮像ユニット１１８は、レイアップヘッド１０４又は圧縮ローラ１１４上に装着される。また、光源１１６及び撮像ユニット１１８は、レイアップヘッド１０４又は圧縮ローラ１１４に沿って移動するように構成され、かつドラム１０２上に載置されているテープ１１０の配向に対して常に正確に配向される。一実施形態では、光源１１６及び撮像ユニット１１８をレイアップヘッド１０４内に位置決めすることができる。更に、光源１１６は、テープ１１０がドラム１０２上に載置されるときに、ドラム１０２上に載置されるテープ１１０上に１以上の光線を投射するように構成することができる。
【００２４】
ドラム１０２上に載置される繊維テープ１１０の端部を特定するために、２つの異なる実施形態又は手法を用いることができる。第１の実施形態では、テープ１１０の端部を特定するために、単一の光線を繊維テープ１１０上に投射することができる。第２の実施形態では、テープ１１０の端部を特定するために、多数の光線を繊維テープ１１０上に投射することができる。第２の実施形態は図５〜図８を参照して説明されるが、第１の実施形態は図２〜図４を参照して説明されることに留意されたい。
【００２５】
第１の実施形態では、図２に図示するように、光源１１６は、光線１２０が予想されるテープ端部１２２に対して実質的に垂直になるように位置決めされるように、第１の角度から単一の光線１２０を投射することができる。一例では、光線１２０が、ドラム１０２上に載置されるテープ１１０の方向に追従しかつ予想されるテープ端部１２２に対して実質的に垂直となり得るように、光源１１６をドラム１０２の表面からの所定の高さから投射することができる。更に、光源１１６は、テープ１１０上にレーザ光を投射するために使用されるレーザ装置を含み得る。
【００２６】
追加的に、撮像ユニット１１８は、図２に描かれているように、第２の角度からテープ１１０の画像を撮像するように構成される。一実施形態では、撮像ユニット１１８の第２の角度は、テープ１１０上の投射された光線の第１の角度に実質的に直交することができる。詳細には、レイアップヘッド１０４は、ドラム１０２の表面上にテープ１１０を自動的に載置することができ、かつ送給組立体１１２に巻き付けられたテープの残り部分からテープ１１０を切断することができる。また、ドラム１０２上のテープ１１０の１以上の画像を撮像するために、各切断後にレイアップヘッド１０４を停止することができる。より具体的には、撮像ユニット１１８は、ドラム１０２上に今回載置されたテープ１１０と、ドラム１０２の表面上に以前に載置された１以上の他のテープ１２４（図２を参照）とを含むドラム１０２の表面の一部分を撮像することができる。これらの１以上の他のテープ１２４を異なる角度で及び／又はドラム１０２の表面上の異なる層上に載置することができる。
【００２７】
また、図３に図示するように、撮像ユニット１１８により撮像された画像１２６は、テープ１１０上に投射された光線１２０を有するテープ１１０を含み得る。一実施形態では、レイアップヘッド１０４は、圧縮ローラ１１４に供給されたテープ１１０の端部を示す撮像ユニット１１８に第１の信号を送信することができる。第１の信号を受信した時点で、撮像ユニット１１８は、ドラム１０２の表面上のテープ１１０の画像１２６を撮像し始めることができる。
【００２８】
画像１２６を撮像した後に、撮像ユニット１１８は、テープ１１０の撮像画像１２６を制御装置１０８に通信することができる。更に、制御装置１０８は、ドラム１０２上に載置されるテープ１１０上の光線１２０における小さなずれ又は不連続を特定するために撮像画像１２６を処理することができる。光線１２０における小さなずれは、主にテープが終了する位置に存在し得る。一例において、ドラム１０２上でテープが終了するときに、テープ１１０上の投射された光線１２０がその元の直線からずれる。詳細には、制御装置１０８は、光線１２０又はレーザ線に関連しない撮像画像１２６内の特徴を排除する分光フィルタを含み得る。テープ１１０のフィルタリングされた画像１２８が図４に描かれている。
【００２９】
更に、画像１２８は、異なる角度で及び／又はドラム１０２の表面上の異なる層上に載置される多数のテープを含むので、光線１２０に多数のずれを有し得る。光線１２０におけるこれらの多数のずれは、主にドラム１０２の表面上の多数のテープの縁部に起因するものであり得る。
【００３０】
例示的な実施形態では、制御装置１０８は、テープ１１０の予想される配向の線に一致する画像１２８内の光線１２０を選択するために、画像１２８を処理することができる。一例では、制御装置１０８は、正確なテープ端部１２２を横断する線ずれ１３０のみをテープ１１０の予想される配向の線に一致するようにして、線の配向及び間隔を選択することができる。画像１２８内の他の光線１３１及びその対応する線ずれ１３２は、かかる線の配向と一致しないので、制御装置１０８は、画像１２８内のこれらの光線１３１及び対応する線ずれ１３２を除外又は無視することができる。更に、制御装置１０８は、ドラム１０２の表面上のテープ端部１２２の位置として、線ずれ１３０を有する一致した光線１２０上の位置を選択する。一実施形態では、制御装置は、線ずれ１３０を有する一致した光線１２０上の位置を選択するために、周知の三角測効果その他公知のアルゴリズムを用いることができる。
【００３１】
別の実施形態では、制御装置１０８は、テープ１１０上の投射された光線１２０における不連続を検出するために画像１２８を処理することができる。更に、制御装置１０８は、テープ１１０上の光線１２０における検出された不連続に基づいてテープ１１０の端部１２２を特定することができる。詳細には、制御装置１０８は、テープ１１０上の光線１２０に関連するピクセル値の強度を求めるために画像１２８を処理することができる。更に、制御装置１０８は、テープ１１０上の光線１２０に沿ってピクセル値の強度を監視することができる。光線１２０に沿ったピクセル値の強度が実質的に変化したときに、制御装置１０８は、光線１２０における不連続を検出する。また、制御装置１０８は、光線１２０における不連続が検出された画像１２８内の位置を求めることができる。画像１２８内のこの位置は、ドラム１０２の表面上のテープ１１０の端部の位置として特定される。一実施形態では、制御装置は、制御装置１０８に結合された表示ユニット１３４（図１を参照）に撮像画像１２６及びフィルタリングされた画像１２８を表示することができる。
【００３２】
テープ端部を求める第２の実施形態では、光源１１６は、テープ１１０上に多数の光線を投射することができる。本発明を理解し易くするために、本実施形態では、２つの光線のみが考慮されている。テープ端部１２２を求めるために任意の数の光線が使用され得ることに留意されたい。
【００３３】
図５に図示するように、光源１１６は、２つの光線１２０、１２１が予想されるテープ端部１２２に対して実質的に垂直になるように位置決めされるように、第１の角度から２つの光線１２０、１２１を投射することができる。詳細には、光源１１６は、ドラム１０２の表面から所定の高さで位置決めされる第１の光ユニット１１７及び第２の光ユニット１１９を含み得る。更に、第１の光ユニット１１７は、第１の光線１２０を投射することができ、その一方で、第２の光ユニット１１９は、ドラム１０２の表面上に第２の光線１２１を投射することができる。また、投射された第１の光線１２０と第２の光線１２１は、ドラム１０２の表面上で互いに平行とすることができる。一例において、第１の光線１２０及び第２の光線１２１は、ドラム１０２の表面上で所定の距離だけ離間させることができる。また、第１の光線１２０及び第２の光線１２１は、ドラム１０２上に載置されたテープ１１０の方向に追従することができ、かつ予想されるテープ端部１２２に対して実質的に垂直とすることができる。一例において、光源１１６は、テープ１１０上に２つのレーザ光を投射するために、２つのレーザユニットを含み得る。
【００３４】
追加的に、撮像ユニット１１８は、図５に描かれているように、第２の角度からテープ１１０の画像を撮像するように構成される。一例において、撮像ユニット１１８の第２の角度は、テープ１１０上の投射された光線１２０、１２１の第１の角度に実質的に直交することができる。詳細には、撮像ユニット１１８は、ドラム１０２上に今回載置されたテープ１１０と、ドラム１０２の表面上に以前に載置された１以上の他のテープ１２４（図５を参照）とを含むドラム１０２の表面の一部分を撮像することができる。これらの他のテープ１２４を異なる角度で及び／又はドラム１０２の表面上の異なる層上に載置することができる。
【００３５】
また、図６に図示するように、撮像ユニット１１８により撮像された画像１２７は、テープ１１０上に投射された光線１２０、１２１を有するテープ１１０を含み得る。一実施形態では、レイアップヘッド１０４は、圧縮ローラ１１４に供給されたテープ１１０の端部を示す撮像ユニット１１８に第１の信号を送信することができる。第１の信号を受信した時点で、撮像ユニット１１８は、ドラム１０２の表面上のテープ１１０の画像１２７を撮像し始めることができる。
【００３６】
画像１２７を撮像した後に、撮像ユニット１１８は、撮像画像１２７を制御装置１０８に通信することができる。更に、制御装置１０８は、ドラム１０２上に載置されるテープ１１０上の２つの光線１２０、１２１における小さなずれ又は不連続を特定するために撮像画像１２７を処理することができる。光線１２０、１２１における小さなずれは、主にテープが終了する位置に存在し得る。
【００３７】
一例において、図７に図示するように、撮像画像１２７は、ドラム１０２上に今回載置されたテープ１１０と、ドラム１０２の表面上に異なる角度で及び／又はドラム１０２の表面上の異なる層上に以前に載置された１以上の他のテープ１２４とを含み得る。図７には、画像１２７内の特徴を容易に再確認するために、撮像画像１２７の拡大図が上部に描かれていることに留意されたい。
【００３８】
更に、光線１２０、１２１が今回載置されたテープ１１０及び他のテープ１２４を通過し得るので、光線１２０、１２１は、図７に描かれているように、撮像画像１２７に多数の線ずれを有し得る。詳細には、図７の例において、光線１２０、１２１は、テープ１１０のテープ端部１２２に及び他のテープ１２４のテープ端部１２３に線の不連続又は線ずれを有し得る。光線１２０、１２１は、撮像画像１２７内に多数の線ずれを有し得、図７に描かれているような２つの線ずれに限定されないことに留意されたい。撮像画像１２７内の多数のテープ端部のうちから正確なテープ端部１２２を特定することが非常に重要である。テープ１１０がドラム１０２の表面上において方向１２６に配向されることに留意されたい。
【００３９】
例示的な第２の実施形態では、制御装置１０８は、正確なテープ端部１２２を特定するために撮像画像１２７を処理することができる。詳細には、制御装置１０８は、２つの光線１２０、１２１における不連続又は線ずれに関連する複数対の点を特定する。例えば、第１の光線１２０と第２の光線１２１は、撮像画像１２７内の１対の点７０２、７０６にそれら光線の第１の線ずれを有し得る。より具体的には、第１の光線１２０は、点７０２に線ずれを有し得、その一方で、第２の光線１２１は、撮像画像内の点７０６に線ずれを有し得る。同様に、第１の光線１２０と第２の光線１２１は、撮像画像１２７内の１対の点７０４、７０８にそれら光線の第２の線ずれを有し得る。
【００４０】
２つの光線１２０、１２１における線ずれに関連する複数対の点を特定した時点で、制御装置１０８は、各対の点を線で結ぶことができる。例えば、制御装置１０８は、第１の対の点７０２、７０６を線７１０で結ぶことができる。同様に、制御装置１０８は、図７に描かれているように、第２の対の点７０４、７０８を線７１２で結ぶことができる。その後、制御装置１０８は、正確なテープ端部１２２を特定するために、撮像画像１２７内の線７１０、７１２の各々の角度と線７１０、７１２の各々の位置を確認することができる。例えば、制御装置１０８は、第２の対の点７０４、７０８を結ぶ第２の線７１２の角度を求めることができる。更に、制御装置１０８は、第２の線７１２の求められた角度がテープ１１０の予想される配向又は所定の配向と同一線上にあるか又は平行であるかどうかを確認することができる。この場合、第２の線７１２は、テープ１１０の予想される又は所定の配向に対して約３０度の角度をなす。よって、制御装置１０８は、撮像画像１２７から第２の対の点７０４、７０８及びその対応するテープ端部１２３を除外又は無視することができる。
【００４１】
更に、制御装置１０８は、第１の線７１０の求められた角度がテープ１１０の予想される配向又は所定の配向と同一線上にあるか又は平行であるかどうかを確認することができる。この場合、第１の線７１０は、テープ１１０の予想される配向又は所定の配向と同一線上にあるか又は平行である垂直線である。よって、制御装置１０８は、更なる評価のために第１の対の点７０２、７０６を選択する。より具体的には、制御装置１０８は、第１の対の点７０２、７０６が撮像画像１２７内の第１の位置にあるかどうかを更に確認することができる。画像１２７の左上から一番目の、画像１２７内の１対の点の位置が第１の位置と称されることに留意されたい。第１の対の点７０２、７０６が画像１２７内の第１の位置にあるので、制御装置は、この第１の対の点７０２、７０６に関連するテープ端部１２２を現在載置されているテープ１１０の正確なテープ端部として選択することができる。
【００４２】
いくつかの事例において、図８に図示するように、撮像画像１２７は、一方が他方の上に重ねられかつドラム１０２の表面上に同じ角度で配向される２つのテープ１１０及び１２９を有し得る。このシナリオにおいて、第１の線７１０は、第１の対の点７０２、７０６に関連し、かつ第２の線７１８は、第２の対の点７１４、７１６に関連する。線７１０、７１８はテープ１１０の予想される配向又は所定の配向と同一線上にあるか又は平行であるが、画像１２７内のそれら線の対応する対の点の位置は異なっていてもよい。例えば、線７１０の第１の対の点７０２、７０６は画像１２７内の第１の位置にあり、その一方で、線７１８の第２の対の点７１４、７１６は画像１２７内の第２の位置にある。したがって、制御装置１０８は、第１の対の点７０２、７０６のみを選択し、第１の対の点７０２、７０６に関連するテープ端部１２２を正確なテープ端部と判断する。
【００４３】
テープ端部１２２の位置を求めるときに、制御装置１０８は、テープ端部１２２がドラム１０２の表面上の所定の位置から外れているかどうかを確認することができる。図９は、ドラム１０２の表面上のテープ１１０の異なる所定の位置又は境界線１３８のチャート１３６を図示している。制御装置１０８は、複合材構造を製造するために予め設計された境界線１３８内にテープ端部１２２が位置決めされているかどうかを確認することができる。テープ端部１２２が所定の位置又は境界線１３８から外れている場合には、制御装置１０８は、レイアップヘッド１０４がドラム１０２の表面上にテープ１１０巻き付けるか又は配置するのを停止するようにレイアップヘッド１０４に第２の信号を送信することができる。その後、制御装置１０８は、ドラム１０２上にテープ１１０を配置する際の誤差を修正することができ、かつレイアップ工程を再開又は継続することができる。一例において、制御装置１０８は、レイアップヘッド１０４におけるオフセットを確認することができる。更に、制御装置１０８は、オフセットを修正することができ、またドラム１０２の表面上の不正確な位置に配置されるテープ１１０を除去するように作業者に指示することができる。修正後に、制御装置１０８は、ドラム１０２の表面上へのテープ１１０の載置を継続することができる。
【００４４】
したがって、上記のレイアップ工程に関しては、複合繊維テープ１１０の端部をリアルタイムで自動的に特定することができる。また、テープ１１０を配置する際のいかなる誤差も即座に修正することができ、かつレイアップ工程を再開又は継続することができる。その上、上記のレイアップ工程に関して、作業者は、テープ端部を目視により検査する必要はない。また、テープ端部がリアルタイムで特定されるので、不正確なテープ上に１以上の層を載置することが回避される。このため、不正確なテープ上にある全ての層を剥離又は除去する作業者への負担が低減される。また、上記のレイアップ工程に関して、複合材構造を製造するための材料費及び人件費が実質的に低減される。
【００４５】
図１０を参照すると、本明細書の態様による、ドラム１０２の表面上にテープ１１０を配置するレイアップヘッド１０４の概略図が描かれている。レイアップヘッド１０４は、ドラム１０２の表面に沿ってレイアップヘッド１０４を移動させるように構成される平行移動プラットフォームに結合される。
【００４６】
更に、レイアップヘッド１０４は、平行移動プラットフォーム１０６がレイアップヘッド１０４をドラム１０２の表面に沿って駆動するときにドラム１０２の表面上にテープ１１０を巻き付けるように構成される圧縮ローラ１１４を含む。また、圧縮ローラ１１４は、ドラム１０２の表面上にテープ１１０を配置することができ、かつドラム１０２の表面に対してテープを圧縮することができる。
【００４７】
図１０の実施形態では、レイアップヘッド１０４は、レイアップヘッド１０４のハウジング１４０内に収納される光源１１６及び撮像ユニット１１８を含む。一例では、ハウジング１４０を圧縮ローラ１１４に装着又は結合することができる。更に、光源１１６及び撮像ユニット１１８は、ドラム１０２の表面の近傍に位置決めされる。更に、光源１１６は、テープ１１０の予想される端部に対して実質的に垂直である第１の角度で光線を投射するように構成される。同様に、撮像ユニット１１８は、光線の第１の角度に対して実質的に垂直である第２の角度からドラム１０２の表面上のテープ１１０の画像を撮像するように構成される。更に、ドラム１０２の表面上のテープ１１０の配置を求めるために、撮像画像を制御装置１０８に通信することができる。一例では、光源１１６及び撮像ユニット１１８を制御装置１０８に無線通信することができる。
【００４８】
図１１を参照すると、本明細書の一実施形態又は第１の実施形態による複合材構造上の繊維テープの端部を特定するための方法を示すフローチャートが描かれている。理解し易くするために、方法１１００は、図１〜図１０の構成要素を参照して説明される。方法は、ドラム又は複合材構造１０２上に巻き付けられる繊維テープ１１０上に光線１２０が第１の角度で投射される、ステップ１１０２で開始する。その目的で、レイアップヘッド１０４上に装着される光源１１６は、レイアップヘッド１０４により繊維テープ１１０がドラム１０２の表面上に載置されるときに、繊維テープ１１０上に光線１２０を投射するために使用される。一実施形態では、光線は、予想されるテープ端部１２２に対して実質的に垂直になるように位置合わせされる。用語「ドラム」及び「複合材構造」が交換可能に使用され得ることに留意されたい。
【００４９】
次に、ステップ１１０４において、繊維テープ１１０上の光線１２０の画像が第２の角度で撮像される。詳細には、ドラム１０２の表面の近傍に位置決めされる撮像ユニット１１８は、繊維テープ１１０上に光線を有する画像を撮像するために使用される。一実施形態では、圧縮ローラ１１４は、圧縮ローラ１１４に供給されたテープ１１０の端部を示す撮像ユニット１１８に第１の信号を送信することができる。第１の信号を受信した時点で、撮像ユニット１１８は、ドラム１０２の表面上のテープ１１０の画像１２６を撮像し始めることができる。その後、撮像ユニット１１８は、制御装置１０８に撮像画像１２６を送信する。
【００５０】
更に、ステップ１１０６において、制御装置１０８は、繊維テープ１１０上の光線１２０における不連続又はずれを検出するために撮像画像を処理することができる。詳細には、制御装置１０８は、テープ１１０上の光線１２０に関連するピクセル値の強度を求めるために画像１２８を処理することができる。更に、制御装置１０８は、テープ１１０上の光線１２０に沿ってピクセル値の強度を監視することができる。光線１２０に沿ったピクセル値の強度が実質的に変化したときに、制御装置１０８は、光線１２０における不連続を検出する。
【００５１】
加えて、ステップ１１０８において、制御装置１０８は、光線１２０における検出された不連続に基づいて繊維テープ１１０の端部を特定することができる。その目的で、制御装置１０８は、光線１２０における不連続が検出された画像１２８内の位置を求めることができる。画像１２８内のこの位置は、ドラム１０２の表面上のテープ１１０の端部の位置として特定される。
【００５２】
次に、ステップ１１１０において、制御装置１０８は、繊維テープ１１０の端部がドラム１０２の表面上の所定の位置からずれているかどうかを確認することができる。繊維テープ１１０の端部１２２が所定の位置からずれている場合には、制御装置１０８は、レイアップヘッド１０４がドラム１０２の表面上に繊維テープ１１０を巻き付けるのを停止するようにレイアップヘッド１０４に第２の信号を送信することができる。その後、制御装置１０８は、ドラム１０２上にテープ１１０を配置する際の誤差を修正することができ、かつレイアップ工程を再開又は継続することができる。
【００５３】
図１２を参照すると、本明細書の別の実施形態又は第２の実施形態による複合材構造上の繊維テープの端部を特定するための方法を示すフローチャートが描かれている。理解し易くするために、方法１２００は、図１〜図１０の構成要素を参照して説明される。方法は、ドラム又は複合材構造１０２上に巻き付けられる繊維テープ１１０上に２以上の光線１２０、１２１が第１の角度で投射される、ステップ１２０２で開始する。その目的で、レイアップヘッド１０４上に装着される光源１１６は、レイアップヘッド１０４により繊維テープ１１０がドラム１０２の表面上に載置されるときに、繊維テープ１１０上に光線１２０、１２１を投射するために使用される第１の光ユニット１１７及び第２の光ユニット１１９を含む。一実施形態では、光線１２０、１２１は、予想されるテープ端部１２２に対して実質的に垂直になるように位置合わせされる。用語「ドラム」及び「複合材構造」が交換可能に使用され得ることに留意されたい。
【００５４】
次に、ステップ１２０４において、繊維テープ１１０上の光線１２０、１２１の画像が第２の角度で撮像される。詳細には、ドラム１０２の表面の近傍に位置決めされる撮像ユニット１１８は、繊維テープ１１０上に光線１２０、１２１を有する画像を撮像するために使用される。一実施形態では、圧縮ローラ１１４は、圧縮ローラ１１４に供給されたテープ１１０の端部を示す撮像ユニット１１８に第１の信号を送信することができる。第１の信号を受信した時点で、撮像ユニット１１８は、ドラム１０２の表面上のテープ１１０の画像１２７を撮像し始めることができる。その後、撮像ユニット１１８は、制御装置１０８に撮像画像１２７を送信する。
【００５５】
更に、ステップ１２０６において、制御装置１０８は、撮像画像内の２つの光線１２０、１２１における不連続に関連する複数対の点のうちから１対の点を選択するために撮像画像１２７を処理することができる。例えば、図７に描かれているように、第１の光線１２０と第２の光線１２１は、撮像画像１２７内の１対の点７０２、７０６にそれら光線の第１の線ずれを有し得る。より具体的には、第１の光線１２０は、点７０２に線ずれを有し得、その一方で、第２の光線１２１は、撮像画像内の点７０６に線ずれを有し得る。同様に、第１の光線１２０と第２の光線１２１は、撮像画像１２７内の１対の点７０４、７０８にそれら光線の第２の線ずれを有し得る。制御装置１０８は、画像１２７の更なる処理のために１対の点７０２、７０６を選択することができる。
【００５６】
加えて、ステップ１２０８において、制御装置１０８は、撮像画像内の選択された対の点を結ぶ線の角度を求めることができる。例えば、制御装置１０８は、第１の対の点７０２、７０６を線７１０で結ぶことができる。第１の対の点は、テープ端部又は縁部１２２に関連する。更に、制御装置１０８は、この線７１０の角度を求めることができる。
【００５７】
次に、ステップ１２１０において、制御装置１０８は、線の求められた角度が複合材構造上に載置された繊維テープの所定の配向と同一線上にある場合に繊維テープの端部を検出することができる。詳細には、制御装置１０８は、第１の線７１０の求められた角度がテープ１１０の予想される配向又は所定の配向と同一線上にあるか又は平行であるかどうかを確認することができる。第１の線７１０の求められた角度がテープ１１０の予想される配向又は所定の配向と同一線上にあるか又は平行である場合に、制御装置１０８は、第１の線７１０に関連する第１の対の点７０２、７０６が撮像画像１２７内の第１の位置にあるかどうかを更に確認することができる。第１の線７１０に関連する第１の対の点７０２、７０６が撮像画像１２７内の第１の位置にある場合に、制御装置１０８は、この第１の対の点７０２、７０６に関連するテープ端部１２２を現在載置されているテープ１１０の正確なテープ端部として選択することができる。さもなければ、制御装置１０８は、このテープ縁部１２２を除外又は無視することができ、かつ画像１２７内の他の端部又は縁部を確認するために他の対の点を処理することができる。
【００５８】
また、制御装置１０８は、繊維テープ１１０の端部１２２がドラム１０２の表面上の所定の位置からずれているかどうかを確認することができる。繊維テープ１１０の端部１２２が所定の位置からずれている場合には、制御装置１０８は、レイアップヘッド１０４がドラム１０２の表面上に繊維テープ１１０を巻き付けるのを停止するようにレイアップヘッド１０４に第２の信号を送信することができる。その後、制御装置１０８は、ドラム１０２上にテープ１１０を配置する際の誤差を修正することができ、かつレイアップ工程を再開又は継続することができる。
【００５９】
例示的なシステム及び方法の種々の実施形態は、複合材構造の表面上の繊維テープの端部を自動的に特定するのを補助する。このため、作業者がテープ端部を手作業で検査することが防止される。また、テープ端部がリアルタイムで特定されるので、不正確なテープ上に１以上の層を載置することが回避される。このため、不正確なテープ上にある全ての層を剥離又は除去する作業者への負担が低減される。また、上記のレイアップ工程に関して、複合材構造を製造するための材料費及び人件費が実質的に低減される。
【００６０】
本明細書では、本発明のある特徴のみを図示し説明してきたが、当業者であれば多くの修正及び変更を想到するであろう。それゆえ、添付の特許請求の範囲は、本発明の真の趣旨に含まれるような修正及び変更の全てを網羅するように意図されていることが理解されるべきである。
【符号の説明】
【００６１】
１００  複合レイアップ機
１０２  複合材構造、ドラム
１０４  レイアップヘッド
１０６  平行移動プラットフォーム
１０８  制御装置
１１０  繊維テープ
１１２  送給組立体
１１４  圧縮ローラ
１１６  光源
１１７  第１の光ユニット
１１８  撮像ユニット
１１９  第２の光ユニット
１２０  第１の光線
１２１  第２の光線
１２２  テープ端部、縁部
１２３  テープ端部
１２４  テープ
１２６  撮像画像、方向
１２７  撮像画像
１２８  画像
１３１  光線
１３２  線ずれ
１３４  表示ユニット
１３６  チャート
１３８  境界線
１４０  ハウジング
７０２  １対の点
７０４  １対の点
７０６  １対の点
７０８  １対の点
７１０  第１の線
７１２  第２の線
７１８  第２の線
【図１】
2016212091.tif 000003
【図２】
2016212091.tif 000004
【図３】
2016212091.tif 000005
【図４】
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【図５】
2016212091.tif 000007
【図６】
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【図７】
2016212091.tif 000009
【図８】
2016212091.tif 000010
【図９】
2016212091.tif 000011
【図１０】
2016212091.tif 000012
【図１１】
2016212091.tif 000013
【図１２】
2016212091.tif 000014
【外国語明細書】
2016212091000001.pdf