用于自动检查层板边界和取向的方法和系统 背景技术
本发明一般涉及分层复合材料的制造，更具体地，涉及用于自动检查层板边界和取向的方法和系统。
在一些当前的生产条件中，需要制造者使用激光模板(OLT)来检查用于复合结构的百分之百的层板位置。尽管可以使用其他大尺寸度量方法，诸如激光雷达，但是OLT是目前最有效的检查方法。使用特定结构，对于每块层板而言，这种检查过程平均花费的时间在30到90分钟之间。这些结构可以包括60到70或更多个单个层板。如可以容易理解的，该OLT检查占据了结构制造中使用的总流程时间的很大一部分，在一些情况中，该结构可以是飞机的复合机身筒。尽管这在样机制造的情况下是可以接受的，但是其在制造情况下是不可以接受的。在生产率提高的情况下，利用OLT过程来检查层板边界的任务大大地限制了生产设备的生产能力。此外，因为复合结构可以被改造，例如，加长复合机身，所以OLT在增大的表面上可能不具有以所需准确度投射的能力。
如上所述，OLT是目前检查单个层板的层板边界和层板取向的优选方法。在使用例如纤维铺放机放置每个层板后，OLT单元被索引到固化心轴并且适当层板被投射到当前正在被制造的复合结构的表面上。在投射被建立后，检查员视觉比较投射层板边界的边缘与最近被放置的复合层板的边缘。测量和重做任何有问题的区域。当工作于大结构时，诸如机身筒的整个表面，则会产生入射角问题。具体地，由于激光投射和部件表面之间入射角的限制，必须以多段(即至少6个)OLT的形式来投射整个机身层板以覆盖机身的全部周长。
如上所述，目前的OLT过程是耗时的。平均需要30个或更多个小时来检查整个机身部件的层板边界和取向，这在高效率生产环境中是不可接受的。除了目前OLT系统的生产效率限制外，也存在一些技术限制，诸如上面描述的入射角问题。当单个OLT超出其操作能力时，要么必须放宽对部件公差的要求，必须使用由度量系统增加的多个OLT，要么需要使用可替换的层板边界验证系统。目前，没有比OLT更可接受和更有成本效益的用来检查层板边界的过程。
【发明内容】
在一个方面，提供一种在多层分层部件制造期间确定自动层压机的位置放置准确性的方法。该方法包括测量坐标系统中层压机的铺放头(placement head)的位置，确定层板边缘相对铺放头的位置，基于测得的头位置将层板边缘的位置转换到一坐标系统中，将层板边缘的位置从该一坐标系统转换到与正在被制造的部件相关联的第二坐标系统中，并且比较与正在被制造的部件有关联的该第二坐标系统中实际层板边缘位置与该第二坐标系统中限定的预期层板边缘位置，以确定机器放置的准确性。
在另一个方面，提供一种自动纤维铺放(AFP)机器。该机器包括AFP头，被配置为在坐标系统内提供AFP头的位置的至少一个定位装置和视觉系统。该视觉系统被配置为当AFP头放置材料时确定纤维材料层板的边缘放置。该机器被编程为基于视觉系统相对AFP头的位置来计算层板边缘的位置，并且将该位置从与AFP头相关联的坐标系统转换到与由该机器制造的部件相关联的坐标系统中。
在又一个方面，提供一种在坐标系统内确定在部件心轴上放置的纤维材料层板的边缘的位置的方法。该方法包括：利用在坐标系统中具有已知位置的多个跟踪装置来确定与铺放头的距离；从惯性装置接收铺放头的取向；根据取向、距离和已知位置来计算铺放头的空间位置和取向；基于铺放头的位置来识别、利用视觉系统、纤维材料的边缘、视觉系统的位置；确定视觉系统相对部件心轴的取向；并且基于铺放头的位置和视觉系统的取向来计算被识别边缘的位置。
【附图说明】
图1是图示说明表面公差对激光模板投射不确定性的影响。
图2是包括心轴的层板铺放系统的图示说明，碳纤维或其他材料围绕该心轴放置。
图3是安装有视觉系统和其他组件的自动纤维铺放(AFP)头的详细视图。
图4是图示说明从AFP头坐标到心轴(部件)坐标系统转换的流程图。
【具体实施方式】
为了解决层板边界和取向检查/探伤的上述问题，利用所述方法和系统的实施例来提高生产效率，减少循环的流程时间，减少劳动时间，并且能够对复合结构的未来各种形式和变体进行层板检查/探伤，在特定实施例中，该复合结构是机身筒的复合组件。
所述实施例利用视觉系统，结合激光跟踪测量装置或其他位置测量装置以及编码器，来绘制碳纤维材料被自动纤维铺放机器放置于固化心轴(或工具)上何处。更具体地，该系统记录材料被置于工具上何处并且将其与标称的材料铺放工程数据进行比较以便指出制造公差外的铺放区域。
如上所述，目前激光模板(OLT)过程是耗时的。平均需要30个或更多个小时用来检查机身上的层板边界和取向。除了OLT系统的生产效率限制外，也存在一些技术限制，诸如上述描述的关于大结构和入射到正被制造的结构表面上的激光入射角问题。
为了进一步图示说明，图1是图示说明表面公差对来自激光模板的入射光线投射不确定性的影响。图1进一步图示说明一个OLT过程的限制和限制了在固化心轴的表面上的投射角的需要。随着表面法线和入射激光之间的角变大，与材料位置相比，与心轴形状有关的潜在误差占支配地位。可以通过限制表面法线与入射光线之间的差来减小这些误差，不过投射过程必须以其他的心轴旋转角被重复，这进一步减慢了检查过程。
图2是图示说明包括心轴52的层板铺放系统50，例如碳纤维或其他材料围绕该心轴52放置。该材料从自动纤维铺放(AFP)头54被置于心轴52上。还图示说明一个实施例的自动层板边界和取向检查系统100的某些组件。在图示说明的实施例中，三个激光跟踪仪112、114和116的激光跟踪系统100、视觉系统120、编码器130(取决于安装是线性和角度编码器)组合形成边界检查系统100。可选地，陀螺仪(在图2中未显示)和/或全球定位系统(未显示)可以被单独用来提供与AFP头54相关的位置信息或与一个或多于一个激光跟踪仪结合使用。在某些实施例中，陀螺仪和/或GPS被用来减少所需的激光跟踪仪的数目或将他们一起省去。
激光跟踪仪112、114和116每个被配置成将激光束投射到被安装在AFP头54上的镜子或隅角棱镜上以便其总是将激光束反射回其发出的位置。基本上，每个激光跟踪仪112、114和116均测量激光束被准确地投射的距离和角度。每个激光跟踪仪均提供反射点参考AFP头54的三维坐标。使用至少三个激光跟踪仪和AFP头上的三个反射点(反射镜)，可以具有反射镜所在空间内的三个点，然后计算AFP头54的位置，和其是否被旋转或上下移动。可以计算激光目标(图3所示)在空间内的位置或点，并因而可以计算AFP头54在空间内的位置或点，因为在空间内激光跟踪仪已经所处的点是已知的，并且跟踪仪已经测得了距激光目标的距离和与激光目标间的角度。
更具体地，当材料基于AFP头54的位置被放置在心轴52上时，边界检查系统100被配置为利用视觉系统120自动确定层板材料的边缘放置。通过使用AFP头54的位置信息，层板边缘位置被从AFP头54中的视觉系统120转换到正在被制造的结构的坐标系统中。该坐标系统有时被称为部件坐标系统。通过与边界检查系统100和心轴旋转位置相关联的测量器械(例如，激光跟踪系统110和陀螺仪)可获得位置信息，其中通过编码器130获得所述心轴旋转位置。
一旦层板边缘已经被转换到部件坐标系统中，则利用软件来比较标称层板边缘与利用边界检查系统100产生的点。在具体实施例中，比较被概括为通过/未通过测试或使用量化评估。量化评估被用来图形化强调被置于可接受的位置限制之外的层板所处的任何区域。该评估被实时完成或以最小的后处理时间完成。
利用上述系统，即边界检查系统100的一个结果是一种产品验收方法，该方法是在如上所述的一部分制造过程(例如，层板层)被完成后，使用相机、度量仪器(例如激光跟踪装置和陀螺仪)和在自动纤维铺放制造期间使用的分析软件，这与视觉检查激光投射不同。在使用边界检查系统100的检查和目前存在的OLT过程之间的主要差异是：当碳纤维或其他材料被应用时，系统100运行。在OLT过程中，距标称值的偏差一般通过检查器被重做，例如，在检查过程中。然而，使用此过程/工序发现的缺陷和校正的异常有时不被记录。使用自动边界检查系统100，跟踪所有层板放置是可能的。因此每种异常均可以被记录并且可以用作连续质量改进成层技术和程序的数据。在具体实施例中，缺陷和异常信息可以被反馈给AFP机器以用于实时校正，从而产生一个闭环层板放置系统。
现在参考边界检查系统100的单个组件，视觉系统120可以包括一个或一个以上相机、接近传感器(proximity sensor)和激光器，该视觉系统120被安装在自动纤维铺放机器的头54上，并且单独或结合地观察被置于心轴52上的纤维材料。视觉系统的一个输出是层板边缘相对于视觉系统本身所处何处。
测量仪器包括激光跟踪仪的一个或一个以上隅角棱器、陀螺仪和全球定位系统，该测量仪器也可以被安装在AFP机器的头上，并且被用来测量AFP头和安装在其上的视觉系统相对于与正在制造的部件相关联的心轴的位置和取向。上述编码器被用来监测部件心轴52相对于激光跟踪仪的旋转位置。边界检查系统100的单个部件的数据被用来将一组测得的点转换到与正在被制造的部件相关联的坐标系统中。例如，对于飞机机身的一部分而言，数据被转换成飞机坐标。
之后，软件程序被用来比较这些点的位置与每个层板的标称层板边界位置。标称的和观察到的层板边界之间的比较可以被实时完成，或作为后处理操作的一部分被完成。简而言之，边界检查系统100能够测量材料被放置在固化心轴52上何处，将这些测量值转换成部件坐标，并且比较这些测量值与标称的工程部件限定。
图3是自动纤维铺放(AFP)头54的一个实施例的更详细视图。如图示说明，安装到头54上的是视觉系统120、激光目标150(这里有时被称为镜子、反射装置或隅角棱镜)、上述陀螺仪152和安装在视觉系统120上或附近的多个接近传感器154。在至少一个实施例中，激光目标可以被设置在AFP头54上以便随着头54旋转并且目标被挡住，激光跟踪仪可以切换到其他目标150。
在各个实施例中，视觉系统120可操作地投射一条或多于一条激光线。在任一实施例中，投射到正在被制造的部件表面上的激光与表面法线成一入射角。表面高度的任何变化导致视觉系统120的透视的间断货或不连续。这些间断是已知的与视觉系统的位置关系。投射的激光线的间断被用来确定被铺设在旋转心轴52上的层板边缘位于视觉系统120的参考框架内何处。为了使视觉系统的参考框架与部件表面相关，当相对距离和取向可以改变时，多个相邻传感器154被用来投射激光点，在一个实施例中，这些激光点粗略地相关于视觉系统120的视场的四个角落。不严格要求有四个激光点，也不严格地要求它们位于视场的四个隅角。例如，利用在视觉系统120的视场内任何位置投射的三个或多于三个激光点的实施例可以用来限定表面平面。通过使视觉系统图像中的这些激光点的位置与这些传感器的已知投射位置和由这些传感器中的每一个读出的距离相关，可以为每个激光线的间断差值形成三维坐标位置。该相关性产生了层板边缘位置相对于AFP头54的三维坐标。
使用通过激光跟踪仪112、114和116(图2中所示)以及陀螺仪152确定的AFP头54的己知位置，层板边缘的三维位置可以被转换成与陀螺仪152相关联的坐标。为了完成该度量系统，提供一种可以测量心轴位置和旋转的装置，诸如编码器130(如图2中所示)。将旋转心轴坐标转换成与跟踪仪坐标相关联的坐标是两步过程。在第一个步骤中，使用跟踪干涉仪来测量已知旋转角度的心轴取向，在第二个步骤中，使用编码器130来测量心轴52的取向。
从AFP头坐标转换成部件坐标本质上是两步转换，从AFP头坐标转换到跟踪仪坐标以及从跟踪仪坐标转换到心轴(或部件)坐标。一种算法是随着AFP头54的位置改变和心轴52旋转来计算部件坐标。最初的心轴取向是静态参数并且是通过跟踪仪测量并被加载到该函数。因此由视觉系统120记录的测量值被转换成部件坐标。
一旦层板边缘被限定在部件坐标系统中，则进行实际位置和工程标称位置之间的直接比较。例如由一个或一个以上计算机辅助设计(CAD)文件所限定的比较测得数据与标称位置的一种方法是使用点以及垂直于部件外模线且与这些顶点相交的向量来限定层置的隅角。测得点与两个向量之间的平面进行比较。也可以使用验证层置过程的第三方软件来完成测量。
分析层板边缘在简单轮廓上相对于CAD模型的位置的软件被包括在一个实施例中。模型中层板顶点的CAD信息被使用并且与基于外模线的向量结合。通过检查测得点与两个最近的法向向量之间形成的平面之间的距离来比较层板边缘上的测得点与其标称位置。由于材料的可变压缩和心轴52的径向误差，该分析省去了分析的径向变化。
图4是通过图示说明一种从AFP头坐标到心轴(部件)坐标系统转换的方法来进一步描述系统100的操作的流程图200。
在监测或跟踪AFP头54的运动之前，测量心轴52上的参考点(步骤202)，并且确定心轴的滚动角(步骤204)。利用转换计算心轴相对于跟踪系统(激光器、陀螺仪、GPS或其任何组合)的取向(步骤206)。
在给定本体上需要至少三个点，知道其x、y、z空间位置和其i、j、k空间或旋转取向，如方框208中所示。该实施例利用图2中的三个激光跟踪仪112、114和116与其各自的隅角棱镜，其用来计算AFP头54的位置和取向。具体地，通过各自的激光跟踪仪测量每个隅角棱镜的位置(步骤210)，并且在给出隅角棱镜相对于AFP头的已知位置的情况下，计算AFP头54的x、y、z位置和其i、j、k取向(步骤212)。在可替换实施例中，在没有来自陀螺仪的读数而是有来自三个激光跟踪仪112、114和116所限定的点的读数/数据的情况下，可以计算纵摇、偏转和滚动。
在可替换实施例中，根据陀螺仪152的准确度，可以仅使用一个激光跟踪仪和陀螺仪152来计算AFP头54的位置。因此包括陀螺仪152的实施例也可以测量纵摇、偏转和滚动(步骤214)，省去对一个或两个激光跟踪仪的需要。图4的流程图200考虑了必须检查的隅角棱镜向量和跟踪仪(步骤216)，并且以更优化取向(即更小的入射角)来将跟踪仪重新指向隅角棱镜。
当为激活的隅角棱镜激光目标150校正x、y、z时(步骤218)，校正或补偿是基于入射角。应该注意到激光目标150可以是实心的隅角棱镜或万向接头的隅角棱镜。在与激光跟踪系统相关联的坐标系统中提供AFP头54的上述位置(步骤220)，并且将其转换为与在其上放置有材料的心轴52相关联的坐标(步骤222)。使用AFP头54的空间位置，和安装在AFP头54上以便提供相对于视觉系统在何处放置纤维(步骤224)的视觉系统120，这两部分信息可以用来确定纤维材料被置于空间内何处。因此，如果确定材料被置于何处，则检查和/或审核可以随机完成或可能被省去。
如上所述，并且在数据处理后，激光跟踪仪112、114和116每一个均输出一个三维坐标(一个x、y、z位置)和一个取向(一个i、j、k方向)。通过编译这些输出，可以计算AFP头54的位置。关于视觉系统120，单个相机提供纤维所处区域的二维图像。使用所述二维图像和AFP头54内的视觉系统的位置，可以计算铺放层板的边缘所处的三维坐标。
更具体地，通过使用接近传感器来确定层板边缘所处的坐标，在一个实施例中各互相传感器是小的激光距离测量装置。如上所述，在二维图像的每个隅角中均具有一个相邻传感器，则可以确定每个投射激光点到视觉系统的距离。根据四个点距离，其可以基于四个点插值计算出接近一个平面的心轴表面在何处。
为了提供进一步的解释，根据一个表面的二维图像，不能清楚看出图像中的表面是否严格地正交于视觉系统120的观察点，或是否其倾斜一个角度或倾斜一个复合角。使用上面提供的从观察点到图像的每个隅角的距离的上述信息，可以计算出表面相对于视觉系统120的角度或位置。该二维图像加上来自四个相邻传感器的距离信息被用来提供例如平面相对于视觉系统120如何取向或取向位置的信息。
在一个实施例中，平行激光线被投射穿过视觉系统视场的中心，并且被用来识别指示层板边缘的激光间断/不连续。具体地，激光束在层板边缘处间断。在所示实施例中，激光线以一个角度被投射到层板表面以便当该表面高度改变时(由于应用纤维材料的层板)，激光线间断。利用算法与视觉系统120提供的数据来确定激光线发生间断时处于数据内哪个像素位置。连同上述描述的位置确定，可以计算间断的位置，从而计算心轴52上所铺放的层板边缘的位置。
实际上，在应用纤维材料层板期间，通过视觉系统120大约每秒30次获得图像，从而无论层板被设置在什么位置，都可以建立边缘或边缘点位置的点云，其可以与标称或工程限定进行比较，以证实材料层板的边缘位置。
此处描述的与层板边界和取向自动检查系统100相关的成本节省是显著的。如上所述，仅仅检查每个机身部分的层板边界和取向需要花费大约30到40小时。通过省去生产过程中的流程时间，与自动纤维铺放相关的生产能力被显著地提高。一种可能结果是减少流程中的时间，可以省去对额外的自动纤维铺放机器和频繁换工具的需要以维持特定生产率并且降低了延迟发送制造的部件到客户的风险。此外，自动和量化检查系统，诸如此处描述的系统100，保留备有和记录的任何制造异常，这也提高了部件质量。
由于减少了进行需检查过程所需要的流程时间，所以上述自动纤维铺放部件检查的方案是对目前手动检查方法的改进。此检查系统能够使复合部件制造程序在不放开部件公差的情况下扩大生产部件的尺寸范围，因为放开部件公差通常导致重量增加和部件变型。系统100进一步可适于与AFP机器控制器一起操作，不仅检查层板所处何处，而且在操作期间通过实时反馈环路来校正AFP机器准确铺放中的任何误差。因此，系统100不仅自动地查找制造的部件中的缺陷，而且还为制造的部件减少成层层板距CAD文件中限定的层板边界的距离。
尽管根据不同具体实施例对本发明进行了描述，但是本领域的技术人员将意识到可以在权利要求的思想和范围内对本发明进行修改。