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特開2019-215327レーザー超音波を使用して構造体を検査するためのシステム及び方法
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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】特開2019-215327(P2019-215327A)
(43)【公開日】2019年12月19日
(54)【発明の名称】レーザー超音波を使用して構造体を検査するためのシステム及び方法
(51)【国際特許分類】
   G01N 29/24 20060101AFI20191122BHJP
【FI】
   G01N29/24
【審査請求】未請求
【請求項の数】15
【出願形態】OL
【外国語出願】
【全頁数】44
(21)【出願番号】特願2019-79765(P2019-79765)
(22)【出願日】2019年4月19日
(31)【優先権主張番号】15/966,563
(32)【優先日】2018年4月30日
(33)【優先権主張国】US
(71)【出願人】
【識別番号】500520743
【氏名又は名称】ザ・ボーイング・カンパニー
【氏名又は名称原語表記】The Boeing Company
(74)【代理人】
【識別番号】110002077
【氏名又は名称】園田・小林特許業務法人
(72)【発明者】
【氏名】モッツァー, ウィリアム ピー.
(72)【発明者】
【氏名】ジョージソン, ゲイリー イー.
(72)【発明者】
【氏名】ビンガム, ジル ピー.
(72)【発明者】
【氏名】ケネディ, ジェームズ シー.
(72)【発明者】
【氏名】ガーベイ, ジェフリー ジェー.
【テーマコード(参考)】
2G047
【Fターム(参考)】
2G047AA05
2G047AC05
2G047BC07
2G047CA04
2G047GA03
2G047GA06
2G047GF34
(57)【要約】      (修正有)
【課題】レーザー超音波を使用した航空機、車両などの構造体の非破壊検査方法を提供する。
【解決手段】構造体を試験するための方法は、基準フレームに対して、構造体の表面の三次元位置を特定するステップ、送信器の出力部から構造体の表面へとレーザー光を送信して、構造体内に超音波を形成して、超音波に対する反応を検出するステップ、表面の三次元位置に基づいて、送信器の出力部が、表面から一定オフセット距離に位置し、且つ、送信器の出力部から送信されたレーザー光が、一定投射角で表面へと方向付けられるように、スキャン経路に沿って、レーザー光を構造体上で移動させるステップ、及び超音波に対する反応に基づいて、構造体内に不整合が存在するか否かを判断するステップを含む。
【選択図】図2
【特許請求の範囲】
【請求項1】
レーザー超音波を使用して、構造体(200)を試験するための方法(1000)であって、
基準フレーム(118)に対して、前記構造体(200)の表面(202)の三次元位置(208)を特定することと、
送信器(108)の出力部(110)から前記構造体(200)の前記表面(202)へとレーザー光(106)を送信して、前記構造体(200)内に超音波(204)を形成して、前記超音波(204)に対する反応(206)を検出することと、
前記表面(202)の前記三次元位置(208)に基づいて、前記送信器(108)の前記出力部(110)が、前記表面(202)から一定オフセット距離(180)に位置し、且つ、前記送信器(108)の前記出力部(110)から送信された前記レーザー光(106)が、一定投射角(182)で前記表面(202)へと方向付けられるように、スキャン経路(116)に沿って、前記レーザー光(106)を前記構造体(200)上で移動させることと、
前記超音波(204)に対する前記反応(206)に基づいて、前記構造体(200)内に不整合(212)が存在するか否かを判断することと
を含む方法(1000)。
【請求項2】
前記表面(202)上の複数のポイント(222)のそれぞれが、前記基準フレーム(118)に対する対応する三次元位置(208)を有し、
前記三次元位置(208)が、前記基準フレーム(118)においてXYZ座標を含み、且つ
前記表面(202)上の前記複数のポイント(222)のうちの1つのZ座標が、前記表面(202)上の前記複数のポイント(222)のうちの別の1つのZ座標と異なる、請求項1に記載の方法(1000)。
【請求項3】
前記送信器(108)の前記出力部(110)から送信された前記レーザー光(106)を前記構造体(200)の前記表面(202)上のパターン(120)に形成することと、
前記レーザー光(106)の前記パターン(120)内に包括的に位置する、前記表面(202)上の前記複数のポイント(222)のうちの任意の2つのZ座標の差分値(256)が、閾値(254)以下であるように、前記表面(202)上に前記パターン(120)を位置付けすることと
をさらに含む、請求項2に記載の方法(1000)。
【請求項4】
前記閾値(254)が、8分の1インチ以下である、請求項3に記載の方法(1000)。
【請求項5】
前記レーザー光(106)の前記パターン(120)が、前記レーザー光(106)のライン(124)の形態である、請求項3又は4に記載の方法(1000)。
【請求項6】
前記表面(202)上の前記複数のポイント(222)のうちの第1のポイント及び前記表面(202)上の前記複数のポイント(222)のうちの第2のポイントを特定することであって、前記複数のポイント(222)のうちの前記第1のポイントと前記複数のポイント(222)のうちの前記第2のポイントとの間で延びる真っ直ぐなライン(258)に沿って包括的に位置する、前記表面(202)上の前記複数のポイント(222)のうちの任意の2つの前記基準フレーム(118)におけるZ座標の差分値(256)が、前記閾値(254)以下である、第1のポイント及び第2のポイントを特定することと、
前記レーザー光(106)の前記ライン(124)を、前記複数のポイント(222)のうちの前記第1のポイントと前記複数のポイント(222)のうちの前記第2のポイントとの間に延びる前記真っ直ぐなライン(258)と整列させることと
をさらに含む、請求項5に記載の方法(1000)。
【請求項7】
前記表面(202)上の前記複数のポイント(222)のうちの第3のポイント及び前記表面(202)上の前記複数のポイント(222)のうちの第4のポイントを特定することであって、前記複数のポイント(222)のうちの前記第3のポイントと前記複数のポイント(222)のうちの前記第4のポイントとの間で延びる第2の真っ直ぐなライン(260)に沿って包括的に位置する、前記表面(202)上の前記複数のポイント(222)のうちの任意の2つの前記基準フレーム(118)におけるZ座標の差分値(256)が、前記閾値(254)以下である、第3のポイント及び第4のポイントを特定することと、
前記複数のポイント(222)のうちの前記第1のポイントと前記複数のポイント(222)のうちの前記第2のポイントとの間で延びる前記真っ直ぐなライン(258)と、前記複数のポイント(222)のうちの前記第3のポイントと前記複数のポイント(222)のうちの前記第4のポイントとの間で延びる前記第2の真っ直ぐなライン(260)との間で、前記レーザー光(106)の前記スキャン経路(116)を選択することと、
前記スキャン経路(116)に沿って、前記表面(202)にわたって前記レーザー光(106)の前記ライン(124)を移動させることと、
前記レーザー(186)光の前記ライン(124)を、前記複数のポイント(222)のうちの前記第3のポイントと前記複数のポイント(222)のうちの前記第4のポイントとの間に延びる前記第2の真っ直ぐなライン(260)と整列させることと
をさらに含む、請求項6に記載の方法(1000)。
【請求項8】
前記構造体(200)が、航空機(1200)の補強材(214)を含み、
前記補強材(214)が、第1の軸(216)を含み、
前記複数のポイント(222)のうちの前記第1のポイントと前記複数のポイント(222)のうちの前記第2のポイントとの間で延びる前記真っ直ぐなライン(258)、及び前記複数のポイント(222)のうちの前記第3のポイントと前記複数のポイント(222)のうちの前記第4のポイントとの間に延びる前記第2の真っ直ぐなライン(260)が、それぞれ、前記補強材(214)の前記第1の軸(216)に対して平行に配向される、請求項7に記載の方法(1000)。
【請求項9】
前記レーザー光(106)の前記スキャン経路(116)が、前記補強材(214)の前記第1の軸(216)に対して垂直である、請求項8に記載の方法(1000)。
【請求項10】
前記レーザー光(106)の前記スキャン経路(116)が、前記補強材(214)の前記第1の軸(216)に対して斜めである、請求項8に記載の方法(1000)。
【請求項11】
レーザー超音波検査システム(102)であって、
レーザー光(106)を発するように構成されたレーザー源(104)、
前記レーザー源(104)と光学的に連結され、送信器(108)の出力部(110)から構造体(200)の表面(202)へと前記レーザー光(106)を送信するように構成された前記送信器(108)であって、前記レーザー光(106)が、前記構造体(200)内で超音波(204)を形成し、前記超音波(204)に対する反応(206)を検出するように構成されている、送信器(108)、
前記送信器(108)に連結され、前記送信器(108)を前記構造体(200)に対して移動させるように構成された移動機構(112)、並びに
コンピュータ(114)であって、
基準フレーム(118)に対して前記表面(202)の三次元位置(208)を特定し、
スキャン経路(116)に沿って、前記レーザー光(106)が、前記構造体(200)上を移動するように、前記移動機構(112)を制御することであって、前記表面(202)の前記三次元位置(208)に基づいて、前記送信器(108)の前記出力部(110)が、前記表面(202)から一定距離(180)に位置し、且つ、前記送信器(108)の前記出力部(110)から送信された前記レーザー光(106)が、一定投射角(182)で前記表面(202)へと方向付けられ、
前記超音波(204)に対する前記反応(206)に基づいて、前記構造体(200)内に不整合(212)が存在するか否かを判断するように構成されたコンピュータ(114)
を備えているレーザー超音波検査システム(102)。
【請求項12】
前記送信器(108)が、パターン(120)の形態で前記レーザー光(106)を前記構造体(200)の前記表面(202)上に送信するように構成され、且つ
前記レーザー光(106)の前記パターン(120)内に包括的に位置する、前記表面(202)上の複数のポイント(222)のうちの任意の2つのZ座標の差分値(256)が閾値(254)以下であるように、前記レーザー光(106)の前記パターン(120)が、前記表面(202)上に位置付けされる、請求項11に記載のレーザー超音波検査システム(102)。
【請求項13】
前記コンピュータ(114)が、
前記構造体(200)の三次元モデル(246)から前記表面(202)の三次元ポイントクラウドデータ(248)を抽出し、且つ
前記表面(202)の前記三次元ポイントクラウドデータ(248)に基づいて、前記基準フレーム(118)に対する前記表面(202)上の前記複数のポイント(222)の前記三次元位置(208)を特定するようにさらに構成されている、請求項12に記載のレーザー超音波検査システム(102)。
【請求項14】
前記構造体(200)の画像(250)を取得するように構成されたセンサー(198)をさらに備え、前記コンピュータ(114)が、前記構造体(200)の前記画像(250)から前記構造体(200)の前記三次元モデル(246)を生成するようにさらに構成されている、請求項13に記載のレーザー超音波検査システム(102)。
【請求項15】
前記表面(202)の前記三次元ポイントクラウドデータ(248)に基づいて、前記コンピュータ(114)は、前記レーザー光(106)の前記パターン(120)が前記構造体(200)の前記表面(202)にわたって移動するにつれて、前記レーザー光(106)の前記パターン(120)内に包括的に位置する、前記表面(202)上の前記複数のポイント(222)のうちの任意の2つのZ座標の差分値(256)が閾値(254)以下であるように、前記レーザー光(106)の前記スキャン経路(116)を選択するようにさらに構成されている、請求項13又は14に記載のレーザー超音波検査システム(102)。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、概して、非破壊検査に関し、より具体的には、レーザー超音波を使用した構造体の非破壊検査に関する。
【背景技術】
【0002】
航空機、車両、及び他の構造体を製造するとき、これらの構造体の形成に使用される部品の検査は、これらの部品が所望の機能及び性能のための適切なパラメータ及び特性を有するか否かを判断するために実施されることが多い。さらに、構造体及び/又は部品は、通常の保守整備の一部として検査され得る。非破壊検査は、一般的に、所望の機能のために使用される部品の能力を変更せずに、部品の特性を評価するために使用される。非破壊検査の例には、超音波検査、渦電流検査、X線検査、及び外観検査が含まれる。
【0003】
超音波試験は、複合材料から形成された航空機部品の検査を実施するために使用されることが多い。超音波検査には、被検査物を通して音響波(すなわち、音波)を伝導し、音響波に対する反応を検出することが関わる。この反応が分析されて、被検査物内に不整合が存在するかどうかが判断される。
【0004】
超音波検査は、一般的に、トランスデューサを使用して行われる。トランスデューサは、音響波を被検査物内に送信し、音響波に対する反応を検出するように構成されている。典型的に、トランスデューサを被検査物と物理的接触するように配置することによって、トランスデューサが被検査物の表面に連結される。多くの場合、水、油、水性ゲル、又は何らか他の液体のような連結媒体が、トランスデューサと被検査物との間の音響インピーダンスを減らすために使用される。しかしながら、多くの場合、トランスデューサを被検査物の表面に連結することは、困難且つ複雑であり得る。例えば、被検査物が、非一定な形状、被平坦な表面、又はその他の非平坦な特徴を有するとき、音が所望の方向に(例えば、表面に対して垂直に)被検査物に確実に入るように、トランスデューサを被検査物に連結することは、困難且つ複雑であり得る。さらに、場合によっては、連結媒体を含むことが困難且つ複雑であり得る。さらに、場合によっては、連結媒体の使用は、単純に、特定の種類の被検査物には望ましくない場合がある。
【0005】
レーザー超音波試験は、被検査物と物理的に接触することを必要とせずに、被検査物の検査を可能にすることによって、トランスデューサを被検査物に物理的に連結する困難さ及び複雑さを克服する非破壊検査の例である。典型的に、レーザー超音波試験は、被検査物内で超音波を生成するために、レーザービームを使用し、超音波への反応を検出し、被検査物に関するデータを生成するために別個のレーザービームを使用する。しかしながら、多くの場合、単一のチャネルレーザー(例えば、単一の送信レーザー及び受信レーザー)を用いて、被検査物を検査することは、実際の実装においては時間がかかり過ぎる。この問題に対処するために、レーザーのアレイが使用され得る。しかしながら、レーザー超音波試験において一般的に使用される高エネルギーレーザーのサイズ、重量、及びコストにより、レーザーのアレイの使用が非現実的になる。この問題に対処するために、低エネルギーのレーザーのアレイが使用され得る。しかしながら、特に、被検査物が非一定な形状を有するときに有用なデータを生成するために、低エネルギーレーザーを使用することは、レーザーのアレイのスキャン処理の間中、適切な整列及び隔離距離を維持することが必要となる。多くの場合、適切な整列及び隔離距離を維持することは困難であり、レーザー対部品の整列を維持するために、複雑な機械的制御システムを必要とすることがあり、レーザー超音波試験システムのスキャン速度を著しく遅くする恐れがある。
【0006】
したがって、当業者は、レーザー超音波検査の分野において研究開発の努力を継続している。
【発明の概要】
【0007】
一実施例では、レーザー超音波を使用して、構造体を試験するための開示された方法は、次のステップを含む。(1)基準フレームに対して、構造体の表面の三次元位置を特定するステップ、(2)送信器の出力部から構造体の表面へとレーザー光を送信して、構造体内に超音波を形成して、超音波に対する反応を検出するステップ、(3)表面の三次元位置に基づいて、送信器の出力部が、表面から一定オフセット距離に位置し、且つ、送信器の出力部から送信されたレーザー光が、一定投射角で表面へと方向付けられるように、スキャン経路に沿って、レーザー光を構造体上で移動させるステップ、及び(4)超音波に対する反応に基づいて、構造体内に不整合が存在するか否かを判断するステップ。
【0008】
一実施例では、開示されたレーザー超音波試験システムは、レーザー光を発するように構成されたレーザー源、及びレーザー源と光学的に連結され、送信器の出力部から構造体の表面へとレーザー光を送信するように構成された送信器を含む。レーザー光は、構造体内で超音波を形成し、超音波に対する反応を検出するように構成されている。レーザー超音波試験システムは、送信器に連結され、送信器を構造体に対して移動させるように構成された移動機構をさらに含む。レーザー超音波試験システムは、コンピュータをさらに含む。コンピュータは、基準フレームに対して表面の三次元位置を特定するように構成されている。コンピュータは、スキャン経路に沿って、レーザー光が、構造体上を移動するように、移動機構を制御するようにさらに構成されており、表面の三次元位置に基づいて、送信器の出力部は、表面から一定距離に位置し、且つ、送信器の出力部から送信されたレーザー光は、一定投射角で表面へと方向付けられる。コンピュータは、超音波に対する反応に基づいて、構造体内に不整合が存在するか否かを判断するようにさらに構成されている。
【0009】
開示されるシステム及び方法の他の実施例は、以下の詳細な説明、添付の図面、及び添付の特許請求の範囲から明確となるであろう。
【図面の簡単な説明】
【0010】
図1】航空機の実施例の概略斜視図である。
図2】試験環境の実施例の概略ブロック図である。
図3】レーザー超音波を使用して試験される構造体の実施例の概略斜視図である。
図4】試験環境の実施例の概略図である。
図5】構造体の表面上に送信されるレーザー光のパターンの実施例の概略図である。
図6】構造体の表面上に送信されるレーザー光のパターンの実施例の概略図である。
図7】レーザー超音波試験システムの実施例の一部の概略ブロック図である。
図8】構造体の表面上に送信され、構造体内に超音波を形成するレーザー光の実施例の概略図である。
図9】超音波に対する反応を検出するために、構造体の表面上に送信されるレーザー光の実施例の概略図である。
図10】レーザー超音波試験システムの実施例の一部の概略図である。
図11】レーザー超音波を使用して、構造体を試験するための方法の実施例のフロー図である。
図12】基準フレームに対する構造体の表面の三次元位置の実施例の概略図である。
図13】基準フレームに対する構造体の表面の三次元位置の実施例の概略図である。
図14】構造体の表面上に送信されるレーザー光のパターンの実施例の概略図である。
図15】構造体の表面上に送信されるレーザー光のパターンの実施例の概略図である。
図16】スキャン経路に沿って、構造体の表面上に送信されるレーザー光のパターンの実施例の概略図である。
図17】スキャン経路に沿って、構造体の表面上に送信されるレーザー光のパターンの実施例の概略図である。
図18】例示的な航空機の製造及び保守方法のフロー図である。
【発明を実施するための形態】
【0011】
下記の詳細な説明は、添付図面に言及しているが、かかる添付図面は、本開示によって説明されている具体的な実施形態及び/又は実施例を示している。種々の構造及び動作を有する他の実施形態及び/又は実施例も、本開示の範囲から逸脱するわけではない。同様の参照番号は、異なる図面における同じ特徴、要素、又は構成要素を表わし得る。
【0012】
本開示に係る主題の例示的且つ非網羅的な実施例が、以下に提供される。これらは、特許請求され得るが、必ず特許請求されるわけではない。
【0013】
図1は、航空機1200の例示的な実施例である。例示的な実施例では、航空機1200は、固定翼航空機である。航空機1200は、機体1202、複数の高レベルシステム1204、及び内部1206を含む。高レベルシステム1204の例には、推進システム1208、電気システム1210、油圧システム1212、環境システム1214、及び通信システム1216のうちの1つ又は複数が含まれる。他の実施例では、航空機1200は、任意の数の他の種類のシステムを含み得る。
【0014】
一実施例では、航空機1200は、機体1202を含む。機体1202は、胴体1218を形成する。胴体1218は、航空機1200の内部1206を画定する。内部1206は、客室及び/又は貨物室を含み得る。胴体1218は、航空機1200の本体であり、乗務員、1人以上の乗客、及び/又は貨物を保持するように構成された任意の適切な中央構造を含む。例示的な実施例では、胴体1218は、細長い、概して円筒状の胴体である。
【0015】
胴体1218は、航空機1200の前方端に機首部分1222を含み、航空機1200の後方端に尾部1224を含む。本明細書で使用される用語「前方」及び「後方」は、当業者に周知の普通の意味を有しており、航空機1200の動作の方向に対する位置を指し示す。尾部1224は、垂直安定板1226、及び少なくとも1つの水平安定板1228をさらに含む。
【0016】
航空機1200は、一対の翼1220(個別に翼1220とも呼ばれる)をさらに含む。翼1220は、各々胴体1218に連結される。翼1220は、航空機1200に浮揚を与えるように構成された任意の適切なエアフォイル構造を含む。例示的な実施例では、翼1220は、胴体1218の下方部分から延在する細長い構造体であり、テーパした平面図形の後退翼のようである。他の実施例では、翼1220は、真っ直ぐであるか、デルタ形状である。さらに他の実施例では、翼1220は、台形、一定形状、楕円形、半楕円形、又は当該技術で知られているその他の構成である。
【0017】
例示的な実施例では、推進システム1208は、例えば、パイロンによって、翼1220に取り付けられたターボファンエンジンを含む。一実施例では、各エンジンは、注入口及びノズルを含むナセル内に収容される。他の実施例では、エンジンは、胴体1218、又は、尾部1224などの他の航空機構造体に取り付けられ得る。様々な他の実施例では、推進システム1208は、より多くの又はより少ないエンジンを含んでもよく、他の種類のエンジン(例えば、ターボプロップエンジン)が使用されてもよい。
【0018】
航空機1200は、さらに様々な飛行操縦翼面を含み得る。飛行操縦翼面は、航空機1200の飛行及び空気力学的特徴を調節且つ制御するように使用される任意の空力装置を含む。飛行操縦翼面の例には、翼1220の後端に位置するフラップ、水平安定板1228の後端に位置する昇降舵、垂直安定板1226の後端に位置する方向舵、並びに先端フラップ、エルロン、及びスポイラなどの他の操縦翼面が含まれる。
【0019】
一実施例では、航空機1200には、機体1202、胴体1218、翼1220、垂直安定板1226、水平安定板1228、及び航空機1200のその他の構造体を形成する様々な構造部材が含まれる。構造部材の例には、外板パネル、縦通材(stringer)、桁(spar)、桁(rib)、及び他の種類の部品が含まれる。これらの構造部材は、様々な方法のうちの任意の1つによって共に連結される。様々な方法には、様々なファスナによる接続、共硬化、構造接合(例えば、接着接合)、又は一体成形が含まれるが、これらに限定されない。
【0020】
航空機1200は、レーザー超音波検査システムによって検査され得る複合材構造体を有する航空機の例である。例えば、複合外版パネル、複合縦通材、及び他の複合構造体は、レーザー超音波試験システムを使用して検査されてもよい。
【0021】
図2は、試験環境100の例を示す。試験環境100は、構造体200の試験のためにレーザー超音波検査システム102が使用される環境の例である。様々な実施例では、構造体200は、レーザー超音波試験システム102を使用して試験される任意の物品又は物体を含む。
【0022】
本明細書で使用される「試験(test)」、「試験する(testing)」という用語や表現、及び構造体200の試験に関連するような類似する用語は、試験対象物品を恒久的に変えたり、損傷を与えたりせずに、構造体、材料、又は構成要素の特性を検査且つ/又は評価するために使用される非破壊試験(NDT)、非破壊調査(NDE)、非破壊検査(NDI)、非破壊評価(NDE)、及びその他の分析技法を指し示す。
【0023】
一実施例では、レーザー超音波試験システム102は、レーザー源104を含む。レーザー源104は、レーザー光106を発するように構成されている。レーザー超音波試験システム102は、ここでは概して送信器108と呼ばれる送信器/受信器をさらに含む。送信器108は、レーザー源104に光学的に連結されている。送信器108は、レーザー光106を送信器108の出力部110から構造体200の表面202へと送信するように構成されている。超音波試験操作の間、レーザー光106は、送信レーザー光及び受信レーザー光の形態をとる。レーザー光106(例えば、送信レーザー光)は、構造体200内で超音波204を形成又はさもなければ生成するように構成されている。レーザー光106(例えば、受信レーザー光)は、超音波204に対する反応206を検出するように構成されている。
【0024】
レーザー超音波試験システム102は、移動機構112をさらに含む。移動機構112は、送信機108に連結されている。移動機構112は、送信機108を構造体200に対して移動させるように構成されている。
【0025】
レーザー超音波試験システム102は、コンピュータ114をさらに含む。コンピュータ114は、基準フレーム118に対して表面202の三次元位置208を特定するように構成されている。表面202の三次元位置208に基づいて、コンピュータ114は、スキャン経路116に沿って、レーザー光106が、構造体200上を移動するように、移動機構112を制御するようにさらに構成されており、送信器108の出力部110は、表面202から一定距離に位置し、且つ、送信器108の出力部110から送信されたレーザー光106は、一定投射角で表面202へと方向付けられる。コンピュータ114は、超音波204に対する反応206に基づいて、構造体200内に不整合212が存在するか否かを判断するようにさらに構成されている。
【0026】
構造体200の表面202に関連するような、本明細書で使用される用語「表面」は、当業者に周知の普通の意味を有し、超音波試験操作の間、レーザー光106が送信される構造体200の外面の任意の部分を含む。
【0027】
本明細書で使用される基準フレーム118は、試験環境100に対して定義される基準座標系である。一実施例では、基準フレーム118は、X軸、Y軸、及びZ軸によって画定される三次元デカルト座標系である。別の実施例では、基準フレーム118は、極座標系などの他の座標系を利用してもよい。
【0028】
構造体200の表面202の三次元位置208に関連するような、本明細書で使用される三次元位置は、基準フレームの座標系などの基準座標系内に位置するポイントの三次元座標によって表される。一実施例では、三次元位置208は、基準フレーム118内で表面202上のポイントのXYZ座標の形態をとる。
【0029】
本明細書で使用されている不整合212には、構造体200内の望まれないレベル若しくは多孔性、層間剥離、又は他の望まれない機能若しくは特性が含まれるが、これらに限定されない。
【0030】
構造体200は、数々の材料244を含むか、又はこれらから形成され得る。本明細書で使用する「数々の(number of)」アイテムとは、1つ又は複数のアイテムを意味する。このようにして、数々の材料244は、1つ又は複数の材料を含む。
【0031】
一実施例では、構造体200は、複合構造体であり、数々の材料244は、数々の複合材料である。言い換えると、複合構造体は、数々の複合材料を含むか、又はこれらから形成される。概して、複合構造体は、剛性且つ軽量であり、2つ以上の機能的複合材料を組み合わせることによって作られる。他の実施例では、数々の材料244は、金属材料、プラスチック材料、又はその他の適切な種類の材料をさらに含み得る。
【0032】
一実施例では、数々の複合材料には、マトリックス材料、及び補強材料が含まれる。一実施例では、マトリックス材料は、熱硬化性樹脂(例えば、エポキシ)、熱可塑性ポリマー(ポリエステル、ビニルエステル、ナイロン等)、又は他の種類のマトリックス材料の形態をとる。一実施例では、補強材料は、繊維(例えば、ガラス繊維、炭素繊維、アラミド繊維等)、又は他の種類の補強材料の形態をとる。繊維は、単方向であってもよく、又は、織布若しくは不織布或いは不織布若しくは不織物の形態をとってもよい。
【0033】
一実施例では、構造体200は、積層構造体である。積層構造体は、複数の層を含むか、又はこれらから形成される。一実施例では、複数の層のうちの1つ又は複数は、数々の複合材料を含むか、又はこれらから形成される。
【0034】
構造体200は、任意の数の形態をとり得る。一実施例では、構造体200は、航空機1200(図1)の一部(例えば、構造部材)であるか、又は航空機1200の構造体の一部である。一実施例では、構造体200は、胴体1218、翼1220、垂直安定板1226、水平安定板1228、又は航空機1200のその他の構造体などの、航空機1200の複合部分である。一実施例では、構造体200は、胴体1218、翼1220、垂直安定板1226、水平安定板1228、又は航空機1200の別の構造体(外板パネル、縦通材、桁、小骨、翼ボックス、補強材、又は他の種類の部品など)のうちの少なくとも1つを形成する1つ又は複数の複合構造部材である。
【0035】
本開示は、航空機の重量を減らすために複合構造体が航空機において有益に使用されることが認識されており、これにより、ペイロード容量及び燃料効率などの性能特徴が改善される。複合構造体は、さらに航空機の様々な構成要素の耐用年数の延長をもたらす。
【0036】
複合構造体の製造では、複合材料の層は、典型的に、ツール上に積層される。層には、シートの形態の繊維が含まれ得る。シートは、ファブリック、テープ、トウ、又は他の適切な形態をとり得る。場合によっては、樹脂は、シート内に注入されてもよく、又はシート内に予め含浸されてもよい。これらの種類のシートは、一般的にプリプレグと呼ばれる。プリプレグの種々の層が、種々の配向で積層されてもよく、製造されている複合構造体の性能要件に応じて異なる数の層が使用されてもよい。
【0037】
本開示では、複合構造体の製造中又は使用中に、複合構造体に不整合がもたらされ得ることがさらに認識されている。複合構造体を構成する層の間隔により、幾つかの位置又は幾つかの種類の不整合に対して、望むよりも複合構造体の検査がより困難な場合がある。さらに、一部の不整合は、従来の非破壊検査技法を用いても検出可能ではない場合がある。
【0038】
さらに、本開示では、非一定な形状を有する複合構造体を検査することは、望んでいるより困難であり得ることが認識されている。概して、レーザー超音波試験から正確且つ有用な情報を生成するためには、試験される物体に対するレーザービームの送信器の位置は、レーザービームが移動する距離(例えば、送信機の出力部と物体の表面との間のオフセット距離)、及び表面とのレーザービームの衝突の角度がスキャン処理の間中一定であるように、制御しなければならない。この位置制御は、レーザー超音波試験のために低エネルギーレーザーが使用されているときに特に重要である。このような位置制御は、物体の1つ又は複数の主軸に沿って表面の形状に変動が少ししかないときやまったくないときには、過度に困難であるということはない。しかしながら、物体の表面の形状が、その物体のすべての主軸に沿って変動するとき、適切な整列及び隔離距離を維持することは、望んでいるより困難である場合があり、表面に対するレーザーの配向を維持するために、各位置において複雑な機械的制御、複雑なレーザー制御、又は手動プリセットが必要となる場合がある。
【0039】
図3は、構造体200の例示的な実施例である。例示的な実施例では、構造体200は、航空機1200(図1)の補強材214(翼1220の縦通材又は桁など)、垂直安定板1226、又は水平安定板1228である。構造体200の表面202の任意の部分、又は、構造体200の表面202上の複数のポイント222(図2)のうちの任意の1つは、構造基準フレーム210に対する対応する三次元位置208を有する。
【0040】
本明細書で使用される構造基準フレーム210は、構造体200上のポイント及び構造体200に対して剛性なポイントに対して定義される基準座標系である。一実施例では、構造基準フレーム210は、X軸、Y軸、及びZ軸によって画定され、例えば、構造体200の主軸に対して整列する三次元デカルト座標系である。
【0041】
一実施例では、構造基準フレーム210は、試験環境100の基準フレーム118を形成する。一実施例では、構造基準フレーム210は、試験環境の基準フレーム118との整列のために変換される。本明細書で使用される用語「変換する(transform)」、「変換された(transformed)」、「変換(transformation)」、及び基準フレームの変換に関連するような類似する用語は、ある基準フレームが別の基準フレームと実質的に整列する、若しくは、ある座標系の直交軸が、別の座標系の直交軸と実質的に整列する三次元回転及び/又は移動を指し示す。
【0042】
一実施例では、構造体200は、その各主軸に沿って不規則な形状を有する。本明細書で使用される用語「主軸(primary axes)」は、アイテムの直交軸を指し示す。一実施例では、構造体200の主軸は、第1の軸216、第1の軸216対して垂直である第2の軸218、並びに第1の軸216及び第2の軸218に対して垂直である第3の軸220を含む。例示的な実施例では、第1の軸216は、構造体200の長さ寸法(例えば、長手方向軸)に沿って形成され、第2の軸218は、構造体200の幅寸法(例えば、横軸)に沿って形成され、第3の軸220は、構造体200の厚さ又は深さ寸法に沿って形成される。したがって、例示的な実施例では、表面202の外形輪郭又は外形形状の変化は、第3の軸220の沿った表面202の変化によって表される。
【0043】
一実施例では、構造体200の不規則な形状により、構造基準フレーム210に対する表面202の三次元位置208は、構造体200の主軸の一つ一つに沿って、構造体200の主要寸法(例えば、長さ、幅、及び厚さ)の一つ一つに沿って、変化する。言い換えると、表面202の外形形状は、構造基準フレーム210のYZ面(構造基準フレーム210のY軸及びZ軸によって画定された仮想面)から見て、且つ/又は構造基準フレーム210のXZ面(構造基準フレーム210のX軸及びZ軸によって画定された仮想面)から見て変動する。
【0044】
一実施例では、構造基準フレーム210に対する表面202の外形形状は、表面202上の複数のポイント222のそれぞれのポイントの三次元位置208によって画定される。表面202上のポイント222のそれぞれのポイントは、表面202のポイント222の任意の他のポイントとは異なる対応する三次元位置208を有する。一実施例では、ポイント222のそれぞれの三次元位置208は、構造基準フレーム210に対するXYZ座標であり、したがって、試験環境100の基準フレーム118に対するXYZ座標をさらに有する。
【0045】
例示的な実施例では、表面202上の第1のポイント224は、対応する第1の三次元位置208を有し、表面202上の第2のポイント226は、対応する第2の三次元位置208を有し、表面202上の第3のポイント228は、対応する第3の三次元位置208を有し、表面202上の第4のポイント230は、対応する第4の三次元位置208を有する、等である。第1のポイント224、第2のポイント226、第3のポイント228、及び第4のポイント230のそれぞれの対応する三次元位置208は異なる。
【0046】
より具体的には、例示的な実施例では、第1のポイント224と第2のポイント226は、同一のX座標(例えば、構造基準フレーム210のX軸に沿って同じ位置)を有する。第1のポイント224と第2のポイント226は、異なるY座標(例えば、構造基準フレーム210のY軸に沿って異なる位置)を有する。第1のポイント224、第3のポイント228、及び第4のポイント230は、同じY座標(例えば、構造基準フレーム210のY軸に沿って同じ位置)を有する。第1のポイント224、第3のポイント228、及び第4のポイント230は、異なるX座標(例えば、構造基準フレーム210のX軸に沿って同じ位置)を有する。第1のポイント224、第2のポイント226、第3のポイント228、及び第4のポイント230は、異なるZ座標(例えば、構造基準フレーム210のZ軸に沿って異なる位置)を有する。
【0047】
図4は、構造体200を試験するために開示されたレーザー超音波試験システム102が使用される試験環境100の実施例を示す。例示的な実施例では、構造体200は、航空機の一部であり、複合外版パネルなどの外板パネル232、及び複合縦通材などの補強材214を含む。一実施例では、補強材214は、外板パネル232に恒久的に連結されている。例として、補強材214は、様々な種類のファスナ(図示せず)によって、外板パネル232に連結されてもよく、補強材214は、外板パネル232と共硬化されてもよく、補強材214は、外板パネル232に構造的に接合(例えば、接着接合)されてもよく、又はこれらの組み合わせが行われてもよい。構造体200の例示的な実施例は、外板パネル232に連結された補強材214を1つしか含まないが、他の実施例では、追加の補強材214(例えば、追加の縦通材)又は他の種類の補強材214(例えば、桁)が、外板パネル232に連結されてもよい。
【0048】
移動機構112は、送信器108の出力部110から発せられたレーザー光106が、構造体200の表面202に沿ったスキャン経路116に沿って、方向付けられる(例えば、構造体200の表面202の上を又は表面202にわたって走査又は移動する)ように、構造体200に対して送信機108を移動させるか、又はさもなければ操作するように構成されている。様々な実施例では、移動機構112は、数々の異なる種類のシステムを用いて設置されてもよい。
【0049】
一実施例では、移動機構112は、ロボット122を含むか、又はロボット122の形態をとる。ロボット122は、例えば、構造体200に対して、送信器108を数々の軸の周りで移動させるように構成された走査ロボットアームであり得る。一実施例では、ロボット122は、ベース、1つ又は複数のアーム、及び様々なアームを動かすように動作可能な1つ又は複数のアクチュエータ(例えば、サーボモータ)を含む。ロボット122は、送信器108の任意の所望の範囲の回転及び/又は移動運動をもたらすことができるように、より多くの又はより少ない数のアーム及び/又は異なる種類の部材を含み得ることに留意されたい。他の実施例では、移動機構112は、ガントリーロボット、又は他の適切な種類の運動システムを含み得る。
【0050】
一実施例では、送信器108は、エンドエフェクタ128の形態をとるか、又はエンドエフェクタ128に組み込まれる。エンドエフェクタ128は、ロボット122に取り外し可能に連結される。ロボット122は、エンドエフェクタ128を構造体200に対して移動させるように構成されている。
【0051】
レーザー源104は、レーザー光106を発するように構成されている。一実施例では、レーザー超音波試験操作の第1段階では、レーザー光106は、構造体200を通して超音波を移動させるように構成されたエネルギーを有する。本明細書で使用される超音波204は、レーザー光106によって構造体200内に形成される音響波又は音波である。試験操作の第2段階では、レーザー光106は、構造体200内に音響波を生じさないように構成され、且つレーザー光106に対する反応を検出するように構成されたエネルギーを有する。この反応は、構造体200内の超音波204に対する反応を特定するために使用される情報を含む。
【0052】
一実施例では、レーザー超音波試験システム102は、検出器126をさらに含む。検出器126は、レーザーエネルギーを検出し、データ132を生成するように構成されている(図2)。一実施例では、検出器126は、数々の検出器を含む。一実施例では、検出器126は、数々の光検出器を含む。一実施例では、レーザー光106が構造体200内の超音波204に遭遇すると、レーザー光106の復路が変更され得る。検出器126は、この変更を検出するように構成されている。
【0053】
一実施例では、データ132は、構造体200に関する情報252を特定するために使用される。情報252は、構造体200の厚さ、構造体200の材料組成(例えば、材料244)、構造体200上に及び/若しくは構造体200内に任意の望ましくない不整合212が存在するか否かの表示、並びに/又は他の種類の情報を含むが、これらに限定されない。
【0054】
幾つかの実施例では、検出器126によって生成されるデータ132は、複数のデータポイントを含む。概して、データ132内に含まれる数々のデータポイントを増やすと、現在入手可能な信号処理技術を使用して、より高い信号対雑音比が実現される。一実施例では、データ132内のデータポイントの数は、レーザー光106が構造体200を走査する速度を上昇させることによって、表面202の同じ領域を複数回走査することによって、レーザー光106を表面202上でパターン又はスポットの配列に配置することによって、又はこれらの組み合わせによって、増やすことができる。
【0055】
一実施例では、レーザー源104及び検出器126は、レーザー超音波試験システム102の別個の構成要素である。一実施例では、レーザー源104及び検出器126は、レーザー超音波試験システム102の単一の構成要素として組み合わされる。一実施例では、レーザー源104及び検出器126の一方又は両方が、送信器108の一部を形成し、且つ/又はエンドエフェクタ128に組み込まれる。一実施例では、レーザー源104及び検出器126の一方又は両方が、送信器108から独立しており、且つ/又はエンドエフェクタ128から分離している。
【0056】
一実施例では、レーザー源104及び検出器126は、図4に示すように、光学通信リンク130を介して送信器108に光学的に連結されている。一実施例では、光学通信リンク130は、数々の光ファイバを含む。
【0057】
コンピュータ114は、レーザー超音波試験システム102の動作を制御するように構成されている。コンピュータ114は、レーザー超音波試験システム102によって生成されたデータ132を分析するようにさらに構成されている。一実施例では、コンピュータシステム114は、1つ又は複数のコンピュータである。1つより多くのコンピュータが存在するとき、これらのコンピュータは、ネットワークなどの通信媒体を通して相互に通信し得る。
【0058】
一実施例では、コンピュータ114は、コントローラ138(図2)(例えば、コンピュータ内に実装されたコントローラ)を含む。コントローラ138は、移動機構112(例えば、ロボット122)、レーザー源104、検出器126、及びレーザー超音波試験システム102の他の構成要素の動作を制御するように構成されている。様々な実施例では、コントローラ138は、ハードウェア、ソフトウェア、又はハードウェアとソフトウェアとの組み合わせを使用して実装される。ソフトウェアが採用される場合、実行される動作は、プロセッサによって実行されるように構成された、コンピュータ可読記憶媒体(例えば、非一過性のコンピュータ可読記憶媒体)に記憶されたプログラムコード又は指令の形態で実施され得る。ハードウェアが採用される場合、ハードウェアは、動作を実行するように動作する回路を含み得る。
【0059】
様々な実施例では、ハードウェアは、回路システム、集積回路、特定用途向け集積回路(ASIC)、プログラマブル論理デバイス、又は数々の動作を実行するよう構成された何らかの他の適切な種類のハードウェアの形態をとり得る。プログラマブル論理デバイスの場合、このデバイスは、数々の動作を実施するよう構成されている。デバイスは、後で再構成してもよく、又は、数々の動作を実行するように恒久的に構成してもよい。プログラマブル論理デバイスの実施例には、例えば、プログラマブル論理アレイ、プログラマブルアレイ論理、フィールドプログラマブル論理アレイ、フィールドプログラマブルゲートアレイ(FPGA)、及び他の適切なハードウェアデバイスが含まれる。
【0060】
一実施例では、コンピュータ114は、データ通信リンク134を介して、移動機構112、レーザー源104、検出器126と通信的に連結されている。一実施例では、データ通信リンク134は、数々の有線接続、数々の無線接続、又はこれらの組み合わせを含む。コンピュータ114は、データ通信リンク134を介して、移動機構112、レーザー源104、検出器126の動作指令を送るように構成されている。コンピュータ114は、データ通信リンク134を介して、検出器126からデータ132(図2)を受信するようにさらに構成されている。
【0061】
一実施例では、コンピュータ114は、プロセッサ(図2)をさらに含む。一実施例では、プロセッサ140は、内部メモリ142、外部メモリ(図示せず)、又はこれらの組み合わせに記憶されたプログラムコード又は指令を実行するように構成されている。プロセッサ140は、中央処理装置(CPU)、マイクロプロセッサ、デジタル信号プロセッサ(DSP)、他の適切な論理プロセッサのうちの1つ若しくは複数、又はこれらの組み合わせなどの、任意の論理処理ユニットの形態をとり得る。内部メモリ142は、読取専用メモリ(ROM)、ランダムアクセスメモリ(RAM)、固体メモリ、揮発性若しくは不揮発性の記憶デバイス、他の適切なデータ記憶部のうちの1つ若しくは複数、又はこれらの組み合わせなどの任意のデータ記憶ユニットの形態をとり得る。プロセッサ140は、送信器108によって検出された反応から、検出器126によって生成されたデータ132を分析するように構成されている。この分析は、構造体200内に数々の不整合212が存在するか否かの表示を含み得る。
【0062】
さらに、コンピュータ114は、数々の入力/出力(I/O)デバイス144(図2)をさらに含む。例えば、I/Oデバイス144には、キーパッド、キーボード、タッチセンサー式ディスプレイスクリーン、液晶ディスプレイ(LCD)スクリーン、マイクロホン、スピーカー、通信ポート、又はこれらの任意の組み合わせが含まれるが、これらに限定されない。コンピュータ114は、構造体200内に数々の不整合212が存在するか否かを示す情報を生成するように構成されている。この情報は、アラート、レポート、画像、構造体200の超音波試験に基づいた他の適切な情報、又はこれらの組み合わせなどの様々な異なる形態をとり得る。
【0063】
一実施例では、アラートは、不整合212が存在するか否かを示し得る。アラートは、コンピュータ114に連結されたディスプレイ装置に表示され得る。
【0064】
一実施例では、画像は、コンピュータ114のディスプレイ装置に表示され得る。画像は、構造体200内に不整合212が存在している場合、グラフィックインジケータを伴う構造体200の一部又は全ての画像であり得る。グラフィックインジケータは、構造体200内で不整合212が検出された位置に対応する画像内の位置に表示され得る。他の実施例では、不整合212が存在しない場合、グラフィックインジケータは、不整合212が存在しないことを示すために表示され得る。
【0065】
一実施例では、レポートは、構造体200内の任意の不整合212を特定し得る。レポートは、不整合の位置、不整合の種類、不整合の大きさ、及び他の適切な種類の情報などの他の情報も含んでもよい。
【0066】
一実施例では、移動機構112(例えば、ロボット122)の姿勢、及び送信器108(例えば、エンドエフェクタ128)の姿勢は、コンピュータ114に周知であってもよく、又はコンピュータ114によって確認可能であってもよい。送信器108の姿勢と関連するような、本明細書で使用される「姿勢(pose)」という用語は、基準フレームに対するアイテムの位置及び/又は配向のことを指す。一実施例では、移動機構112は、1つ若しくは複数のセンサ(例えば、エンコーダ、リードスイッチ、位置センサ、接触スイッチ、加速度計等)、又は、基準フレーム118に対する送信器108の現在の位置、速度、加速度、及び/若しくは配向を示す情報を感知、測定、若しくは決定するように位置付け且つ構成された他の装置を含み得る。
【0067】
一実施例では、送信器108は、送信器基準フレーム136を含む。本明細書で使用される送信器基準フレーム136は、送信器108上のポイント及び送信器108に対して剛性なポイントに対して定義される基準座標系である。一実施例では、送信器基準フレーム136は、X軸、Y軸、及びZ軸によって画定される三次元デカルト座標系である。
【0068】
一実施例では、コンピュータ114は、様々なセンサ若しくは装置から、並びに/又は、基準フレーム118に対する移動機構112の位置及び/若しくは配向を示すアクチュエータから情報を受信する。コンピュータ114は、次いで、例えば、基準フレーム118に対して送信器基準フレーム136の変換を実行することにより、基準フレーム118に対する送信器108の姿勢を演算的に決定する。
【0069】
図4及び図5を参照すると、送信器108は、パターン120の形態でレーザー光106を構造体200の表面202へと送信するように構成されている。レーザー光106のパターン120は、構造体200の表面202にレーザー光106が照射される複数の領域である。これらの領域は、円形、楕円形、四角形、斜め形状であってもよく、又は表面202へのレーザー光106の投影角度に応じた何らか他の形状を有してもよい。一実施例では、レーザー光106は、複数のレーザービームの形態をとり、レーザー光106のパターン120は、レーザービームのアレイとも呼ばれる、レーザー光106の複数のレーザービームによって形成される。一実施例では、レーザー光106は、レーザービームの複数のアレイの形態をとり、レーザー光106のパターン120は、レーザー光106のレーザービームの複数のアレイによって形成される。一実施例では、レーザービームの複数のアレイは、それぞれ、互いに整列する。一実施例では、レーザービームの複数のアレイのうちの少なくとも1つは、レーザービームのうちの複数のアレイの少なくとも別のアレイに対して、オフセットされるか、又は互い違いになる。
【0070】
図5に示す実施例では、パターン120は、レーザー光106によって形成された線状パターンに配置された複数のスポット172の形態をとる。一実施例では、複数のスポット172は、それぞれ、レーザー光106の複数のレーザービームのうちの対応するレーザービームによって形成される。
【0071】
一実施例では、複数のスポット172のうちの互いに隣接するスポットの中心間の線状距離は、約0.08インチ(80ミル又は2ミリメートル)である。複数のスポット172のこのような間隔により、0.08インチ毎に表面202上のポイントを特徴付けるデータ132の収集が可能になる。一実施例では、(例えば、複数のスポット172のうちの互いに隣接するスポットの中心間の線状距離を縮めることにより、且つ/又は、パターン120の長さにわたってスポット172の数を増やすことにより)レーザー光106の複数のレーザービームによって形成されるスポット172の密度を増加させることで、データ132内のデータポイントの数を増加させることができる。一実施例では、レーザー光106のパターン120は、構造体200のより小さな特徴を特徴付けることを可能にするため、十分な密度を有する(例えば、パターン120の長さにわたって十分な数のスポット172を有する)。一実施例では、レーザー光106の複数のレーザービームによって形成されたスポット172の密度を増大させることによって、表面202の領域を走査する必要の回数を減らし、それにより、レーザー超音波試験システム102の走査速度を増大させる。
【0072】
一実施例では、パターン120は、ライン124であるか、又はライン124の形態をとる。ライン124は、レーザー光106によって形成されたスポット172の線状配置によって画定される。一実施例では、パターン120は、真っ直ぐなラインである。言い換えると、送信器108は、真っ直ぐなラインの形態で、レーザー光106のパターン120を構造体200の表面202上に送信するように構成されている。一実施例では、ライン124は、連続的なラインである。別の実施例では、ライン124は、非連続的なラインである。
【0073】
別の実施例では、パターン120は、レーザー光106によって形成された単一のスポット172の形態をとる。
【0074】
概して、単一のポイントより、線状パターンを使用した構造体200の超音波試験は、構造体200のより迅速な試験を可能にする。
【0075】
他の実施例では、パターン120は、長方形又は他の適切な形状に相似する形状を有し得る。
【0076】
一実施例では、パターン120は、第1の(例えば、主要)線状寸法174、及び第2の(例えば、副次的)線状寸法176を有する。第1の線状寸法174は、複数のスポット172によって形成されたパターン120の長さ寸法を画定する。一実施例では、パターン120の第1の線状寸法174にわたるレーザー光106のレーザービームのアレイのスポット172の数がパターン120の密度を画定する。第2の線状寸法176は、スポット172のスポットサイズによって形成されたパターン120の幅寸法を画定する。
【0077】
一実施例では、パターン120の第1の線状寸法174は、約6インチ(152ミリメートル)以下である。一実施例では、パターン120の第1の線状寸法174は、約2インチ(50ミリメートル)以下である。一実施例では、パターン120の第1の線状寸法174は、約1インチ(25ミリメートル)以下である。
【0078】
一実施例では、パターン120を形成する各スポット172は、約5ミリメートル以下のスポットサイズを有する。したがって、一実施例では、パターン120の第2の線状寸法176は、約5ミリメートル以下である。一実施例では、パターン120を形成する各スポット172は、約1ミリメートル以下のスポットサイズを有する。したがって、一実施例では、パターン120の第2の線状寸法176は、約1ミリメートル以下である。
【0079】
図6を参照すると、移動機構112(図2)は、送信器108を操作して、スキャン経路116に沿って、例えば、矢印175(図5)の方向に、レーザー光106のパターン120を構造体200の表面202にわたって移動させて、構造体200を走査する。スキャン経路116に沿ってレーザー光106が移動する際の、構造体200の表面202上のパターン120(例えば、各スポット172)の位置は、図6の破線によって示されている。
【0080】
一実施例では、パターン120を形成するスポット172の1つ又は複数は、1つ又は複数の直接隣接するスポット172に接触するか、又は少なくとも部分的に重複し、それにより、表面202上の同じ領域が、レーザー光106のパターン120の1つより多くのスポット172によって覆われることになる。言い換えると、レーザー光106のパターン120は、連続的なラインである。一実施例では、表面202上の一部が、レーザー光106のパターン120のスポット172によって覆われないように、スポット172の1つ又は複数は、直接隣接するスポット172から離間され得る。言い換えると、レーザー光106のパターン120は、非連続的なラインである。
【0081】
図7を参照すると、一実施例では、レーザー超音波試験システム102は、超音波発生器148を含む。超音波発生器148は、第1のレーザー光156を生成且つ発するように構成されている。超音波発生器148は、レーザー源104(図2)などのレーザー源の例である。第1のレーザー光156は、レーザー光106(図2)などの、送信レーザー光又は超音波生成レーザー光の例である。一実施例では、超音波発生器148は、レーザー186を含むか、又はその形態をとる。一実施例では、レーザー186は、第1のレーザー光156を発するように構成されている。
【0082】
一実施例では、第1のレーザー光156は、コヒーレント光である。一実施例では、超音波発生器148は、コヒーレント光を生成するように構成されている。言い換えると、レーザー186は、コヒーレント光源である。一実施例では、第1のレーザー光156は、レーザビーム(コヒーレント光の集光ビーム)であるか、又はその形態をとる。一実施例では、第1のレーザー光156は、パルスレーザービームであるか、又はその形態をとる。パルスレーザービームは、レーザーエネルギーのパルスにより形成される。言い換えると、パルスレーザービームは、ビームの形態で発せられるレーザー光のパルスによって形成される。
【0083】
幾つかの実施例では、レーザー186は、レーザー発生器、レーザーダイオードのアレイ、又はコヒーレント光の何らか他の適切な源である。一実施例では、レーザー186は、低電力又は低エネルギーのファイバベースレーザー(fiber−based laser)である。一実施例では、レーザー186は、ガスレーザーである。一実施例では、レーザー186は、二酸化炭素(CO)レーザーである。一実施例では、レーザー186は、ネオジムドープされたイットリウムアルミニウムガーネット(Nd:YAG)レーザーである。
【0084】
一実施例では、超音波発生器148は、数々の第1の特性166を有する第1のレーザー光156を生成するように構成されている。第1の特性166は、それぞれ、選択範囲内の値を有する。第1の特性166のそれぞれの範囲が選択され、それにより、選択された許容誤差外で構造体200内に任意の望ましくない不整合を生じさせることなく、第1のレーザー光156が構造体200に直面したときに構造体200内で第1の超音波234が形成されるよう、第1のレーザー光156が生成される。幾つかの実施例では、第1の特性166には、第1の波長、第1のパルス繰り返し率、第1のスポットサイズ、第1のパルス幅、パルス当たりの第1のエネルギー、第1の強度、及びその他の第1の特性が含まれるが、これらに限定されない。
【0085】
一実施例では、レーザー超音波試験システム102は、受信器150を含む。超音波受信器150は、第2のレーザー光158を生成且つ発するように構成されている。超音波受信器150は、レーザー源104及び検出器126(図2)など、レーザー源と検出器との組み合わせの例である。第2のレーザー光158は、レーザー光106(図2)などの、受信レーザー光又は超音波検出レーザー光の例である。一実施例では、超音波受信器150は、干渉計164を含むか、又はその形態をとる。一実施例では、干渉計164は、第2のレーザー光158を発するように構成されている。
【0086】
一実施例では、第2のレーザー光158は、コヒーレント光である。一実施例では、超音波受信器150は、コヒーレント光を生成するように構成されている。言い換えると、干渉計164は、コヒーレント光源である。一実施例では、第2のレーザー光158は、レーザビーム(コヒーレント光の集光ビーム)であるか、又はその形態をとる。一実施例では、第2のレーザー光158は、パルスレーザービームであるか、又はその形態をとる。パルスレーザービームは、レーザーエネルギーのパルスにより形成される。言い換えると、パルスレーザービームは、ビームの形態で発せられるレーザー光のパルスによって形成される。
【0087】
幾つかの実施例では、干渉計164は、レーザー発生器、レーザーダイオードのアレイ、又はコヒーレント光の何らか他の適切な源を含む。一実施例では、干渉計164は、低電力又は低エネルギーのファイバベースレーザー(fiber−based laser)である。一実施例では、干渉計164は、ガスレーザーを含む。一実施例では、干渉計164は、ネオジムドープされたイットリウムアルミニウムガーネット(Nd:YAG)レーザーを含む。
【0088】
一実施例では、超音波受信器150は、数々の第2の特性168を有する第2のレーザー光158を生成するように構成されている。第2の特性168は、それぞれ、選択範囲内の値を有する。第2の特性168のそれぞれの範囲が選択され、それにより、第2のレーザー光158が構造体200に直面したときに構造体200内で超音波が形成されないよう、第2のレーザー光158が生成される。幾つかの実施例では、第2の特性168には、第2の波長、第2のパルス繰り返し率、第2のスポットサイズ、第2のパルス幅、パルス当たりの第2のエネルギー、第2の強度、及びその他の第2の特性が含まれるが、これらに限定されない。
【0089】
幾つかの実施例では、第1のレーザー光156の第1の特性166、及び第2のレーザー光158の第2の特性168の少なくとも一部は異なる。
【0090】
一実施例では、レーザー光106の波長は、構造体200を形成する材料244、構造体200の厚さ、及びその他の適切な要因に基づいて選択され得る。一実施例では、第1のレーザー光156が構造体200の表面202に送信されるときに、第1のレーザー光156からのエネルギーの吸収が増大するよう、波長が第1のレーザー光156に対して選択され得る。例えば、構造体200が1つ又は複数の複合材料から形成されると、第1のレーザー光156に対して選択される波長は、約300ミリメートルから約30000ミリメートルであり得る。
【0091】
パルス繰返し率は、パルスレーザービームを形成するためにレーザーエネルギーのパルスが発せられる率である。パルス繰返し率は、周波数の観点から説明され得る。一実施例では、超音波発生器148は、パルスレーザービームが約10、000ヘルツ(Hz)から約500、000ヘルツ(Hz)の間のパルス繰り返し率を有するように、パルスレーザービームを生成するように構成されている。この範囲内のパルス繰返し率は、高いと見なされ得る。一実施例では、パルス繰返し率の選択範囲は、パルスレーザービームが構造体200に沿って移動する率を選択された許容誤差内に収めることを可能にするためにパルス繰返し率が十分に高くなるよう、選択される。具体的には、高い値のパルス繰返し率によって、パルスレーザービームが構造体200を走査する率を同様に高くすることが可能になる。言い換えると、パルス繰返し率が上昇するにつれて、走査速度も加速し得る。
【0092】
スポットサイズは、パルスレーザービームなどのレーザー光106によって照射された構造体200の表面上の領域のサイズである。一実施例では、レーザー超音波試験システム102は、スポットサイズが約1ミリメートル未満であるように、パルスレーザービームの形態などでレーザー光106を生成するように構成されている。
【0093】
一実施例では、第1の超音波234のための所望の周波数を生成するために、第1のレーザー光156についてパルス幅、又はパルス長さが選択され得る。一実施例では、第1の超音波234を形成するために使用される第1のレーザー光156について、約1ナノ秒から約200ナノ秒のパルス幅が選択され得る。一実施例では、第1の反応236における第2の超音波238を検出するために使用される第2のレーザー光158について、約50マイクロ秒から約100マイクロ秒のパルス幅が選択され得る。概して、超音波の超音波パルスが構造体200を通して完全に往復するのに十分に長い時間で第1のレーザー光156が表面202を照射するように、第1のレーザー光156のパルス幅は選択される。
【0094】
パルス毎のエネルギーは、レーザー光106を形成するレーザーエネルギーの各パルス内に含まれるエネルギー量であり得る。一実施例では、選択された許容誤差外で構造体200内に数々の不整合を生じさせることなく、各パルスが、構造体200内で第1の超音波234を形成することを可能にするよう選択された範囲内にあるように、パルスレーザービームなどの第1のレーザー光156が生成される。一実施例では、超音波発生器148は、パルス毎のエネルギーが約1マイクロジュールから約10、000マイクロジュールの範囲内にあるように、パルスレーザービームなどの第1のレーザー光156を生成するように構成されている。
【0095】
一実施例では、構造体200の表面202に遭遇する第1のレーザー光156によって構造体200に送信されることが望ましいエネルギー量に基づいて、強度が選択され得る。第1のレーザー光156が構造体200の表面202に送信されるときに、所望のレベルの第1の超音波234をもたらすために、第1のレーザー光156について強度が選択され得る。強度は、構造体200の表面202の損傷を低減又は回避するために、第1のレーザー光156及び第2のレーザー光158について選択され得る。パルス長さ及びスポットサイズについて選択される値に応じて、強度はさらに変動し得る。
【0096】
幾つかの実施例では、スポットサイズとパルス毎のエネルギーとの組み合わせは、所望の範囲内の光学フルエンスを生成するために使用され得る。本明細書で使用される用語「フルエンス(fluence)」は、単位面積を介して伝送されるエネルギーのことを指す。一実施例では、パルスレーザービームなどのレーザー光106は、パルス範囲毎の光学フルエンスが、平方センチメートル当たり約0.1ミリジュールから平方センチメートル当たり約1000ミリジュールとの間の範囲であるように、生成され得る。パルス毎の光学フルエンスについて選択されたこの範囲内の値は、パルスレーザービームが、選択された許容誤差外で複合構造200の上及び/又はその中に任意の不整合性を生じさせないように、選択され得る。
【0097】
幾つかの実施例では、走査されている表面202の対応領域の上のスポット172の数を増やす(例えば、パターン120の強度を上昇させる)ことによって、レーザー光106が構造体200を走査する速度を上昇させることができる。結果的に、レーザー光106がより密度の高いパターン120及びより高い繰返し率を有するときに生成されるデータ132は、レーザー光106がより密度の低いパターン120及びより低い繰返し率を有するときに比べて、より高い信号対雑音比を有し得る。概して、より高いパルス繰返し率によって、表面202上のポイント又は領域がレーザー光106によって照射される回数が増える。表面202上の同じポイント又は領域上のレーザー光106の複数のポイントからの反応のデータポイントは、平均化されて、より高い信号対雑音比を有し得る。
【0098】
第1の特性166及び/又は第2の特性168について、特定の値が指定されているが、これらの値は、例示のために提示されており、使用される可能性のある他の値を制限することを意図していない。第1の特性166及び/又は第2の特性168の選択は、対応する光源、構造体200内の材料、及び他の要因に応じて変わり得る。
【0099】
一実施例では、超音波発生器148は、送信器108に光学的に連結されている。送信器108は、第1のレーザー光156を第1のパターン160の形態で送信器108の出力部110から構造体200の表面202へと送信するように構成されている。第1のレーザー光156の第1のパターン160は、第1のレーザー光156が表面202上に照射される複数の領域である。第1のパターン160は、パターン120(図2)の例である。一実施例では、第1のパターン160は、ライン124(図2)の形態をとる。
【0100】
一実施例では、超音波受信器150は、送信器108に光学的に連結されている。送信器108は、第2のレーザー光158を第2のパターン162の形態で送信器108の出力部110から構造体200の表面202へと送信するように構成されている。第2のレーザー光158の第2のパターン162は、第2のレーザー光158が表面202上に照射される複数の領域である。第2のパターン162は、パターン120(図2)の例である。一実施例では、第2のパターン162は、ライン124(図2)の形態をとる。
【0101】
幾つかの実施例では、第2のレーザー光158の第2のパターン162は、第1のレーザー光156の第1のパターン160と実質的に整列する。一実施例では、第1のレーザー光156のライン124及び第2のレーザー光158のライン124は、実質的に整列し、且つ/又は、構造体200の表面202上の実質的に同じ領域をカバーする。
【0102】
図8を参照すると、一実施例では、第1のレーザー光156が構造体200に直面するとき、第1のレーザー光156は、構造体200内で第1の超音波234を生成、形成、又はさもなければ引き起こすように構成されている。言い換えると、第1のレーザー光156が構造体200の表面202に送信されるとき、第1の超音波234が生じ得る。第1のレーザー光156内のエネルギーは、構造体200内に熱弾性膨張を引き起こす。熱弾性膨張により、結果として構造体200内に第1の超音波234が生じる。第1の超音波234は、超音波204(図2)の例である。
【0103】
一実施例では、第1の超音波234は、例えば、特定の実装形態に応じて、約20キロヘルツ(kHz)から約10メガヘルツ(MHz)の周波数を有する。例えば、第1の超音波234の周波数は、構造体200の形成に使用される材料244(図2)、レーザー励起のパルス幅、及び他の適切な要因に依存し得る。
【0104】
図9を参照すると、一実施例では、第1の超音波234は、第1の反応236を生成するように構成されている。言い換えると、第1の反応236は、第1の超音波234によって生成されるフィードバックである。一実施例では、第1の反応236は、構造体200内を移動する第1の音響波234(図8)に対する散乱、反射、変調、及び他の変化の結果として生じる第2の超音波238を含む。言い換えると、第1の反応236は、第1の超音波234に対する反応として生じる第2の超音波238から形成される。第2の超音波238は、超音波204(図2)の例である。第1の反応236は、反応206(図2)の例である。
【0105】
一実施例では、第1の反応236は、第2のレーザー光158を構造体200の表面202に送信し、第2のレーザー光158に対する第2の反応240を検出することによって、検出される。一実施例では、第2の反応240は、第1の反応236によって検出された第3のレーザー光242である。第3のレーザー光242は、表面202から反射される第2のレーザー光158の一部である。例えば、構造体200内を移動する第1の超音波234によって引き起こされる第2の超音波238(例えば、第1の反応236)は、構造体200の表面202に達し、表面202上に機械的振動を生成又は形成する。この機械的振動が検出される。第2の反応240は、反応206(図2)の例である。
【0106】
一実施例では、第1の反応236は、超音波受信器150を使用して検出される。超音波受信器150は、第2のレーザー光158(例えば、基準レーザー光)を送信して、表面202上の機械的振動を第2の反応240として検出する一実施例では、超音波受信器150は、第2の反応240を検出すると、データ132をコンピュータ114(図2)に送信する。コンピュータ114は、データ132を使用して、不整合212が構造体200内に存在するか否かを示す情報を生成する。
【0107】
例示的な実施例では、レーザー超音波試験システム102は、構造体200の表面202が変動的な外形形状を有する構造体200の部分を試験するために使用される。レーザー超音波試験システム102は、非平坦な特徴が存在する構造体200の部分を試験するためにも使用される。非平坦な特徴には、半径部、端部、溝、及びその他の非平坦な特徴のうちの少なくとも1つが含まれ得るが、これらに限定されない。
【0108】
図8及び図9に示すように、レーザー超音波試験操作の間、送信器108の出力部110は、構造体200の表面202に対して所定のオフセット距離に位置付けされる。第1のレーザー光156及び第2のレーザー光158が、スキャン経路116(図2)に沿って、構造体200の表面202にわたって移動する際に、送信器108の出力部110は、表面202に対して実質的に一定なオフセット距離180において維持される。
【0109】
一実施例では、オフセット距離180は、構造体200の表面202と送信器108の出力部110との間の直線状距離のことを指す。言い換えると、オフセット距離180は、許容可能な誤差内でレーザー光106が送信器108から表面202へと移動する距離を表す。一実施例では、送信器108の出力部110と構造体200の表面202との間のオフセット距離180は、約9ミリメートルから約11ミリメートルの間である。一実施形態では、オフセット距離180は、約10ミリメートルである。特定の実装形態に応じて送信器108の出力部110を位置付けするとき、他のオフセット距離180が使用されてもよい。第1のレーザー光156及び第2のレーザー光158が、スキャン経路116(図2)に沿って、構造体200の表面202にわたって移動する際に、送信器108の出力部110は、構造体200の表面202に対して実質的に一定なオフセット距離180において維持される。
【0110】
レーザー超音波試験操作の間、送信器108の出力部110からの第1のレーザー光156及び第2のレーザー光158のそれぞれの送信は、基準フレーム(試験環境100の基準フレーム118、送信器基準フレーム136、又は構造基準フレーム210など)に対して所定の投射角182で配向される。第1のレーザー光156及び第2のレーザー光158が、スキャン経路116(図2)に沿って、構造体200の表面202にわたって移動する際に、第1のレーザー光156及び第2のレーザー光158は、それぞれ、対応する基準フレームに対して実質的に一定な投射角182に維持される。
【0111】
本明細書で使用される投射角182とは、対応する基準フレームに対するレーザー光106(例えば、第1のレーザー光156及び第2のレーザー光158)の角度配向のことを指す。これにより、許容可能な誤差内でレーザー光106と構造体200の表面202との間の、所望の衝突の角度184が実現する。一実施例では、衝突の角度184は、約88度から約92度の間である。一実施形態では、衝突の角度184は、約90度である。
【0112】
図10を参照すると、一実施例では、送信器108は、送信器ハウジング146をさらに含む。一実施例では、送信器ハウジング146は、フレーム又は何らか他の種類の物理的構造体を含む。送信器ハウジング146は、図10では破線で示されている。一実施例では、送信器ハウジング146は、エンドエフェクタ128の形態をとり、ロボット122(図4)に連結されるように構成されている。
【0113】
例示的な実施例では、超音波発生器148及び超音波受信器150は、送信器108に関連付けられる。超音波発生器148は、レーザー光106(例えば、第1のレーザー光156)を送信器108に光学的に送信するように構成されている。超音波受信器150は、レーザー光106(例えば、第2のレーザー光158)を送信器108に光学的に送信するように構成されている。超音波受信器150は、超音波204に対する反応206(図2)を検出するようにさらに構成されている。
【0114】
一実施例では、レーザー超音波試験システム102は、光ファイバ152の第1のアレイを含む。光ファイバ152の第1のアレイは、アレイ状に配置された複数の光ファイバを含む。光ファイバ152の第1のアレイの光ファイバは、光ファイバ内で光を運ぶように構成された任意の種類の光ファイバを使用して実装され得る。任意の数の光ファイバ及び/又は他の種類のアレイが、光ファイバ152の第1のアレイのために使用されてもよい。
【0115】
光ファイバ152の第1のアレイは、超音波発生器148と送信器108を共に光学的に連結する。光ファイバ152の第1のアレイは、超音波発生器148から第1のレーザー光156を受信し、第1のレーザー光156を第1のパターン160の形態で送信器108の出力部110から構造体200の表面202に送信するように構成されている。光ファイバ152の第1のアレイからの第1のレーザー光156は、構造体200内で励起を引き起こすように構成されている。言い換えると、光ファイバ152の第1のアレイからの第1のレーザー光156は、構造体200内で第1の超音波234を生成するように構成されている。
【0116】
一実施例では、レーザー超音波試験システム102は、光ファイバ154の第2のアレイを含む。光ファイバ154の第2のアレイは、アレイ状に配置された複数の光ファイバを含む。光ファイバ154の第2のアレイの光ファイバは、光ファイバ内で光を運ぶように構成された任意の種類の光ファイバを使用して実装され得る。任意の数の光ファイバ及び/又は他の種類のアレイが、光ファイバ154の第2のアレイのために使用されてもよい。
【0117】
光ファイバ154の第2のアレイは、超音波受信器150と送信器108を共に光学的に連結する。光ファイバ154の第2のアレイは、超音波受信器150から第2のレーザー光158を受信し、第2のレーザー光158を第2のパターン162の形態で送信器108の出力部110から構造体200の表面202に送信するように構成されている。光ファイバ154の第2のアレイは、第2のレーザー光158に対する第2の反応240(図9)を受信(例えば、検出)するように構成されている。第2のレーザー光158は、構造体200の内部で超音波を生成するように構成されていない。その代わり、第2のレーザー光158は、光ファイバ154の第2のアレイに戻り反射して且つ第2のアレイに受信される第2のレーザー光158の一部(例えば、第3のレーザー光178)が、構造体200の表面202に達する第1の反応236内の第2の超音波238によって影響され得るように、構造体200の表面202、構造体200の表面202の周囲の空気、又はその両方に対して反射、散乱、又は相互作用するように構成されている。
【0118】
幾つかの実施例では、表面202に送信される第1のパターン160と第2のパターン162との間の時間に重複が存在する。この重複により、光ファイバ154の第2のアレイは、同時に又は第1の超音波234を生成する前に、第1の反応236をモニターするために使用され得る。
【0119】
他の実施例では、光ファイバ152の第1のアレイ内の各光ファイバは、同時にではなく、連続的に第1のレーザー光156を送信し得る。さらに、光ファイバ152の第1のアレイ内の光ファイバのグループが、第1のレーザー光156を連続的に送信し得る。第2のレーザー光158は、光ファイバ154の第2のアレイと似たような態様で送信され得る。他の実施例では、第1のレーザー光156及び第2のレーザー光158は、種々の相、波長、又はその両方を用いて送信されてもよい。
【0120】
幾つかの実施例では、遅延線及び遅延回路などの機構が、超音波発生器148及び/又は超音波受信器150内のレーザー光源を分離する。これらの機構は、光ファイバ152の第1のアレイ内の第1のレーザー光156及び光ファイバ154の第2のアレイ内の第2のレーザー光158が、ある光ファイバから出て、別の光ファイバに入るような結果をもたらす、光ファイバ内のクロストークを減少させることができる。言い換えると、光ファイバ152の第1のアレイ及び光ファイバ154の第2のアレイの中の光ファイバ間のクロストークを減少するために、種々の相、波長、タイミング、又はこれらの何らかの組み合わせが使用されてもよい。
【0121】
一実施例では、送信器108は、数々の光学素子170をさらに含む。光学素子170は、第1のレーザー光156及び第2のレーザー光158の送信を送信器108の出力部110から構造体200の表面202へと方向付け且つ/又は修正するように構成されている。さらに、光学素子170は、第2の反応240(例えば、第3のレーザー光178)を光ファイバ154の第2のアレイにさらに方向付け得る。幾つかの実施例では、光学素子170は、レンズ、ミラー、回折光学素子、偏光子、波長板、周期分極ニオブ酸リチウム結晶(periodically−poled Lithium niobate crystal)、又はその他の適切な光学素子のうちの少なくとも1つを含む。
【0122】
一実施例では、光学素子170は、光ファイバ152の第1のアレイから送信されて第1のパターン160を形成する第1のレーザー光156を成形するように構成されている。同様に、光学素子170は、光ファイバ154の第2のアレイから送信されて第2のパターン162を形成する第2のレーザー光158を成形するように構成されている。幾つかの実施例では、光学素子170は、第1のレーザー光156及び/又は第2のレーザー光158の偏向、第1のレーザー光156及び/又は第2のレーザー光158の色、並びに第1のレーザー光156及び/又は第2のレーザー光158のその他のパラメータを変更するように使用され得る。
【0123】
一実施例では、光学素子170は、シリンダレンズ188を含む。シリンダレンズ188は、光ファイバ152の第1のアレイによって送信された第1のレーザー光156に、線形状のビームを形成させるように構成されている。言い換えると、シリンダレンズ188は、第1のレーザー光156を成形するように構成されている。一実施例では、シリンダレンズ188は、第1のレーザー光156に、構造体200の表面202上の第1のパターン160を連続的な線として形成させるように構成されている。一実施例では、シリンダレンズ188は、第1のレーザー光156の第1のパターン160に、ガウシアンプロファイル(Gaussian profile)を伴う強度をもたせるように機能し得る。一実施例では、ガウシアンプロファイルは、構造体200の表面202上の平面に対するX及びY方向にある。
【0124】
一実施例では、第1のパターン160が構造体200の表面202上の個々の領域のパターンを照射するように、光ファイバ152の第1のアレイは離間される。一実施例では、光ファイバ152の第1のアレイ及び/又は光学素子170は、送信器108の出力部110から、第1のレーザー光156を、パルスレーザービームの第1のアレイなどのレーザービームの第1のアレイとして送信するように構成されている。
【0125】
一実施例では、第1のパターン160は、ライン124(図4)の形態をとる。一実施例では、第1のパターン160は、構造体200の表面202上のレーザービームの公差又は重複から形成される。
【0126】
一実施例では、第2のパターン162が構造体200の表面202上の個々の領域のパターンを照射するように、光ファイバ154の第2のアレイは離間される。一実施例では、光ファイバ154の第2のアレイ及び/又は光学素子170は、送信器108の出力部110から、第2のレーザー光158を、パルスレーザービームの第2のアレイなどのレーザービームの第2のアレイとして送信するように構成されている。
【0127】
一実施例では、第2のパターン162は、ライン124(図4)の形態をとる。一実施例では、第2のパターン162は、構造体200の表面202上のレーザービームの第2のアレイの公差又は重複から形成される。
【0128】
一実施例では、光学素子170は、数々のミラー190を含む。ミラーは、第1のレーザー光156のレーザービームの第1のアレイ及び/又は第2のレーザー光158のレーザービームの第2のアレイが構造体200の表面202に達するために移動する方向を扱うように構成されている。ミラー190は、第2の反応240の第3のレーザー光178が移動する方向を制御するようにさらに構成されている。
【0129】
一実施例では、光ファイバ152の第1のアレイの光ファイバは、ファイバ束192を形成するために、グループ化されて覆われてもよい。一実施例では、ファイバ束192の端は、コリメータ194に光学的に連結されている。一実施例では、コリメータ194は、レーザー186に光学的に連結されている。一実施例では、第1のレーザー光156は、コリメータ194を通して送信される。コリメータ194は、第1のレーザー光156をコヒーレントにするように構成されている。
【0130】
別の実施例では、超音波発生器148は、数々のコリメータ194を含む。一実施例では、光ファイバ152の第1のアレイの光ファイバは、それぞれ、複数のコリメータ194のうちの対応するものに光学的に連結されている。
【0131】
一実施例では、干渉計164は、ハードウェアデバイスであり、第2の反応240(図9)を形成する第3のレーザー光178から情報を特定するように構成されている。一実施例では、干渉計164は、数々の干渉計を含み得る。干渉計164によって特定された情報には、例えば、変位、偏向、表面流速、及び第2の反応240内の第3のレーザー光178を受信する光ファイバ154の第2のアレイによって検出される第2の反応240の特定に使用され得るその他の情報が含まれ得る。
【0132】
一実施例では、超音波受信器150は、数々のコリメータ196をさらに含む。一実施例では、光ファイバ154の第2のアレイの光ファイバは、それぞれ、複数のコリメータ196のうちの対応するものに光学的に連結されている。一実施例では、コリメータ196は、様々な異なる種類のコリメータを使用して設置されてもよい。例えば、コリメータ196は、非球面レンズコリメータ、球面レンズコリメータ、グリンレンズコリメータ(grin lens collimator)、又は何らか他の適切な種類のコリメータのうちの少なくとも1つから選択されてもよい。コリメータ196は、第2のレーザー光158をコヒーレントにするように構成されている。
【0133】
一実施例では、第2の反応240内の第3のレーザー光242は、光ファイバ154の第2のアレイの一端で受信又は検出され、光ファイバ154の第2のアレイを通して、第2のレーザー光158の送信と反対方向に送信される。一実施例では、光ファイバ154の第2のアレイの反対側の端が干渉計164に連結される。この実施例では、干渉計164は、第2のレーザー光158の源であり、第2の反応240を受信する。
【0134】
本開示では、レーザー光106が、スキャン経路116に沿って、構造体200の表面202にわたって移動するにつれて、レーザー光106の実質的に一定なオフセット距離180及び投射角182を維持するためには、表面202の外形形状、及び/又は、基準フレーム118に対する表面202の三次元位置208を把握することが必要であると認識されている。
【0135】
再び図2を参照すると、一実施例では、コンピュータ114は、三次元ポイントクラウドデータ248を利用して、構造体200の表面202上の複数のポイント222の三次元位置208を特定するように構成されている。一実施例では、表面202上の複数のポイント222の三次元位置208は、構造基準フレーム210に対して特定される。一実施例では、コンピュータ114は、表面202上の複数のポイント222の三次元位置208を、基準フレーム118に対して位置付けするようにさらに構成されている。一実施例では、コンピュータ114は、例えば、指令の実行又はソフトウェアツールの実装によって、構造基準フレーム210に対して変換操作を行うように構成されており、それにより、構造基準フレーム210は基準フレーム118と整列し、表面202上の複数のポイント222の三次元位置208は基準フレーム118に対して位置付けされる。
【0136】
様々な実施例では、構造体200の表面202を表す三次元ポイントクラウドデータ248は、様々な方法のうちの任意の1つによって生成される。一実施例では、コンピュータ114は、構造体200の三次元モデル246から構造体200の表面202を表す三次元ポイントクラウドデータ248を抽出するように構成されている。一実施例では、表面202の三次元ポイントクラウドデータ248に基づいて、コンピュータ114は、基準フレーム118に対して表面202上の複数のポイント222の三次元位置208を判断するようにさらに構成されている。
【0137】
様々な実施例では、構造体200の三次元モデル246は、様々な異なる方法のうちの任意の1つによって生成される。一実施例では、三次元モデル246は、コンピュータ支援設計(CAD)ツール又はコンピュータ(コンピュータ114のプロセッサ140又は別のコンピュータシステムなど)に実装されたソフトウェアを使用して生成される。
【0138】
一実施例では、三次元モデル246は、数々の画像250を使用して生成される。様々な実施例では、構造体200の画像250は、様々な異なる方法のうちの任意の1つによって生成される。一実施例では、レーザー超音波試験システム102は、構造体200の画像250を取得するように構成されている。一実施例では、画像250は、超音波試験操作の開始前に取得される。一実施例では、例えば、構造体200を走査するために、レーザー光106が表面202にわたって移動するにつれて、超音波試験操作の実行中に画像250が取得される。
【0139】
一実施例では、レーザー超音波試験システム102は、センサ198を含む。センサ198は、構造体200の画像250を取得するように構成されている。一実施例では、コンピュータ114は、構造体200の画像250から構造体200の三次元モデル246を生成するように構成されている。別の実施例では、コンピュータ114は、例えば、指令の実行又はソフトウェアツールの実装によって、構造体200の表面202を表す三次元ポイントクラウドデータ248を構造体200の画像250から直接抽出するように構成されている。
【0140】
一実施例では、センサ198は、センサハウジングを含む。センサハウジングは、フレーム又は何らか他の種類の物理的構造体を含む。一実施例では、センサ198は、エンドエフェクタ128の一部の形態をとり、又はさもなければ、送信器108又はロボット122(図4)に連結されるように構成されている。
【0141】
センサ198は、様々な種類の画像取得システムのうちの任意の1つを含む。一実施例では、センサ198は、ステレオビジョンシステムの一種を含むか、又はその形態をとる。一実施例では、センサ198は、構造化光システムの一種を含むか、又はその形態をとる。一実施例では、センサ198は、三次元レーザースキャナー又は他の種類のレーザー測定システムを含むか、又はその形態をとる。
【0142】
一実施例では、センサ198は、数々のカメラを含む。一実施例では、数々のカメラは、数々の二次元画像の形態で画像250を取得するように構成されている。
【0143】
一実施例では、センサ198は、数々の光源を含む。数々の光源は、構造体200の表面202の一部を照射するように構成されている。一実施例では、数々の光源は、構造化された光を構造体200の表面202に送信するように構成されている。数々のカメラは、表面202及び表面202から反射した構造化された光の数々の画像250を取得するように構成されている。
【0144】
一実施例では、コンピュータ114のプロセッサ140は、例えば、指令の実行又はソフトウェアツールの実装によって、数々の画像250を受信し、1つ又は複数の画像処理操作に基づいて、構造体200の表面202の外形形状の変化を判断するように構成されている。一実施例では、画像処理操作は、コンピュータ(コンピュータ114のプロセッサ140又は別のコンピュータシステムなど)に実装されたソフトウェアツールを使用して実行される。
【0145】
構造体200の表面202の外形形状を判断することは、任意の他の適切な光学手段によって達成され得る。一実施例では、センサ198は、三次元空間で表面202の複数のポイント222を測定するポイントクラウド法を使用するレーザー測定装置を含むか、又はその形態をとる。構造体200の表面202の三次元位置208又は外形形状は、三次元ポイントクラウドデータ248から抽出される。一実施例では、ポイント222はそれぞれレーザ距離計で測定される。一実施例では、センサ198は、レーザーラインスキャンを使用して、構造体200の表面202の形状を測定する側面計を含むか、又はその形態をとる。レーザーラインスキャンシステムは、ラインに沿った表面202の二次元形状を生成する。
【0146】
走査中に表面202上にレーザー光106を位置付けすることは、例えば、構造体200に対して移動機構112を使用して送信器108を移動させ、レーザー光106をスキャン経路116に沿って移動させることを含む。幾つかの実施例では、スキャン経路116は、センサ198からの入力を使用して生成された動的に計算された経路、構造体200の三次元モデル246(例えば、CAD記述)に基づいた予め計画された経路、又はこれらの2つの組み合わせである。本開示では、物理的な構造体、特に複合構造体は、その構造体のCAD記述とは相違し得ると認識されている。
【0147】
図11を参照すると、レーザー超音波を使用して、構造体を試験する例示的な方法1000がさらに開示されている。例えば、開示された方法1000は、レーザー超音波試験システム102を使用して、構造体200を試験するように使用される。
【0148】
一実施例では、方法1000は、基準フレーム118に対して、構造体200の表面202の三次元位置208を特定するステップ(ブロック1002)を含む。
【0149】
一実施例では、方法1000は、送信器108の出力部110から構造体200の表面202へとレーザー光106を送信し、構造体200内で超音波204を形成し、超音波204に対する反応206を検出するステップを含む(ブロック1004)。
【0150】
一実施例では、方法1000は、送信器108の出力部110が、表面202から一定オフセット距離108に位置し、且つ、送信器108の出力部110から送信されたレーザー光106が、一定投射角182で表面202へと方向付けられるように、表面202の三次元位置208に基づいて、スキャン経路116に沿って、レーザー光106を、構造体200上を移動させるステップを含む(ブロック1006)。
【0151】
一実施例では、方法1000は、超音波204に対する反応206に基づいて、構造体200内に不整合212が存在するか否かを判断するステップを含む(ブロック1008)。
【0152】
図12及び図13を参照すると、一実施例では、表面202上の複数のポイント222は、それぞれ、基準フレーム118に対して対応する三次元位置208を有する。三次元位置208は、基準フレーム118内にXYZ座標を含む。表面202上の複数のポイント222のうちの1つのZ座標は、表面202上の複数のポイント222のうちの別のポイントのZ座標と異なる。
【0153】
一実施例では、図12に示すように、第1のポイント224(例えば、複数のポイント222のうちの第1のポイント)は、第1のXYZ座標を有し、第2のポイント226(例えば、複数のポイント222のうちの第2のポイント)は、第2のXYZ座標を有する。第1のポイント224は、第1のZ座標(Z1)を有し、第2のポイント226は、第2のZ座標(Z2)を有する。第1のZ座標(Z1)と第2のZ座標(Z2)は異なる。第1のZ座標(Z1)と第2のZ座標(Z2)の差分値256は、基準フレーム118のYZ面における第1のY座標(Y1)と第2のY座標(Y2)との間のY軸に沿った表面202の外形形状の変化を表す。
【0154】
一実施例では、図13に示すように、第1のポイント224(例えば、複数のポイント222のうちの第1のポイント)は、第1のXYZ座標を有し、第3のポイント228(例えば、複数のポイント222のうちの第2のポイント)は、第2のXYZ座標を有し、第4のポイント230は、第3のXYZ座標を有する。第1のポイント224は、第1のZ座標(Z1)を有し、第3のポイント228は、第2のZ座標(Z2)を有し、第4のポイント230は、第3のZ座標(Z3)を有する。第1のZ座標(Z1)、第2のZ座標(Z2)、及び第3のZ座標(Z3)は異なる。第1のZ座標(Z1)と第2のZ座標(Z2)の差分値256は、基準フレーム118のXZ面における第1のX座標(X1)と第2のX座標(X2)との間のX軸に沿った表面202の外形形状の変化を表す。第2のZ座標(Z2)と第3のZ座標(Z3)の差分値256は、基準フレーム118のXZ面における第2のX座標(X2)と第3のX座標(X3)との間のX軸に沿った表面202の外形形状の変化を表す。第1のZ座標(Z1)と第3のZ座標(Z3)の差分値256は、基準フレーム118のXZ面における第1のX座標(X1)と第3のX座標(X3)との間のX軸に沿った表面202の外形形状の変化を表す。
【0155】
図11を参照すると、一実施例では、方法1000は、送信器108の出力部110から送信されたレーザー光106を構造体200の表面202上のパターン120に形成するステップを含む(ブロック1010)。
【0156】
一実施例では、方法1000は、レーザー光106のパターン120内に包括的に位置する、表面202上の複数のポイント222のうちの任意の2つのZ座標の差分値256が、閾値254以下であるように、表面202上にパターン120を位置付けするステップを含む(ブロック1012)。
【0157】
一実施例では、方法1000によると、閾値254は、約8分の1インチ(3ミリメートル)以下である。他の実施例では、閾値254は、8分の1インチを上回る場合がある。閾値254は、構造体200の材料244の種類、レーザー光106の生成に使用されるレーザー源104の種類、レーザー光106の特性、及びその他の要因などの様々な要因に依存し得る。
【0158】
概して、閾値254は、一定距離にわたる表面202の外形形状(例えば、表面202のスロープ)の変化を表す最大許容可能差分値256を表しており、構造体200を特徴付けるデータ132を生成するために、レーザー光106のパターン120の形態にあるレーザー光106が正確に使用され得る。例えば、レーザー光106のパターン120内に包括的に位置する、複数のポイント222のうちの任意の2つの差分値256の条件が閾値254を越える場合、オフセット距離180及び/又は投射角182は、レーザー光106のパターン120にわたって、レーザー光106に関して一定に留まらない場合がある。
【0159】
一実施例では、方法1000によると、レーザー光106のパターン120は、レーザー光106のライン124の形態をとる。
【0160】
一実施例では、方法1000は、表面202上の複数のポイント222のうちの第1のポイント及び表面202上の複数のポイント222のうちの第2のポイントを特定するステップを含み、複数のポイント222のうちの第1のポイントと複数のポイント222のうちの第2のポイントとの間で延びる真っ直ぐなライン258に沿って包括的に位置する、表面202上の複数のポイント222のうちの任意の2つの基準フレーム118におけるZ座標の差分値256は、閾値254以下である。
【0161】
一実施例では、方法1000は、レーザー光106のライン124を、複数のポイント222のうちの第1のポイントと複数のポイント222のうちの第2のポイントとの間に延びる真っ直ぐなライン258と整列させるステップを含む。
【0162】
図14を参照すると、一実施例では、第1のポイント224(例えば、複数のポイント222のうちの第1のポイント)と第2のポイント226(例えば、複数のポイント222のうちの第2のポイント)との間に延びる真っ直ぐなライン258が生成される。本実施例では、第1のポイント224と第2のポイント226との間で延びる真っ直ぐなライン258に沿って包括的に位置する、複数のポイント222のうちの任意の2つのZ座標の差分値256は、閾値254を上回る。したがって、レーザー光106のライン124は、構造体200を走査するために第1のポイント224と第2のポイント226との間で延びる真っ直ぐなライン258と整列しないことになる。一実施例では、第1のポイント224(例えば、複数のポイント222のうちの第1のポイント)と第4のポイント230(例えば、複数のポイント222のうちの第2のポイント)との間に延びる真っ直ぐなライン258が生成される。本実施例では、第1のポイント224と第4のポイント230との間で延びる真っ直ぐなライン258に沿って包括的に位置する、複数のポイント222のうちの任意の2つのZ座標の差分値256は、閾値254を上回る。したがって、レーザー光106のライン124は、構造体200を走査するために第1のポイント224と第4のポイント230との間で延びる真っ直ぐなライン258と整列しないことになる。一実施例では、第1のポイント224(例えば、複数のポイント222のうちの第1のポイント)と第3のポイント228(例えば、複数のポイント222のうちの第2のポイント)との間に延びる真っ直ぐなライン258が生成される。本実施例では、第1のポイント224と第3のポイント228との間で延びる真っ直ぐなライン258に沿って包括的に位置する、複数のポイント222のうちの任意の2つのZ座標の差分値256は、閾値254以下である。したがって、レーザー光106のライン124は、構造体200を走査するために第1のポイント224と第3のポイント228との間で延びる真っ直ぐなライン258と整列することになる。
【0163】
一実施例では、方法1000は、レーザー光106のライン124を、複数のポイント222のうちの第1のポイントと複数のポイント222のうちの第2のポイントとの間に包括的に合わせるステップを含む。
【0164】
一実施例では、レーザー光106のパターン120の第1の線状寸法174が、複数のポイント222のうちの第1のポイントと複数のポイント222のうちの第2のポイントとの間を延びる真っ直ぐなライン258(例えば、第1のポイント224と第3のポイント228との間で延びる真っ直ぐなライン258)の線状寸法以下であるように、例えば、レーザー光106のパターン120の第1の線状寸法174を設定且つ/又は調節して、ライン124を寸法形成することができる。
【0165】
一実施例では、方法1000は、表面202上の複数のポイント222のうちの第3のポイント及び表面202上の複数のポイント222のうちの第4のポイントを特定するステップを含み、複数のポイント222のうちの第3のポイントと複数のポイント222のうちの第4のポイントとの間で延びる第2の真っ直ぐなライン260に沿って包括的に位置する、表面202上の複数のポイント222のうちの任意の2つの基準フレーム118におけるZ座標の差分値256は、閾値256以下である。
【0166】
図11を参照すると、一実施例では、方法1000は、複数のポイント222のうちの第1のポイントと複数のポイント222のうちの第2のポイントとの間で延びる真っ直ぐなライン258と、複数のポイント222のうちの第3のポイントと複数のポイント222のうちの第4のポイントとの間で延びる第2の真っ直ぐなライン260との間で、レーザー光106のスキャン経路116を選択するステップを含む(ブロック1014)。
【0167】
一実施例では、方法1000は、スキャン経路116に沿って、表面202にわたってレーザー光106のライン124を移動させるステップを含む。
【0168】
一実施例では、方法1000は、レーザー光106のライン124を、複数のポイント222のうちの第3のポイントと複数のポイント222のうちの第4のポイントとの間に延びる第2の真っ直ぐなライン260と整列させるステップを含む。
【0169】
図15を参照すると、一実施例では、表面202上の第5のポイント262(例えば、複数のポイント222のうちの第3のポイント)と表面202上の第6のポイント264(例えば、複数のポイント222のうちの第4のポイント)との間に延びる第2の真っ直ぐなライン260が生成される。本実施例では、第5のポイント262と第6のポイント264との間で延びる第2の真っ直ぐなライン260に沿って包括的に位置する、複数のポイント222のうちの任意の2つのZ座標の差分値256は、閾値254以下である。したがって、構造体200をさらに走査するために、レーザー光106のライン124が、第5のポイント262と第6のポイント264との間で延びる第2の真っ直ぐなライン260と整列するように、レーザー光106のライン124は、スキャン経路116に沿って、表面202にわたって移動することになる。
【0170】
一実施例では、コンピュータ114は、例えば、指令の実行又はソフトウェアツールの実装により、スキャン経路116を生成するように構成されている。一実施例では、コンピュータ114のプロセッサ114は、例えば、指令の実行又はソフトウェアツールの実装により、スキャン経路116を計算するように構成されている。一実施例では、プロセッサ114は、例えば、指令の実行又はソフトウェアツールの実装により、基準フレーム118に対するスキャン経路116のベクトルを計算するように構成されている。一実施例では、スキャン経路116は、複数のポイント222の三次元位置208を使用した表面202上の複数のポイント222の計算された差分値256、レーザー光106のパターン120の第1の線状寸法174、所定のオフセット距離180、所定の投射角182、及びその他の要因に少なくとも部分的に基づいて決定される。
【0171】
構造体200を適切に試験するためにレーザー光106が移動するスキャン経路116は、概して、予め決定されている。一実施例では、構造体200の種類に基づいて、予備スキャン経路が生成される。最終的なスキャン経路116は、構造体200の三次元モデル246(例えば、CAD記述)、センサ198によって生成されたリアルタイム部品形状、レーザー光106のパターン120の寸法及び/又は密度、レーザー超音波要素の間隔、超音波の物理的性質が許容する最大速度(例えば、音が部品を通過する時間)、及び他の要因に基づいて、予備スキャン経路を調節することによって生成される。
【0172】
図11を参照すると、一実施例では、方法1000は、複数のポイント222のうちの第1のポイントと複数のポイント222のうちの第2のポイントとの間で延びる真っ直ぐなライン258と、複数のポイント222のうちの第3のポイントと複数のポイント222のうちの第4のポイントとの間で延びる第2の真っ直ぐなライン260との間の、スキャン経路116に沿って、レーザー光106のライン124が表面202にわたって移動するにつれて、送信器108の出力部110が、表面202から一定オフセット距離180に位置し、且つ、送信器108の出力部110から送信されたレーザー光106が、一定投射角182で表面202へと方向付けられるように、送信器108の姿勢を調節するステップを含む(ブロック1016)。
【0173】
一実施例では、コンピュータ114は、例えば、指令の実行又はソフトウェアツールの実装により、試験環境100の基準フレーム118に対する送信器108の姿勢を確認するように構成されている。一実施例では、プロセッサ140は、例えば、指令の実行又はソフトウェアツールの実装により、基準フレーム118及び/又は構造基準フレーム210に対する送信基準フレーム136の位置及び/又は配向における違いを計算し、基準フレーム118内の送信基準フレーム136の位置及び/又は配向に基づいて、送信器108の姿勢を判断するように構成されている。一実施例では、プロセッサ140は、例えば、指令の実行又はソフトウェアツールの実装により、送信器108が構造体200の表面202に対して移動するにつれて、送信器108の適切な姿勢を計算し、それにより、レーザー光106のライン124がスキャン経路116に沿って移動するにつれて、一定のオフセット距離180及び一定の投射角182を維持するように構成されている。一実施例では、コントローラ138は、レーザー光106のライン124がスキャン経路116に沿って移動するにつれて、移動機構112の運動を制御し、送信器108の姿勢を調節するように構成されている。
【0174】
図15を参照すると、一実施例では、方法1000によると、構造体200は、補強材214を含むか、又はその形態をとる。補強材214は、航空機1200(図1)の部品である。補強材214は、第1の軸216を含む。複数のポイント222のうちの第1のポイントと複数のポイント222のうちの第2のポイントとの間で延びる真っ直ぐなライン258と、複数のポイント222のうちの第3のポイントと複数のポイント222のうちの第4のポイントとの間で延びる第2の真っ直ぐなライン260は、それぞれ、補強材214の第1の軸216に対して平行に配向される。
【0175】
図16を参照すると、一実施例では、方法1000によると、レーザー光106のスキャン経路116は、補強材214の第1の軸216に対して垂直である。一実施例では、スキャン経路116は、補強材214の一端から補強材214の反対側の端に延在し、第1の軸216に対して垂直に補強材214を横断する。図16では、ライン124がスキャン経路116に沿って移動する際の、表面202上の様々な連続位置におけるレーザー光106のライン124は、破線で示されている。レーザー光106のライン124が補強材214にわたって前後に横断するように、スキャン経路116は選択される。一実施例では、レーザー光106のライン124がスキャン経路116に沿って移動するにつれて、レーザー光106のライン124が、表面202の一部又は表面202上の同領域を一度より多く覆うように、スキャン経路116は選択される。一実施例では、レーザー光106のライン124が、(例えば、補強材214の側面の近くの)スキャン経路116の外郭に達すると、レーザー光106のライン124は、インデックス266によって第1の軸216に沿って移動する。レーザー光106のライン124がスキャン経路116に沿って移動するにつれて、レーザー光106のライン124が、表面202の一部又は表面202上の同領域を一度より多く覆うように、インデックス266は選択される。
【0176】
図17を参照すると、一実施例では、方法1000によると、レーザー光106のスキャン経路116は、補強材214の第1の軸216に対して斜めである。一実施例では、スキャン経路116は、補強材214の一端から補強材214の反対側の端に延在し、第1の軸216に対して斜めに補強材214を横断する。図17では、ライン124がスキャン経路116に沿って移動する際の、表面202上の様々な連続位置におけるレーザー光106のライン124は、破線で示されている。レーザー光106のライン124が補強材214にわたって前後に横断するように、スキャン経路116は選択される。一実施例では、レーザー光106のライン124がスキャン経路116に沿って移動するにつれて、レーザー光106のライン124が、表面202の一部又は表面202上の同領域を一度より多く覆うように、スキャン経路116は選択される。
【0177】
一実施例では、方法1000は、レーザー光106のライン124が構造体200の表面202にわたって移動するにつれて、表面202の三次元モデル246に基づいて、レーザー光106のライン124内に包括的に位置する、表面202上の複数のポイント222のうちの任意の2つのZ座標の差分値256が閾値254以下であるように、レーザー光106のスキャン経路116をシミュレートするステップを含む。
【0178】
一実施例では、スキャン経路116のシミュレーションは、構造体200の三次元モデル246に関連してロボット経路のシミュレーションを可能にするソフトウェアツールを使用して生成される。
【0179】
したがって、レーザー超音波試験システム102、及び本明細書に開示された方法1000は、様々な異なる断面形状及び/又は表面外形形状の迅速な非破壊試験を可能にし得る。
【0180】
本明細書に開示されたシステム102及び方法1000の実施例は、特に、例えば、航空宇宙用途を含む輸送産業で、様々な潜在的用途において利用法が見いだされ得る。これより図1及び図18を参照すると、システム102及び方法1000の実施例は、図18のフロー図に示す航空機の製造及び保守方法1100、並びに図1に示す航空機1200に関して使用され得る。開示された実施例の航空機用途は、航空機1200の複合構造体の超音波試験のためのシステム102における使用を含み得る。
【0181】
図18に示すように、製造前の段階では、例示的な方法1100は、航空機1200の仕様及び設計(ブロック1102)、並びに材料調達(ブロック1104)を含み得る。航空機1200の製造段階では、航空機1200の構成要素及びサブアセンブリの製造(ブロック1106)、並びにシステムインテグレーション(ブロック1108)が行われ得る。その後、航空機1200は、認可及び納品(ブロック1110)を経て、運航(ブロック1112)に供され得る。開示されたシステム102及び方法1000は、構成要素及びサブアセンブリの製造(ブロック1106)、並びに/又はシステムインテグレーション(ブロック1108)の一部を形成し得る。定期的な整備及び保守は、航空機1200の1つ又は複数のシステムの改変、再構成、改修等を含み得る。
【0182】
例示的な方法の各プロセスは、システムインテグレータ、第三者、及び/又はオペレータ(例えば、顧客)によって実行又は実施されてもよい。本明細書の目的のために、システムインテグレータとは、限定しないが、任意の数の航空機製造者及び主要システムの下請業者を含み得、第三者とは、限定しないが、任意の数のベンダー、下請業者、及び供給業者を含み得、オペレータとは、航空会社、リース会社、軍事団体、サービス機関などであり得る。
【0183】
本明細書に図示又は記載されたシステム102及び方法1000の実施例は、図18に示すフロー図に示す製造及び保守方法1100の、1つ又は複数の任意の段階で利用され得る。例えば、構成要素及びサブアセンブリの製造(ブロック1106)に対応する構成要素又はサブアセンブリは、航空機1200の運航(ブロック1112)中に製造された構成要素又はサブアセンブリと同様の態様で作製又は製造され得る。さらに、システム102、方法1000、又はこれらの組み合わせのうちの1つ又は複数の実施例は、システムインテグレーション(ブロック1108)、並びに認可及び納品(ブロック1110)の間に利用され得る。同様に、システム102、方法1000、又はこれらの組み合わせのうちの1つ又は複数の実施例は、例えば、航空機1200の運航(ブロック1112)中に、且つ、整備及び保守(ブロック1114)の段階で利用されてもよいが、これらに限定されない。
【0184】
航空機1200の実施例(図1)は、例示のために提示されており、様々な実施例が実施され得る態様への構造的な限定を示唆することを意図するものではない。例えば、航空機1200は、民間旅客機として示されているが、他の実施例では、航空機1200は、私有旅客機、貨物航空機、回転翼航空機、無人航空機、又はその他の適切な種類の航空機などの他の種類の航空機であり得る。
【0185】
開示されたシステム102及び方法1000の例示的な実施例は、航空機に関して説明されているが、他の実施例が他の種類のプラットフォームに適用されてもよい。プラットフォームは、例えば、移動式プラットフォーム、固定式プラットフォーム、陸上構造物、水上構造物、又は宇宙構造物であってもよい。より具体的には、プラットフォームは、水上艦、戦車、人員運搬機、列車、宇宙船、宇宙ステーション、衛星、潜水艦、自動車、製造設備、建造物、及び他の適切なプラットフォームであり得る。
【0186】
さらに、開示されたシステム102及び方法1000の実施例は、他の種類の複合構造体に適用されてもよい。例えば、プラットフォーム以外の複合構造体がレーザー超音波検査システムを使用して検査されてもよい。プラットフォーム以外の複合構造体には、医療機器、義肢、又は任意の他の所望の製品が含まれ得る。
【0187】
本明細書で「実施例」に言及することは、当該実施例に関連して説明される1つ又は複数の特徴、構造、要素、構成要素、特性、及び/又は動作ステップが、本開示に係る主題の少なくとも1つの実施形態及び/又は実装形態に含まれることを意味する。ゆえに、本開示全体にわたる「一実施例(one example)」、「別の実施例(another example)」という表現、及び類似の文言は、同一の実施例を指していることもあるが、必ずそうだというわけではない。さらに、任意の一実施例を特徴付ける主題は、任意の他の実施例を特徴付ける主題を含み得るが、必ずしもそうではない場合もある。
【0188】
本書において、特定の機能を実施するように「構成された(configured to)」システム、装置、構造、物品、要素、構成要素、又はハードウェアは、実際には、いかなる変更も伴わずにその特定の機能を実施することが可能であり、さらなる改変の後にその特定の機能を実施する可能性があるにすぎないというものではない。言い換えると、特定の機能を実施するように「構成された」システム、装置、構造、物品、要素、構成要素、又はハードウェアは、その特定の機能を実施するという目的のために、特に選択、創出、実装、利用、プログラミング、且つ/又は設計される。本明細書において、「構成された(configured to)」という表現は、システム、装置、構造、物品、要素、構成要素、又はハードウェアがさらなる改変なしで特定の機能を実行することを可能にする、システム、装置、構造、物品、要素、構成要素、又はハードウェアの既存の特性を意味する。この開示の目的のために、特定の機能を実施するように「構成された」と記載されているシステム、装置、構造、物品、要素、構成要素、又はハードウェアは、追加的又は代替的には、その機能を実施するよう「適合された(adapted to)」、且つ/又は「動作可能である(operative to)」と記載されてもよい。
【0189】
別途指示されない限り、「第1の(first)」、「第2の(second)」などの表現は、本明細書では単に符号として使用されており、順序的、位置的、又は序列的な要件をこれらの表現が指し示すアイテムに課すことを意図するものではない。さらに、「第2の」アイテムに言及することによって、より小さい数のアイテム(例えば、「第1の」アイテム)及び/又はより大きい数のアイテム(例えば、「第3の」アイテム)の存在が必要とされるわけでもなく、除外されるわけでもない。
【0190】
本明細書において、「連結されたcoupled)」、「連結(coupling)」、及び似たような用語は、互いに(例えば、機械的、電気的、流体的、光学的、電磁気的に)結合、連接、締結、接続、連通、又はさもなければ関連付けされた2つ以上の要素のことを指す。様々な実施例では、これらの要素は、直接的又は間接的に関連付けられ得る。一例として、要素Aは、要素Bと直接的に関連付けられ得る。別の例として、要素Aは、例えば、別の要素Cを介して、要素Bと間接的に関連付けられ得る。開示されている様々な要素同士の間の全ての関連付けが必ずしも表わされていないことを理解されよう。そのため、図面に示されているもの以外の連結も存在し得る。
【0191】
本明細書において、「約(approximately)」という用語は、所望の機能を依然として実行する又は所望の結果を達成する所定の条件、量、又は値に近似するが、必ずしもそうではない条件、量、又は値を表す。例えば、「約(approximately)」という用語は、所定の量又は値の、10%未満、5%未満、1%未満、0.1%未満、及び0.01%未満の範囲内の量又は値を表わし得る。
【0192】
本明細書における「実質的に(substantially)」という表現は、「厳密に(exactly)」及び「類似した(similar)」という意味を含む場合があり、これは、厳密であると認知し得る程度ということである。「実質的に」という表現は、厳密な又は実際の値から+/−5%の差異として数量化することができるが、これは、例示のみを目的としており、限定的な例ではない。例えば、「AはBと実質的に同じである」というフレーズは、AがBと厳密に同一である、又は、AがBの値の+/−5%の差異の範囲内にある条件(若しくは逆も可能である)を包含し得る。
【0193】
上述の図2及び図7では、様々な要素及び/又は構成要素を接続する実線が存在する場合、これらの実線は、機械的、電気的、流体的、光学的、電磁的な連結、及びその他の連結、並びに/又はこれらの組合せを表し得る。開示されている様々な要素同士の間の全ての関係が必ずしも表わされていないことを理解されよう。したがって、ブロック図に描かれているもの以外の連結も存在しうる。様々な要素及び/又は構成要素を示すブロックを接続する破線が存在する場合、これらの破線は、機能及び目的の点で実線によって表されているものに類似した連結を表わす。しかしながら、破線によって表わされた連結は、選択的に設けられるか、又は、本開示の代替的な実施例に関連するかのいずれかであり得る。同様に、破線で表わされた要素及び/又は構成要素が存在する場合、それらは本開示の代替的な実施例を示す。実線及び/又は破線で示されている1つ又は複数の要素は、本開示の範囲から逸脱せずに、特定の実施例から省略してもよい。環境要素が存在する場合、それらは点線で表わされる。仮想的な(架空)要素も、明確性のために示され得る。図2及び図7に示す特徴のうちの幾つかは、図2及び図7、他の図面、及び/又は付随する開示に記載された他の特徴を含むことを必要とせずに、様々な方法で組み合わせることができる(このような1つ又は複数の組み合わせが本明細書で明示されていなくても)ことを当業者は理解するであろう。同様に、提示されている実施例に限定されない追加的な特徴が、本明細書で示され且つ記載されている特徴のうちの幾つか又は全てと組み合わされてもよい。
【0194】
上述の図11及び図18では、ブロックは、工程及び/又はその一部を表すことが可能であり、様々なブロックを接続する線は、工程群又はその一部の任意の特定の順序又は従属関係を示唆しない。破線で示されるブロックは、代替的な工程群及び/又はその一部を表す。様々なブロックを接続する破線がある場合、その破線は、工程群又はその一部の代替的な従属関係を表わす。様々な開示された工程間のすべての従属関係が必ずしも表わされるわけではないことを理解されよう。本明細書に提示された開示方法の工程を説明する図11及び図18、並びに付随する開示は、必ずしも工程を実行するべき順序を決定付けていると解釈すべきではない。むしろ、ある例示的な順序が示されているが、工程の順序は、適切な場合、修正することができることを理解されたい。したがって、図示されている工程には改変、追加、及び/又は省略が行われてよく、特定の工程群は、異なる順序で実施されてもよく、又は同時に実施されてもよい。さらに、当業者であれば、記載されている全ての工程を実行する必要はないことを理解されよう。
【0195】
さらに、本開示は、以下に列挙した段落に記載された実施例を含む。
【0196】
A1
レーザー超音波を使用して、構造体(200)を試験するための方法(1000)であって、基準フレーム(118)に対して、前記構造体(200)の表面(202)の三次元位置(208)を特定することと、送信器(108)の出力部(110)から前記構造体(200)の前記表面(202)へとレーザー光(106)を送信して、前記構造体(200)内に超音波(204)を形成して、前記超音波(204)に対する反応(206)を検出することと、前記表面(202)の前記三次元位置(208)に基づいて、前記送信器(108)の前記出力部(110)が、前記表面(202)から一定オフセット距離(180)に位置し、且つ、前記送信器(108)の前記出力部(110)から送信された前記レーザー光(106)が、一定投射角(182)で前記表面(202)へと方向付けられるように、スキャン経路(116)に沿って、前記レーザー光(106)を前記構造体(200)上で移動させることと、前記超音波(204)に対する前記反応(206)に基づいて、前記構造体(200)内に不整合(212)が存在するか否かを判断することとを含む方法(1000)。
【0197】
A2
前記表面(202)上の複数のポイント(222)のそれぞれが、前記基準フレーム(118)に対する対応する三次元位置(208)を有し、前記三次元位置(208)が、前記基準フレーム(118)においてXYZ座標を含み、且つ前記表面(202)上の前記複数のポイント(222)のうちの1つのZ座標が、前記表面(202)上の前記複数のポイント(222)のうちの別の1つのZ座標と異なる、A1に記載の方法(1000)。
【0198】
A3
前記送信器(108)の前記出力部(110)から送信された前記レーザー光(106)を前記構造体(200)の前記表面(202)上のパターン(120)に形成することと、前記レーザー光(106)の前記パターン(120)内に包括的に位置する、前記表面(202)上の前記複数のポイント(222)のうちの任意の2つのZ座標の差分値(256)が、閾値(254)以下であるように、前記表面(202)上に前記パターン(120)を位置付けすることとをさらに含む、A2に記載の方法(1000)。
【0199】
A4
前記閾値(254)が、8分の1インチ以下である、A3に記載の方法(1000)。
【0200】
A5
前記レーザー光(106)の前記パターン(120)が、前記レーザー光(106)のライン(124)の形態である、A3又はA4に記載の方法(1000)。
【0201】
A6
前記表面(202)上の前記複数のポイント(222)のうちの第1のポイント及び前記表面(202)上の前記複数のポイント(222)のうちの第2のポイントを特定することであって、前記複数のポイント(222)のうちの前記第1のポイントと前記複数のポイント(222)のうちの第2のポイントとの間で延びる真っ直ぐなライン(258)に沿って包括的に位置する、前記表面(202)上の前記複数のポイント(222)のうちの任意の2つの前記基準フレーム(118)におけるZ座標の差分値(256)が、前記閾値(254)以下である、第1のポイント及び第2のポイントを特定することと、
前記レーザー光(106)の前記ライン(124)を、前記複数のポイント(222)のうちの前記第1のポイントと前記複数のポイント(222)のうちの前記第2のポイントとの間に延びる前記真っ直ぐなライン(258)と整列させることとを含む、A5に記載の方法(1000)。
【0202】
A7
前記表面(202)上の前記複数のポイント(222)のうちの第3のポイント及び前記表面(202)上の前記複数のポイント(222)のうちの第4のポイントを特定することであって、前記複数のポイント(222)のうちの前記第3のポイントと前記複数のポイント(222)のうちの前記第4のポイントとの間で延びる第2の真っ直ぐなライン(260)に沿って包括的に位置する、前記表面(202)上の前記複数のポイント(222)のうちの任意の2つの前記基準フレーム(118)におけるZ座標の差分値(256)が、前記閾値(254)以下である、第3のポイント及び第4のポイントを特定することと、前記複数のポイント(222)のうちの前記第1のポイントと前記複数のポイント(222)のうちの前記第2のポイントとの間で延びる前記真っ直ぐなライン(258)と、前記複数のポイント(222)のうちの前記第3のポイントと前記複数のポイント(222)のうちの前記第4のポイントとの間で延びる前記第2の真っ直ぐなライン(260)との間で、前記レーザー光(106)の前記スキャン経路(116)を選択することと、前記スキャン経路(116)に沿って、前記表面(202)にわたって前記レーザー光(106)の前記ライン(124)を移動させることと、前記レーザー(186)光の前記ライン(124)を、前記複数のポイント(222)のうちの前記第3のポイントと前記複数のポイント(222)のうちの前記第4のポイントとの間に延びる前記第2の真っ直ぐなライン(260)と整列させることとをさらに含む、A6に記載の方法(1000)。
【0203】
A8
前記複数のポイント(222)のうちの前記第1のポイントと前記複数のポイント(222)のうちの前記第2のポイントとの間で延びる前記真っ直ぐなライン(258)と、前記複数のポイント(222)のうちの前記第3のポイントと前記複数のポイント(222)のうちの前記第4のポイントとの間で延びる前記第2の真っ直ぐなライン(260)との間の、前記スキャン経路(116)に沿って、前記レーザー(186)光の前記ライン(124)が前記表面(202)にわたって移動するにつれて、前記送信器(108)の前記出力部(110)が、前記表面(202)から一定オフセット距離(180)に位置し、且つ、前記送信器(108)の前記出力部(110)から送信された前記レーザー光(106)が、一定投射角(182)で前記表面(202)へと方向付けられるように、前記送信器(108)の姿勢を調節することをさらに含む、A7に記載の方法(1000)。
【0204】
A9
前記構造体(200)が、航空機(1200)の補強材(214)を含み、前記補強材(214)が、第1の軸(216)を含み、前記複数のポイント(222)のうちの前記第1のポイントと前記複数のポイント(222)のうちの前記第2のポイントとの間で延びる前記真っ直ぐなライン(258)、及び前記複数のポイント(222)のうちの前記第3のポイントと前記複数のポイント(222)のうちの前記第4のポイントとの間に延びる前記第2の真っ直ぐなライン(260)が、それぞれ、前記補強材(214)の前記第1の軸(216)に対して平行に配向される、A7に記載の方法(1000)。
【0205】
A10
前記レーザー光(106)の前記スキャン経路(116)が、前記補強材(214)の前記第1の軸(216)に対して垂直である、A9に記載の方法(1000)。
【0206】
A11
前記レーザー光(106)の前記スキャン経路(116)が、前記補強材(214)の前記第1の軸(216)に対して斜めである、A9に記載の方法(1000)。
【0207】
A12
前記構造体(200)の前記表面(202)の三次元ポイントクラウドデータ(248)を提供することと、前記表面(202)の前記三次元ポイントクラウドデータ(248)に基づいて、構造基準フレーム(210)に対する前記表面(202)上の前記複数のポイント(222)の前記三次元位置(208)を特定することと、前記構造基準フレーム(210)を前記基準フレーム(118)と整列することとをさらに含む、A5に記載の方法(1000)。
【0208】
A13
前記構造体(200)の三次元モデル(246)を設けることと、前記構造体(200)の前記三次元モデル(246)から前記表面(202)の前記三次元ポイントクラウドデータ(248)を抽出することとをさらに含む、A12に記載の方法(1000)。
【0209】
A14
前記構造体(200)の画像(250)を取得することと、前記構造体(200)の前記画像(250)から前記構造体(200)の前記三次元モデル(246)を生成することとをさらに含む、A13に記載の方法(1000)。
【0210】
A15
前記レーザー光(106)の前記ライン(124)が前記構造体(200)の前記表面(202)にわたって移動するにつれて、前記表面(202)の前記三次元モデル(246)に基づいて、前記レーザー光(106)の前記ライン(124)内に包括的に位置する、前記表面(202)上の前記複数のポイント(222)のうちの任意の2つのZ座標の差分値(256)が前記閾値(254)以下であるように、前記レーザー光(106)の前記スキャン経路(116)をシミュレートすることをさらに含む、A13又はA14に記載の方法(1000)。
【0211】
B1
レーザー超音波検査システム(102)であって、レーザー光(106)を発するように構成されたレーザー源(104)、前記レーザー源(104)と光学的に連結され、送信器(108)の出力部(110)から構造体(200)の表面(202)へと前記レーザー光(106)を送信するように構成された前記送信器(108)であって、前記レーザー光(106)が、前記構造体(200)内で超音波(204)を形成し、前記超音波(204)に対する反応(206)を検出するように構成されている、送信器(108)、前記送信器(108)に連結され、前記送信器(108)を前記構造体(200)に対して移動させるように構成された移動機構(112)、並びにコンピュータ(114)であって、基準フレーム(118)に対して前記表面(202)の三次元位置(208)を特定し、スキャン経路(116)に沿って、前記レーザー光(106)が、前記構造体(200)上を移動するように、前記移動機構(112)を制御することであって、前記表面(202)の前記三次元位置(208)に基づいて、前記送信器(108)の前記出力部(110)が、前記表面(202)から一定距離(180)に位置し、且つ、前記送信器(108)の前記出力部(110)から送信された前記レーザー光(106)が、一定投射角(182)で前記表面(202)へと方向付けられ、前記超音波(204)に対する前記反応(206)に基づいて、前記構造体(200)内に不整合(212)が存在するか否かを判断するように構成されたコンピュータ(114)を備えているレーザー超音波検査システム(102)。
【0212】
B2
前記送信器(108)が、パターン(120)の形態で前記レーザー光(106)を前記構造体(200)の前記表面(202)上に送信するように構成され、且つ前記レーザー光(106)の前記パターン(120)内に包括的に位置する、前記表面(202)上の複数のポイント(222)のうちの任意の2つのZ座標の差分値(256)が閾値(254)以下であるように、前記レーザー光(106)の前記パターン(120)が、前記表面(202)上に位置付けされる、B1に記載のレーザー超音波検査システム(102)。
【0213】
B3
前記コンピュータ(114)が、前記構造体(200)の三次元モデル(246)から前記表面(202)の三次元ポイントクラウドデータ(248)を抽出し、且つ前記表面(202)の前記三次元ポイントクラウドデータ(248)に基づいて、前記基準フレーム(118)に対する前記表面(202)上の前記複数のポイント(222)の前記三次元位置(208)を特定するようにさらに構成されている、B2に記載のレーザー超音波検査システム(102)。
【0214】
B4
前記構造体(200)の画像(250)を取得するように構成されたセンサー(198)をさらに備え、前記コンピュータ(114)が、前記構造体(200)の前記画像(250)から前記構造体(200)の前記三次元モデル(246)を生成するようにさらに構成されている、B3に記載のレーザー超音波検査システム(102)。
【0215】
B5
前記表面(202)の前記三次元ポイントクラウドデータ(248)に基づいて、前記コンピュータ(114)は、前記レーザー光(106)の前記パターン(120)が前記構造体(200)の前記表面(202)にわたって移動するにつれて、前記レーザー光(106)の前記パターン(120)内に包括的に位置する、前記表面(202)上の前記複数のポイント(222)のうちの任意の2つのZ座標の差分値(256)が前記閾値(254)以下であるように、前記レーザー光(106)の前記スキャン経路(116)を選択するようにさらに構成されている、B3又はB4に記載のレーザー超音波検査システム(102)。
【0216】
開示されたシステム及び方法の様々な実施例を図示且つ説明してきたが、当業者は本明細書を読むことで、修正例を想起することができるであろう。本出願は、かかる修正例を含み、特許請求の範囲によってのみ限定される。
図1
図2
図3
図4
図5
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図8
図9
図10
図11
図12
図13
図14
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図16
図17
図18
【外国語明細書】
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