制造纖維增強(qiáng)型復(fù)合部件期間檢查纖維鋪放的系統(tǒng)和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本公開涉及制造纖維增強(qiáng)型復(fù)合部件期間檢查纖維鋪放的系統(tǒng)和方法。
【背景技術(shù)】
[0002]自動(dòng)纖維鋪放是一種制造纖維增強(qiáng)型復(fù)合部件的技術(shù)。該技術(shù)使用自動(dòng)纖維鋪放(AFP)機(jī)器(還被稱為先進(jìn)的纖維鋪放機(jī))，AFP機(jī)器將未固化的成條的纖維帶精確地鋪放并分層堆放到模具和/或芯棒上。AFP機(jī)器通常用于制造大型復(fù)雜形狀的結(jié)構(gòu)，諸如機(jī)架、空氣渦輪機(jī)葉片、壓力容器及其它工業(yè)產(chǎn)品。
[0003]未固化的纖維帶通常包括預(yù)浸漬熱固性和/或熱塑性材料的碳纖維(預(yù)浸碳纖維帶)。所述帶可采取絲束的形式，該絲束是連續(xù)長(zhǎng)絲的退捻捆束，并且可薄而窄(常見的厚度范圍從約0.005” (0.13mm)到0.010” (0.25mm);常見的寬度范圍從約0.125” (3mm)到約0.5” (13mm)) ο
[0004]AFP機(jī)器通常有能力將多條(例如，2-32條)帶平行地鋪放在一起，并且由此可形成寬度與各條的寬度的總和一樣寬的單個(gè)帶子。AFP機(jī)器可按一定的取向范圍(例如，0°、+45。、-45。和/或90° )將各條鋪放在疊層模具(layup mold)和/或芯棒形狀(例如，平的、凹的和/或凸的)的范圍內(nèi)。限于大致平的或基本曲面的機(jī)器可被稱為自動(dòng)鋪帶機(jī)、平面型自動(dòng)鋪帶機(jī)和/或曲面型自動(dòng)鋪帶機(jī)。
[0005]AFP機(jī)器通常包括:將帶自動(dòng)切割成條；以及把各條分層堆放以形成疊層(ply)(每個(gè)疊層為單個(gè)條的層)。此外，AFP機(jī)器可將新的條層壓緊到底層的疊層上。復(fù)合部分的各層需要彼此適當(dāng)?shù)亟佑|并附著，以適當(dāng)?shù)貙訅翰⒐袒Ｔ谛碌臈l層未能附著到底層的層(有或沒有AFP機(jī)器壓緊)的情況下，在未固化和已固化的部分中形成層間空隙(inter-laminal void)。層間空隙是可導(dǎo)致已固化的復(fù)合部分弱化的脫層缺陷。因而，優(yōu)選地，在使復(fù)合部分固化之前，需要檢測(cè)并修復(fù)層間空隙。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本文中公開的系統(tǒng)和方法涉及使用與圖案照明相關(guān)的3D數(shù)字圖像技術(shù)通過在至少部分地形成的未固化的纖維增強(qiáng)型復(fù)合部件的表面上執(zhí)行非接觸3D (三維)測(cè)量來檢查未固化的纖維增強(qiáng)型復(fù)合部件。
[0007]用于檢查的系統(tǒng)包括:光投射器，所述光投射器被構(gòu)造成將光圖案投射到檢查區(qū)域處的成形件(form)上；數(shù)碼相機(jī)，所述數(shù)碼相機(jī)被構(gòu)造成使所述成形件上的所述光圖案成像；以及計(jì)算系統(tǒng)，所述計(jì)算系統(tǒng)被編程為投射所述光圖案以獲取圖像并確定所獲取的所述圖像的3D廓形。更具體地，所述計(jì)算系統(tǒng)可被編程為執(zhí)行本文中描述的任何方法。
[0008]用于檢查的系統(tǒng)被構(gòu)造成確定所述成形件的基線3D廓形，確定在所述成形件上分層堆放的未固化的纖維增強(qiáng)型復(fù)合材料的測(cè)試3D廓形，以及確定所述測(cè)試3D廓形和所述基線3D廓形之間的厚度差。用于檢查的系統(tǒng)可關(guān)聯(lián)于和/或可包括AFP機(jī)器，所述AFP機(jī)器被構(gòu)造成將所述未固化的纖維增強(qiáng)型復(fù)合材料鋪設(shè)在所述成形件上。
[0009]用于檢查的方法包括:在制造所述未固化的纖維增強(qiáng)型復(fù)合部件之前、期間和/或之后進(jìn)行檢查。用于檢查的方法包括:將光圖案投射到成形件上的檢查區(qū)域上；通過使所述成形件上的所述光圖案成像來獲取所述成形件的基線3D廓形；將未固化的纖維片(例如，條、片材)鋪設(shè)到所述檢查區(qū)域內(nèi)的所述成形件上；將所述光圖案投射到所述成形件上的所述未固化的纖維片上；通過使所述成形件上的所述未固化的纖維片上的所述光圖案成像來獲取所述成形件上的所述纖維片的測(cè)試3D廓形；以及計(jì)算所述測(cè)試3D廓形和所述基線3D廓形之間的厚度差。
【附圖說明】
[0010]圖1是纖維鋪放檢查系統(tǒng)的示意圖。
[0011]圖2是用于纖維鋪放檢查的方法的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0012]本文中公開了在制造纖維增強(qiáng)型復(fù)合部件期間用于檢查纖維鋪放的系統(tǒng)和方法。一般來說，在圖中，有可能被包括在給定實(shí)施方式中的元件以實(shí)線圖示，而可選或替代的元件以虛線圖示。然而，以實(shí)線圖示的元件并不是對(duì)本公開的所有實(shí)施方式均是必要的，并且在不脫離本公開的范圍的前提下以實(shí)線示出的元件可從特定實(shí)施方式中略去。
[0013]圖1示意性地表示出纖維鋪放檢查系統(tǒng)10。系統(tǒng)10可被構(gòu)造成檢查未固化的纖維增強(qiáng)型復(fù)合部件20，諸如由AFP機(jī)器40至少部分地形成的部件。
[0014]在一般水平上，系統(tǒng)10被構(gòu)造成使用與圖案照明而非固有的和/或施加的表面標(biāo)記相關(guān)的3D數(shù)字圖像技術(shù)來在至少部分地形成的未固化的纖維增強(qiáng)型復(fù)合部件20的表面上執(zhí)行非接觸3D測(cè)量。系統(tǒng)10可被進(jìn)一步構(gòu)造成在制造部件20之前、期間和/或之后測(cè)量3D廓形(還被稱為3D表面廓形)，可選地，測(cè)量底層的成形件30和部件20的一個(gè)或多個(gè)層的3D廓形，和/或可選地，確定一個(gè)或多個(gè)層的(明顯)厚度(該厚度可以是平均層厚度和/或可以是該層上的一個(gè)或多個(gè)點(diǎn)處的厚度)。系統(tǒng)10可被構(gòu)造成(例如通過檢測(cè)異常厚度和/或3D廓形)自動(dòng)檢測(cè)未固化的纖維增強(qiáng)型復(fù)合部件20的各層之間的層間空隙(即，脫層缺陷)。
[0015]系統(tǒng)10包括:光投射器12，光投射器12被構(gòu)造成將光圖案投射到檢查區(qū)域50處的成形件30上；數(shù)碼相機(jī)14，數(shù)碼相機(jī)14被構(gòu)造成使成形件30上的光圖案成像；以及計(jì)算系統(tǒng)16，計(jì)算系統(tǒng)16被編程，以投射光圖案，獲取圖像并且確定所獲取圖像的3D廓形。更具體地，計(jì)算系統(tǒng)16可被編程，以執(zhí)行本文中描述的任何方法。
[0016]在完全固化之前，即，部件20處于未固化和/或部分固化的狀態(tài)下，未固化的纖維增強(qiáng)型復(fù)合部件20是纖維增強(qiáng)型復(fù)合結(jié)構(gòu)。示例纖維增強(qiáng)型結(jié)構(gòu)包括航空結(jié)構(gòu)和/或組分、飛行器、機(jī)架、機(jī)身、機(jī)翼、翼型、轉(zhuǎn)子葉片、風(fēng)輪機(jī)結(jié)構(gòu)和/或組分、汽車結(jié)構(gòu)和/或組分、船艇結(jié)構(gòu)和/或組分、和/或任何其它的纖維增強(qiáng)型復(fù)合結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)10可被構(gòu)造成檢查和/或檢測(cè)相對(duì)大的部件20，例如，具有大于lm2(平方米)、大于2m2、大于5m2、大于10m2、大于20m2、大于50m2、小于100m2、小于50m2、小于20m2和/或小于10m 2的表面區(qū)域的部件20。部件20通常是由至少一個(gè)疊層、層和/或薄片形成的層壓結(jié)構(gòu)。每個(gè)疊層、層和/或薄片可包括至少一個(gè)纖維片(即，纖維增強(qiáng)型材料的條、片材和/或絲束)。部件20可包括纖維片的至少一個(gè)帶子和/或?qū)哟?course)。由疊層、層、薄片、纖維片、帶子和/或?qū)哟螛?gòu)成的部件20可較薄，例如，厚度小于20mm、小于10mm、小于6mm、小于5mm、小于3mm、小于2mm、/J、于 1mm、/J、于 0.5mm、/J、于 0.2mm、/J、于 0.1mm、/J、于 0.05mm、大于 0.01mm、大于 0.02mm、大于0.05mm、大于0.1mm、大于0.2mm、大于0.5mm、大于1mm、大于2mm和/或大于5mm。纖維片可相對(duì)較窄，例如，寬度小于40mm、小于20mm、小于10mm、小于6mm、小于5mm、小于3mm、小于2mm、小于1mm、大于1mm、大于2mm、大于5mm、大于10mm、約3mm、約6mm和/或約13mm。
[0017]纖維增強(qiáng)型材料包括諸如碳纖維、玻璃纖維和/或聚酰胺纖維的增強(qiáng)纖維。纖維可采取絲束、編織組織、針織物、織物和/或氈的形式。纖維增強(qiáng)型材料可包括諸如環(huán)氧樹月旨、熱固性材料和/或熱塑性材料的樹脂。當(dāng)纖維增強(qiáng)型材料包括樹脂時(shí)，它可被稱為預(yù)浸料。
[0018]系統(tǒng)10可包括成形件30。成形件30是隨著部件20的形成、固化和/或涂飾而為未固化的纖維增強(qiáng)型復(fù)合部件20提供表面形狀的結(jié)構(gòu)。例如，成形件30可被構(gòu)造成便于制造部件20。成形件30可包括和/或可以是芯棒、模具和/或工具。此外，成形件30可至少部分地覆蓋有和/或可包括部件20的至少一部分(例如，部件20的未固化纖維片的一個(gè)或多個(gè)疊層、層次、層和/或薄片)。檢查區(qū)域50與成形件30的至少一部分關(guān)聯(lián)。一般情況下，檢查區(qū)域50是成形件30的表面區(qū)域，所述表面由成形件30限定(可包括部件20的至少一部分)。
[0019]系統(tǒng)10可關(guān)聯(lián)于和/或可包括AFP機(jī)器40。另外地或替代地，AFP機(jī)器40可被構(gòu)造成將未固化的纖維增強(qiáng)型復(fù)合材料(例如，纖維片)分層堆放在成形件30上和/或檢查區(qū)域50內(nèi)。
[0020]系統(tǒng)10的光投射器12被構(gòu)造成將光圖案投射到成形件30上的檢查區(qū)域50上。光投射器12可包括燈、LED、激光器、衍射分束器、衍射光學(xué)元件和/或激光掃描器。被投射的光圖案是被構(gòu)造成由數(shù)碼相機(jī)14檢測(cè)的圖案。光圖案是高對(duì)比度圖案，由于亮度、頻譜(例如，顏色)和/或偏光變化而使圖案各區(qū)域之間具有對(duì)比度。光圖案可以是規(guī)則(例如，重復(fù)的)圖案、非規(guī)則圖案、隨機(jī)(例如，隨機(jī)或偽隨機(jī))圖案、圖像、斑點(diǎn)陣列和/或網(wǎng)格。光圖案可在一個(gè)和/或兩個(gè)維度之中重復(fù)。如本文中使用的，光指的是紫外線、可見光和/或紅外線區(qū)域內(nèi)的電磁輻射。高對(duì)比度圖案可具有局部和/或全局的高對(duì)比度分辨率(最大亮度和最小亮度之間的差與平均亮度的比值)。合適的高對(duì)比度分辨率包括大于0.5、大于0.8、大于1、大于1.2和/或大于1.5。
[0021 ] 一般情況下，光圖案包括由暗淡的斑塊界定的明亮的斑塊，但是在一些實(shí)施方式中，暗淡的斑塊可由明亮的斑塊界定。光圖案內(nèi)的非圓形斑塊、斑點(diǎn)、小點(diǎn)和/或其它光結(jié)構(gòu)至少具有主要尺寸和較小尺寸。對(duì)于圓形結(jié)構(gòu)，主要尺寸和較小尺寸是相同的。主要尺寸是包圍光結(jié)構(gòu)的界定框(即，矩形)的最長(zhǎng)尺寸。較小尺寸是界定框的最短尺寸。光結(jié)構(gòu)在光圖案內(nèi)的平均較小尺寸可小于(并且可選地基本小于)未固化的纖維增強(qiáng)型復(fù)合部件20的未固化纖維片(例如，條、片材)的寬度。例如，平均較小尺寸可小于12_、小于10mm、小于7mm、小于5mm、小于3mm、小于2mm、小于1mm、大于1mm、大于2mm、大于3mm、大于5mm、大于7mm、大于10mm和/或大于12mm0
[0022]無論圖案的形式如何，光圖案都被構(gòu)造成照亮檢查區(qū)域50處的表面(例如，成形件30和/或在成形件30上至少部分地分層堆放的復(fù)合材料20)。而且，光投射器12和/或光圖案可被構(gòu)造成重復(fù)地復(fù)制檢查區(qū)域50處的相同圖案(例如，每次3D廓形測(cè)量均投射相同的光圖案)。另外地或替代地，光投射器12可被構(gòu)造成投射具有確定性差異的不同的光圖案。
[0023]系統(tǒng)10的數(shù)碼相機(jī)14被構(gòu)造成當(dāng)由光投射器12照亮?xí)r使檢查區(qū)域50成像。系統(tǒng)10可包括一個(gè)或多個(gè)數(shù)碼相機(jī)14。每個(gè)數(shù)碼相機(jī)14均被構(gòu)造成獲取檢查區(qū)域50 (可包括成形件30和/或部件20)的2D (二維)圖像，即，每個(gè)數(shù)碼相機(jī)14的視場(chǎng)均涵蓋檢查區(qū)域50，并且每個(gè)數(shù)碼相機(jī)14均聚焦于檢查區(qū)域50上。數(shù)碼相機(jī)14可包括電子圖像傳感器(諸如CMOS傳感器和/或(XD傳感器)和透鏡。而且，數(shù)碼相機(jī)14被構(gòu)造成響應(yīng)于由光投射器12投射到檢查區(qū)域50上的光圖案，例如，透鏡和圖像傳感器對(duì)來自光圖案的光敏感。
[0024]在系統(tǒng)10包括一個(gè)數(shù)碼相機(jī)14的情況下，數(shù)碼相機(jī)14被構(gòu)造成在檢查區(qū)域50和/或成形件30的不同視角(S卩，不同觀察點(diǎn))之間移動(dòng)。對(duì)于包括兩個(gè)或更多個(gè)數(shù)碼相機(jī)14的系統(tǒng)10，每個(gè)數(shù)碼相機(jī)14均可被獨(dú)立地構(gòu)造成在不同視角之間移動(dòng)。另外地或替代地，兩個(gè)或更多個(gè)數(shù)碼相機(jī)14可被構(gòu)造成一起移動(dòng)，隨著數(shù)碼相機(jī)14 一起移動(dòng)而維持恒定的相對(duì)視角、間距和/或方位。在數(shù)碼相機(jī)14被構(gòu)造成移動(dòng)的情況下，數(shù)碼相機(jī)位置可被索引、跟蹤和/或指示，和/或數(shù)碼相機(jī)14的運(yùn)動(dòng)可自動(dòng)化、被驅(qū)動(dòng)和/或被指揮，以實(shí)現(xiàn)數(shù)碼相機(jī)14的一致性重新定位。為了便于重復(fù)性運(yùn)動(dòng)、準(zhǔn)