阅读说明：本技术 检测材料贴花的正确朝向的方法 (Method for detecting the correct orientation of a decal on a material ) 是由 K·D·鲁博 于 2020-02-14 设计创作，主要内容包括：本公开涉及检测材料贴花的正确朝向的方法。公开了一种核实构件在工作表面上的放置的方法。成像设备和照明系统与计算机电互连。照明系统将标记投射到工作表面上,以指示构件在工作表面上放置的位置。向构件提供指示物,该指示物包括当被照亮时显示荧光波长的光发射,以将构件与工作表面区分开。将构件放在工作表面上由激光标记指示的位置处。照明系统照亮构件,从而在构件和工作表面之间呈现可见的对比度,从而使成像设备能够将构件与工作表面区分开。成像设备向控制器发信号通知构件的位置,以便控制器核实构件的准确放置。(The present disclosure relates to a method of detecting the correct orientation of a material decal. A method of verifying placement of a component on a work surface is disclosed. The imaging device and the illumination system are electrically interconnected with the computer. The illumination system projects indicia onto the work surface to indicate a location on the work surface where the component is placed. Providing an indicator to the member, the indicator comprising a light emission exhibiting a fluorescent wavelength when illuminated to distinguish the member from the work surface. The component is placed on the work surface at the location indicated by the laser mark. The illumination system illuminates the member to present a visible contrast between the member and the work surface, thereby enabling the imaging device to distinguish the member from the work surface. The imaging device signals the position of the member to the controller so that the controller verifies the accurate placement of the member.)

检测材料贴花的正确朝向的方法

在先申请

本申请要求于2019年2月15日提交的美国临时专利申请No.62/806,296、于2019年4月5日提交的美国专利申请No.16/376,463(该申请要求于2018年4月6日提交的美国临时专利申请No.62/653,890的优先权)和于2019年8月9日提交的美国专利申请No.16/536,771(该申请要求于2018年8月10日提交的美国临时专利申请No.62/717,431的优先权)的优先权，每个申请的内容都通过引用整体并入本文。

技术领域

本申请一般而言涉及一种用于核实工作表面上的贴花的正确朝向和位置的改进方法。更具体而言，本申请涉及一种将包括荧光特性的指示物结合到贴花中的方法，从而提供识别工作表面上的贴花的朝向的改进方法。

背景技术

在某些制造处理中，需要核实构件、贴花或部件在工作表面上的正确放置。在一些处理中，工作表面可以是在其上发生分层组装的心轴。可替代地，工作表面可以是组件的在其上放置或配合有附加构件的部件。在这个示例中，可以在部件的工作表面上放置物理标记(例如掩模)，以定位要放置构件的位置或者要在部件上执行附加工作(例如精密喷涂)的位置。

通过将激光标记或模板113投射到工作表面上，已经实现了制造效率的极大提高。投射为操作者提供了要放置构件、掩模或贴花或者要执行附加工作的精确位置。如本文中所使用的，构件、掩模和贴花是可互换的，并且旨在包括以某种方式固定到工作表面上的那些物品。通过组合使用摄影测量法和激光投射来准确地投射标记或模板113，可以实现对这些投射的进一步改进。在美国专利No.9,200,899中公开了一个这样的示例，该专利的内容通过引用整体并入本文。但是，常常有必要对放置的准确性进行附加的验证，以核实操作者已正确定位了构件或贴花。操作者核实是耗时的并且容易发生人为错误。机器视觉核实已被证明是无效的，尤其是在执行分层组装处理时。层之间的对比度的缺乏已被证明对于当前可用的成像设备来说很难将一层与另一层区分开。由于会模糊成像质量的激光散斑，特别是在长距离时，使用激光投影仪核实放置的进一步尝试已被证明是可望而不可及的。

因此，需要提高基于机器的对构件、部件或标记的准确放置的核实的能力。

发明内容

公开了一种核实构件在工作表面上的放置的方法。如本文所使用的，构件包括层片(ply)、部件和物理掩模或标记。利用计算机辅助设计(下文中称为“CAD”)数据以组装顺序和位置对控制器进行编程。控制器电链接到成像设备和照明系统。照明系统包括激光投射仪和发光二极管(LED)及其等同物中的任一个，或两者兼有。照明系统或激光投影仪将标记投射到工作表面上，以指示构件放置在工作表面上的位置。将包括当被照亮时显示荧光波长的光发射的指示物施加到构件上。将构件放置在工作表面上由激光标记指示的位置。照明系统照亮构件，以在构件和工作表面之间呈现可见的对比度，从而使成像设备能够将构件与工作表面区分开。成像设备向控制器发信号通知构件的位置，以便控制器通过将构件的放置与CAD数据进行比较来核实构件的准确放置。

指示物使成像设备能够区分构件的边缘31和配置与背景表面或工作表面。由于指示物的荧光与背景表面之间的对比度，可以高度准确地检测指示物的荧光。成像设备精确地向控制器发信号通知构件的边缘31形状，使得控制器可以与CAD数据进行比较。快速且高度准确的比较使操作者无需尝试从视觉上验证构件在工作表面上的准确放置。

附图说明

当结合附图考虑时，将容易认识到本发明的其它优点，因为通过参考以下

具体实施方式

，将更好地理解本发明，其中：

图1示出了与从荧光材料反射和发射的光形成对比的环境光的组成；

图2示出了荧光材料的照明的比较，其比较具有附加激光照明的环境光的照明组成与从荧光材料反射和发射的光；

图3示出了移除环境光照明的荧光材料的照明的比较；

图4示出了照明系统的第一实施例；

图5示出了照明系统以及激光投影仪和摄影测量系统的第二实施例；

图6A示出了具有激光投影仪和摄影测量系统的第三实施例；并且图6B示出了包括适于感测荧光的激光传感器的第四实施例；

图7示出了具有背衬纸和覆盖纸的一件层片的横截面视图；

图8a示出了具有由激光模板引导的覆盖纸的一件层片的施加处理；

图8b示出了由激光模板引导的掩模的施加处理；以及

图9显示了带有定向纤维的所施加的贴花。

具体实施方式

本申请的发明克服了通过激发荧光染料(die)或已经添加到组装部件(作为非限制性示例，诸如层片、掩模胶带、机械标记等)的等同物来验证准确组装的现有方法。与传统的吸收周围光的某些部分的有色材料不同，荧光材料吸收入射光并且以与照明光的波长不同的波长发射入射辐射。例如，如图1中最佳表示的，橙色荧光材料吸收波长低于大约575nm的环境光，并且重新发射峰值荧光大约为606nm的较长波长的荧光。606nm处的峰值荧光提供了更好地区分荧光对象与非荧光对象的能力。

当荧光材料被具有在荧光波长带之外的波长的照明源照亮时，获得附加的显著益处。例如，用投射在绿色光谱中的激光或其它光源或者在非橙色光谱中照明的发光二极管(LED)来照明荧光材料(例如，橙色荧光材料)提供了实质性的益处。使用生成在荧光材料的荧光带之外的光的照明源对荧光材料的照明提供了将照明光与荧光材料的荧光分离的能力。如图2中所表示的，用于照亮橙色荧光材料的绿色激光器(或绿色LED光源)提供了明显不同的发射响应。绿色激光在大约535nm处提供峰值，而橙色荧光在用绿色光源照亮时在大约606nm处达到峰值。606nm处的荧光峰值提供了有利的区分特点，从而使得能够通过区分从非荧光材料反射的光与层片或带的荧光来实现例如一件层片或带的边缘31的改进的传感器检测。

通过过滤环境照明，可以实现检测污染物的进一步准确性。当减少环境照明时，荧光材料的荧光变得更加明显。以这种方式，甚至可以可靠地检测用荧光染料处理过的非常小的碎片或污染物颗粒。如图3中最佳表示的，环境光的移除提供了激发光源(绿色激光器或LED)和对应的响应性荧光之间的比以前认为可能的明显更加清晰的分离。因此，组装处理的准确性的机器验证现在可以提供对层片、构件、带或等同物的放置准确性的快速分析，以建立准确的结果。

现在参考图4，总体上以10示出了本发明的检测组件的第一实施例。组件10包括具有透镜14和快门16的相机12。相机12中包括光传感器15。在一个实施例中，传感器15是CMOS传感器。在替代实施例中，传感器15是CCD传感器。其它类型的传感器15也在本发明的范围内。照明系统18照亮工件21的工作表面20。在一个实施例中，工件20是铺层(layup)的复合层片。在替代实施例中，工件是包括需要精确放置构件、掩模、层片等的任何设备，在本申请的整个说明书中，所有这些都由元件编号22来标识。可以使用多个照明源来激发荧光材料。

在一个实施例中，激光投影仪112(图5)用于以与用于标记构件22的荧光染料的发射波长不同的激发波长来照亮构件22。虽然在下文中将进一步详细讨论基于激光的照明系统18，但是应当理解的是，本申请的发明包括替代的照明源，包括但不限于LED照明，或者甚至照明源的组合。当照明系统18的照明在荧光光谱的波长之外时，放置的验证准确性显著提高。

照明源18经由计算机24电子地链接或者直接链接到相机12。相机透镜14、快门16和图像捕获与照明系统18同步，以交织图像的捕获。在有和没有照明系统激发荧光材料22的情况下对图像的交织的图像捕获允许计算机24减去环境光对荧光材料22的任何激发。这提供了照明系统18对荧光材料22的激发的隔离。在一个实施例中，以操作者不可察觉的速率进行交织。因此，图像捕获以与照明源18的照明脉冲或闪光相同的速率发生，在这个实施例中，被认为是发光二极管(LED)的闪光或脉冲。另外，对来自多个图像捕获的多个发射信号(荧光)求平均，以提高污染物检测的灵敏度和可靠性。

在一个实施例中，相机12包括“卷帘”快门16，其具有照明频闪率，该照明频闪率是传感器15的图像捕获率的一部分，以在捕获的图像内产生照明带。通过将减小的占空比用于照明系统18的频闪照明，频闪照明的功率远大于操作者感知到的照明的亮度。因此，当照明发生的速率比整个图像捕获的速率高得多时，当激活成像频闪闪光灯时，照明会以“条带”形式发生。在频闪发生的瞬间，与环境照明相比，照明是可观的，仅平均照明功率被成像，因此照明不会显得过亮。当照明带仅包括整个图像捕获时段的一半或四分之一时，这种现象尤其明显。这种策略在不降低传感器15和相机12的任何检测灵敏度的情况下提高了操作者的观看舒适度。

如上所述，期望在照明时隔离荧光发射。为了辅助隔离，另一个实施例提供了包括单色相机(或多个相机)，其使用滤光器将激发能量的波长与所选择的荧光发射波长中的荧光材料发射的荧光隔离。在替代实施例中，选择兼容的波长提供了使用标准彩色相机的滤光器网格将荧光波长与照明(激发)波长分离的能力。例如，生成具有520nm波长的激发光的绿色激光器(或LED)可以容易地从具有606nm波长的橙色荧光发射中滤除。

图5中总体上以100示出了另一个替代实施例。替代实施例100集成了以与美国专利No.9,200,899中公开的系统相似的方式操作的光学铺层激光投射系统110，该专利的内容通过引用整体并入本文。投射系统110包括激光投影仪112和摄影测量组件114。如美国专利No.10,052,734中所公开的，该专利的内容也通过引用整体并入本文，光学铺层系统110将激光模板113投射在组装工具或工件21上，以向操作者提供层片22的每个顺序的片要放置的位置。如在9,200,899专利中所公开的，摄影测量组件114定位组装工具或工件，并基于计算机辅助设计(CAD)模型向计算机24发信号通知将激光模板113投射到何处。在这个实施例中，摄影测量组件114包括一个或多个摄影测量相机116，当污染物被照亮时，它们也可以检测荧光。但是，还应当理解的是，光学铺层系统110也可以与依赖于分离的相机116的照明系统分开。在这个实施例中，摄影测量组件114经由计算机24与激光投影仪112通信，以将激光照明与快门118的速度、图像捕获等进行协调。

如上所述，本发明的一个实施例包括将层片施加到分层的复合工件21上。如图7中所标识的，构件22包括覆盖纸23和背衬材料25。操作者首先将具有背衬材料25的构件22放置成面向成像系统124。然后，成像系统124引导激光器112扫描部署在背衬材料25上的条形码，并且成像系统124检测条形码并向计算机24发信号以核实已选择了正确的构件22。然后，操作者移除背衬材料25。当期望时，检测系统然后核实所有背衬材料已被移除。然后可以将背衬材料25的移除记录在光学模板113系统的处理日志中，从而确保在背衬材料25仍保持原样的情况下(虽然极端，但是如果操作者在仍附有背衬材料的情况下完成零件的尝试放置的时候分心，则会发生此类错误)不放置任何构件22。

一旦背衬纸被移除，操作者就将该件层片22铺在工作表面20上，从而将层片22在工作表面20上铺平，如图8a中所示。层片22粘附到工作表面20上的位置由投影仪112通过激光模板113的投射来标识。在铺平时，包括指示物的覆盖纸23保持原样。一旦放置，操作者就向计算机24发信号发起层片22的位置验证。一旦发起，计算机24就向照明系统18、122或者激光投影仪112发信号以照亮工作表面20和层片22，并且成像设备14、114生成图像，并且更具体而言，从背景工作表面中清楚地勾勒出层片22。由于指示物的荧光，层片22的边缘31在图像中被清晰地限定。因此，计算机24现在可以将检测到的边缘31与CAD数据进行比较，以核实层片22的准确放置。然后，经由终端、智能设备33或甚至投射的激光标记向操作者发信号通知准确放置或者层片已被不准确地放置的不准确放置。

图8b示出了替代实施例，其中操作者粘贴掩模22a，例如用于喷涂操作的掩模胶带。激光投影仪112将激光模板113投射到工作面上；在一个实施例中，飞机机身或其它物体需要高精度的装饰性喷涂。操作者在模板指示的位置处施加包括指示物的掩模22a。一旦施加，操作者就向计算机24发信号以发起通过将检测到的掩模的边缘31与如上所述的掩模22a的设计位置的CAD数据进行比较来进行掩模22a放置的验证。一旦已经以上面解释的方式核实了位置，操作者就发起处理，例如将涂料或其它涂层施加到工作表面20。一旦施加了涂料或其它涂层，就以已知的方式移除掩模22a。

再次参考图5，激光投影仪112与摄影测量组件114和检测组件120协作。检测组件120包括辅助照明系统122，其与激光投影仪112同时、与激光投影仪112一起间歇地、或者在用激光投影仪112照明之前和之后照射层片20。

更进一步地，检测系统120以如上所述的方式包括辅助相机124。辅助相机124向计算机24发信号通知构件22的初步位置或者通过检测由激光投影仪112、辅助照明器122或其组合生成的荧光来检测构件22的确切位置。以这种方式，辅助相机122包括透镜126和快门128，其以与上述相似的方式与照明协调，以选择性地允许光到达传感器115。虽然仅出于示例性目的将快门128表示为机械快门，但是应当理解的是，快门128也可以是能够与来自照明源的闪光或脉冲的速率相称地快速辨别到传感器115的光透射的电子快门。

在图6A中的200处总体上示出了本申请的发明的又一个实施例。第二替代实施例200仅依赖类似于美国专利No.9,200,899中公开的系统的光学铺层激光投射系统210。投射系统210包括激光投影仪212和摄影测量组件214。如上所述，光学铺层系统210将激光模板投射在组装工具或工件20上，以向操作者提供层片22的每个顺序的片要放置的位置。摄影测量组件214定位组装工具或工件，并且基于计算机辅助设计(CAD)模型向计算机224发信号通知将激光模板投射到何处。摄影测量组件214包括一个或多个摄影测量相机216和传感器226，它们也在层片22或掩模23被照亮时检测荧光。更进一步地，替代实施例220可以是与美国专利No.10,239,178中公开的类似的单个系统的一部分，该专利的内容也通过引用整体并入本文。

在这个实施例中，激光投影仪212朝着如上所述的层片的位置投射绿色激光束211。在一个实施例中，激光束211包括线形焦点，以在每次扫描通过时覆盖更多的表面积。如上所述，绿色激光束211对荧光材料的激发使得摄影测量组件214的相机216能够将层片22的荧光与来自工作表面20的任何反射区分开。此外，摄影测量组件214以类似于在美国专利No.9,200,899中进一步解释的识别后向反射器(未示出)的位置的方式通过荧光的三角测量来识别层片22或掩模23的位置。

在图6B中表示的另一个实施例中，不依赖摄影测量系统来区分荧光。在这个实施例中，解释了激光投影仪212的内部工作，其中包括激光传感器254作为替代成像设备234的一部分。激光源213部署在激光投影仪内，用于生成激光束211。计算机224(参见图6A)引导第一扫描马达222和第二扫描马达226以分别引导第一扫描镜220和第二扫描镜224的朝向。二向色镜252位于扫描镜220、224与激光源213之间，以将激光束朝着扫描镜220、224反射。在这个实施例中，当沿着与激光束211相同的路径返回时，来自层片22(或掩模22a)的荧光发射被替代成像设备234感测到。

在这个实施例中，为了激发部署在层片22(掩模22a)中的荧光材料，激光源213将具有大约532nm的峰值的绿色激光束211透射到二向色镜252上，到达第一扫描镜224和第二扫描镜220，以扫描工作表面220上的已经放置了层片22(或掩模22a)的区域。从荧光材料发射的返回光被第一扫描镜220和第二扫描镜224重定向到二向色镜252，该二向色镜252仅将在大约608nm的荧光波长处达到峰值的光透射到传感器254。在这个实施例中，传感器254包括收集光学器件和传感器电子器件，例如光电二极管、光电倍增器和等同物，以提供必要的检测灵敏度。因此，从非荧光材料反射的任何光都不会到达传感器254，从而允许传感器254向计算机224发信号通知层片22(或掩模22a)的精确位置。虽然摄影测量法的使用是相当合适的，但是相信这个替代实施例提供了更快的结果，因为，由于扫描镜220、224跟踪激光束211的移动，因此不需要整个图像捕获。通过使用传感器254，不一定总是需要对层片22的位置进行三角测量。模板的位置已在三维坐标系中确定，并与CAD模型进行了比较。因此，计算机224可以使激光扫描的位置与工作表面20上的正确位置相关。还应当理解的是，一旦激光扫描了工作表面20和层片22，无论是由传感器254还是由相机14、114、214检测到荧光，都不必总是依赖三角测量来准确地验证层片22或掩模22a的放置。

本申请的发明的一个附加特征是核实部署在已经粘附到工作表面20的层片22中的纤维的正确对准。在某些应用中，每件层片22包括被定向为向工件提供必要强度的层片纤维27。如图5中所示，层片22的层可能需要横向纤维朝向，以用于给定工件(例如客机的机翼)中预期的应变的期望分布。

图9示出了位于工件21的工作表面22上的一件层片22。层片22包括与工件纤维29横向定向的层片纤维27。如上所述，层片22是浸渍有层片纤维27以增加强度的聚合物材料。当将层片22的层施加到工件5时，几乎不可能根据设计准则来确定层片纤维27是否正确对准，因为相同的材料被多层施加，直到获得期望的厚度。

在典型的制造方案中，以期望的设计配置对层片22进行预切割，以使纤维6以期望的方式定向。如上所述，在将层片22施加到工件20之前，将背衬纸25从层片22上移除。应当理解的是，形成层片22的材料是在固化之前可能发粘的聚合物。将成套的多件层片22提供给组装设施并且背衬纸25防止各件层片22在组装之前粘附在一起。

如图8a和图8b中所示，一旦已经扫描了背衬纸25以检测条形码或其它识别标记，就将背衬纸25移除并且将该件层片22覆盖在由投射的模板113指示的位置的工件20上。操作者通过摩擦覆盖纸23直到将层片22充分粘附到工作表面20或先前的层片层来将该件层片22在工件20的表面上铺平。当所施加的该件层片22(或掩模22a)与其它片对称时，扫描条形码或其它识别标记特别有用。通过在施加之前扫描条形码或其它识别标记，可以解决任何歧义，从而进一步减少出错的可能性。

覆盖纸23经受当通过图5中所示的激光或照明系统122被照亮时发荧光的染料。如上所述，扫描已经用标记或荧光染料处理过的纸盖23消除了或大大减少了已知使贴花的朝向和位置的精确测量变得模糊的激光散斑。

在移除覆盖纸23之前(在施加之后)，激光投影仪10(或照明设备122)扫描该件层片22，从而使染料发荧光。在一个实施例中，激光投影仪112在该件层片22已经粘附到的区域上扫描跨工作表面20的线束。激光投影仪10中包括的传感器检测荧光的位置，并且计算机24部分地基于由于指示物的荧光而从工作表面20中清晰地勾勒出的覆盖纸24的边缘31的检测来确定覆盖纸24的朝向和配置。纤维27在贴花的生产过程中被定向并且对于每件层片22的轮廓是唯一的。如果确定覆盖纸24的朝向和配置是正确的，则计算机24识别出要正确对准的纤维27。计算机24不仅能够确定正确的纤维27对准，而且还能够通过覆盖纸24与先前的层片层之间的改善的对比度来确定贴花是否已经被正确地定位。通过检测荧光并过滤照明光，消除了已知使成像模糊的激光散斑，从而使计算机24能够精确地将覆盖纸23的边缘31与先前的层片层区分开。因此，现在可以准确地核实覆盖纸23的确切轮廓和朝向。一旦组装完成，或在粘附每一层之后，就可以使用高压釜或其它固化方法来充分地固化层片22的层。

在替代实施例中，还使用成像设备114(例如上面解释的多相机摄影测量系统)来检测覆盖纸23的朝向和配置。在这个实施例中，使用激光投影仪10或者照明系统122来使覆盖纸发荧光。

在确定了纤维27的正确朝向之后，将覆盖纸23从该件层片22上移除，并且组装或固化处理继续。激光投影仪112和/或照明系统122可选地再次照亮该件层片22的施加位置附近的区域，以确定来自覆盖纸23或者背衬纸25的污染物是否仍留在该件层片22中。在一个实施例中，背衬纸25包括与覆盖纸23不同的荧光指示物，从而使得操作者或成像系统124能够确定污染物是否在该件层片22的暴露表面上、在其下方或嵌入在该件层片22中。

已经以说明性的方式描述了本发明，并且应该理解的是，所使用的术语旨在具有描述性词语的性质，而不是限制性的。显然，根据以上教导，本发明的许多修改和变化是可能的。因此，应该理解的是，在说明书中，附图标记仅仅是为了方便起见，而不以任何方式进行限制，并且可以以与具体描述不同的方式来实践本发明。因此，可以在预期的权利要求的范围内以不同于具体描述的方式来实践本发明。