投影缺陷和检查位置的系统及相关方法

专利名称：投影缺陷和检查位置的系统及相关方法
技术领域：
本发明涉及光投影系统，更具体地，涉及一种用于在制造或装配工件
(workpiece)期间投影缺陷(flaw)和^r查位置的光投影系统。
背景技术：
一种用于帮助测量工件的方法和设备包括使用图像投影设备，例如激光 投影机，其将激光束投影在工件上，以限定检查工件的特定位置。此外，在 装配和检查工件期间已采用图像投影设备来帮助工人。例如，图像投影设备 能够投影飞机机身或样板的叠层(laminate ply)的位置或投影要装配的部件的 轮廓。
因此，需要控制或监视图像投影设备的方位和位置，以准确地将图像投 影在工件上。通常，投影技术不仅需要对正被投影的物体上的参考点进行测 量，而且如果这些参考分布在图像投影设备的视野之外，则需要辅助测量系 统以建立参考点。例如，Morden等人的美国专利申请公开No.20050121422 公开了 一种激光投影系统，其修改存储在计算机中的与设计工件的激光投影 相关联的数据，以提供激光图像在建造条件下的工件上的投影。具体地， Morden采用数字扫描仪和激光投影仪，它们都安装在具有测量接收器和反 射靶(target)的框架(frame)组件上，用于确定扫描仪和投影仪相对于各个框架 组件的位置。因而，激光投影系统本质上是"无靶的(targetless)"，因为尽管 反射把在框架组件上，但是在数字扫描仪或激光投影仪的视野之内，工件不 需要靶。
另外，Kaufman等人的美国专利申请公开No.20040189944公开了一种 将实际表面上的偏差可^f见化的方法和系统。更详细地，Kaufman公开了通过 将勾画出与理想设计偏离的区域的轮廓的图案光投影在表面上而将表面形 状误差可视化。该系统利用与回射(retro-reflective)元件结合的激光跟踪器和 与该表面相关的参考点，来产生提供实际表面的空间轮廓的数据点的三维点 云。该激光跟踪器所用的相同参考点也可以由图像投影设备来测量，以计算其方位和位置。将该点云与标称表面相比，计算偏差并将此偏差变换成二维
地形图(two-dimensional topographical map),以利用光才更影4义将其投影在表面 上。
尽管为了其它目的(如，画图、应用贴花(decal)等)已经发展了针对工件 上的装配或定位区域的确定设计外围和建造外围之间的差的技术，但是通常 不采用图像投影系统来定位工件上或工件内的缺陷。例如，不采用通常的投 影系统来定位裂缝、间断、空隙或细孔，这些会不利地影响工件的性能。此 外，通常的图像投影系统不能用在制造期间(如，在将复合层带状铺叠在工 件上期间)，以验证工件的完整性和适当性。另外，通常的图像投影系统不 能用于记录工件表面上的反馈(如，关于正被检查的工件的信息)。
因此，提供能够定位工件上或工件内的缺陷的光投影系统是有益的。此 外，提供能够在制造过程期间定位工件上或工件内的缺陷而不需要测量参考 点的光投影系统是有益的。投影指示工件上或工件内的缺陷的类型的信息也 是有益的。此外，提供定位缺陷并能够提供有关工件上或工件内的缺陷的反 馈的光投影系统是有益的。

发明内容
本发明的实施例可以通过提供一种能够定位描述工件的至少 一部分的 特征的信息并将指示被描述特征的部分的图像投影在工件上的光投影系统 来解决至少一些上述需要并达到其它优势。具体来说，该系统能够从获取指 示工件的信息的一个或多个传感器接收信息或访问存储指示工件的信息(如 特征缺陷)的数据库，并利用用于投影图像的图像投影设备来定位工件上的 缺陷。这样，技术人员可以容易地识别并定位缺陷，以修复/替换工件的一部 分或装配/再装配该工件。
在本发明的一个实施例中，提供了一种光投影系统。该系统包括能够提 供指示工件内的缺陷的信息的数据系统，其中该信息基于由至少 一个传感器 获取的数据。另外，该系统包括与该数据系统(例如，数据获取系统或数据 库)通信的图像投影设备(例如，激光投影仪或数字投影仪)，用于将指示缺陷 的图像投影在工件上。该系统还包括多个编码器，用于确定该图像投影设备 的位置和/或方位。该工件通常无需投影仪定位设备(例如参考靶)。
根据本发明的系统的各种修改，该系统也包括一个或多个投影仪定位设备，用于确定该图像投影设备的位置和/或方位。该投影仪定位设备可以是包 括靶的框架，其中该图像投影设备能够测量靶并确定其位置和/或方位。该图 像投影设备和框架可以附接于可移动台架上，或者可以位于与台架相邻的带
子叠》文头(tape lamination header)的附近。该系统也可以包4舌至少一个编石马反 射设备，用于响应于与投影的图像的相互作用向数据系统提供指示裂紋的反 馈。
该系统的另外变化提供一种能够提供缺陷的位置信息以及指示缺陷的 信息的数据系统。此外，该图像投影设备能够将指示缺陷的位置的图像以及 指示缺陷的图像(如，关于裂紋的外围的图像和/或指示裂紋的具体类型的图 像)都投影在工件上。
本发明的其它方面也提供用于将图像投影在工件上的方法。该方法包括 提供指示工件内的缺陷的信息。该方法还包括利用多个编码器确定图像投影 设备的位置和/或方位，以及利用图像投影设备将指示缺陷的图像投影在工件 上。该方法也可以包括将带子(tape)叠放在心轴(mandrel)上以形成工件的至少 一部分，使得在工件制造期间可以将图像投影在工件上。此外，该方法可以 包括响应于与被投影图像的相互作用而利用至少一个编码反射设备来提供 指示缺陷的反馈。
在此方法的各个方面中，该投影步骤包括将表示缺陷的位置的图像投影 在工件上。例如，该投影步骤可以包括利用该图像投影设备来投影关于缺陷 的外围的多边形图像和/或投影指示缺陷的具体类型的图像。此外，该提供步 骤可以包括提供指示缺陷的位置信息，如缺陷的坐标。该提供步骤可以包括 从数据系统访问指示工件的信息。该确定步骤可以包括利用至少 一个投影仪 定位设备来确定图像投影设备的位置和/或方位。


现在参照附图来描述已概括地描述的本发明，附图不是必需按照比例来 绘制，其中
图1是根据本发明的一个实施例的光投影系统的透视图； 图2是根据本发明的另一个实施例的投影在工件上的关于缺陷的外围 的图像的正视图；以及
图3是示出根据本发明的一个实施例的将图像投影在工件上的方法的流程图。
具体实施例方式
下文将参照附图更完整地描述本发明，在附图中，示出了本发明的一些 而非全部实施例。实际上，本发明可以以多种不同的形式来体现，并且不应 当被理解为限于这里阐述的实施例；相反，提供这些实施例是为了本公开的 内容满足实用的正当需求。相似的数字始终指代相似的元件。
现在参照附图，具体地参照图1,其示出了用于识别和定位在工件上或
工件内的缺陷的光^:影系统。所示出的实施例的系统10包括有多个头的带 子叠层机器12( "MHTLM"),采用此机器将带子14绕在心轴16,以形成 诸如飞机机身的工件。传感器18由MHTLM 12携带并且定位，以在将带子 14叠放在心轴上时获取指示工件的数据。此外，系统10包括图像投影设备 20,其能够将图像30投影在用于定位由传感器18所识别的工件的一部分的 工件上。传感器18和图像投影设备20与数据系统22通信，以使得数据系 统可以提供和/或处理由该图像投影设备的传感器获取的数据。例如，数据系 统22能够提供由传感器18检测到的缺陷的位置信息，图像投影设备20可 以将指示缺陷的图像投影在工件上。这里所用的术语"缺陷"并不意味着限 制，因为缺陷可以是需要技术人员注意的工件内的任何疵点、瑕疵或特征， 以用于诸如修复或替换该工件或工件的一部分。
光投影系统10可以用于在需要或想要检测工件内的缺陷或瑕疵的多种 工业中(如，飞机、汽车或建筑工业)检查任何数量的工件。此外，系统10可 以用在装配工件期间或之后用于提供工件上的位置以用于测量或另外的制 造操作，例如用于在带状层压工件期间(during tape lamination of the workpiece)定位层边界。
术语"工件"也不意欲是限制性的，因为光投影系统IO可以用于检查 任何数量的不同形状和大小的部件或构件，如机制锻件、铸件或薄板。因此， 尽管图1示出了 MHTLM 12用于将带子14放置在工件上，但是可以采用系 统10来检查各种工件。例如，可以对新制造的构件或正被检查的已有构件 执行检查以防止维修。此外，工件可以是任何数量的复合材料和/或金属材料。
参照所示出的实施例，本领域技术人员公知的MHTLM 12通常包括台 架(gantry)26和多个带子头19以放置复合材料的带子14。台架26能够沿着轨道28移动以使得带子14随着心轴16的旋转而被放置并随着台架的移动 而被纵向放置。但是，这里所用的术语"MHTLM"不意欲是限制性的，因 为可以使用运动轴上具有编码器的任何数控机器或手动操作机器。可以有任 何数量的机器编码器位于MHTLM 12的任何移动部件上，如心轴16、台架 26和带子头19。机器编码器能够确定MHTLM的各个部件的方位和位置。
图像投影设备20可以是能够将可视图像30投影在工件上的任何设备。 例如，图像投影设备20可以是激光投影仪或数字投影仪。图像投影设备20(如 激光投影仪)包括检流计，用于将投影图像30导向到期望坐标。图像投影设 备20附接到台架26上，以使得当带子14随着带子头19被放置时图像投影 设备可以随着台架而移动。具体来说，图像投影设备20安装在MHTLM操 作员的工作台之上和之后，如图l所示，然而图像投影设备可以位于各个位 置并且仍然能够将图像投影在工件上。心轴16的旋转使得图像投影设备20 相对于台架26保持固定，仍然与工件的表面近似垂直地投影图像。因而， 可以降低由投影不确定性(即，图像投影设备如何瞄准)、表面不确定性和任 何参考靶中的不确定性导致的误差。尽管图1中仅描述了单个图像投影设备 20，但是如果需要的话，可以存在多于一个的附接到台架26上并与数据系 统22通信的图像投影设备。
可以使用机器编码器依次确定图像投影设备20相对于台架26和工件的 位置和方位。可以采用机器编码器来监视MHTLM 12的各个部件的位置， 如上所述。因而，通过确定MHTLM 12的各个部件的位置和方位，可以确 定图像投影设备20的位置和/或方位。通过使用机器编码器来确定图像投影 设备20的位置和/或方位，也可以确定图像在工件上的投影的位置。
如果需要额外的精确度，则各种投影仪定位设备可以用于确定图像投影 设备20的位置和方位，例如回射靶或其上附接有回射靶34的框架32，如图 1中所示。本领域技术人员公知的回射靶在其被投影的方向的近似反方向将 光反射回图像投影设备20，该图像投影设备包括功率检测器，其检测由该回 射耙返回的光强度并产生回射靶的坐标。可以采用机器编码器来监视 MHTLM 12的各个部件的位置，如上所述。因而，通过确定MHTLM12的 各个部件的位置和/或方位，可以确定回射靶34相对于工件的位置。
图像投影设备20能够投影在多个回射靶34上，以获得图像投影设备相 对于台架26的位置的位置和方位。因而，可以将基于反射光产生的回射靶34的坐标与靶的已知位置联系起来，并且可以确定图像投影设备20的位置 和方位。回射靶的使用可以依赖于由机器编码器所确定的图像投影设备20 的位置的可接受容差。图像投影设备20的瞄准误差的主要来源是其方位， 因此其主要误差为位置(即，位移)的回射靶的潜在使用可以改善图像投影设 备的方位误差。此外，通常考虑图像投影设备20和心轴16之间的距离，以 用于精确地将数据系统22产生的坐标投影到工件上。
如图1所示，框架32附接于台架26之上并包括四个回射靶，然而可以 采用任意数量的靶。此外，尽管图像投影设备20通常相对于台架26固定， 但是图像投影设备可以包括用于移动该图像投影设备的致动器和监视该设 备的移动的编码器。因此，工件是"无靶的，，，因为工件上不用包括参考靶 就可以确定图像投影设备20的位置和方位。此外，由于可以不依赖工件的 大小而校准图像投影设备，因此图像投影设备20的视野可以小于工件。图 像投影设备20通常可以投影心轴16和台架26的任何位置。
可以使用各种类型的传感器18来检查工件。传感器18与数据系统12 通信。数据系统22可以包括在成像软件的控制下工作的处理器或相似的计 算设备，以使得可以描述工件内的任何缺陷或瑕疵的特征。可替换地，数据 可以存储在与数据系统22相关联的存储器设备中，以用于随后的检查和分 析。因而，数据系统22可以简单地是用于存储缺陷的位置信息和/或指示缺 陷的数据的数据库，以使得可以在以后访问该信息。数据系统22能够产生 指示缺陷的数据和/或图像，并且也可以允许用户存储和编辑先前产生的数据 和/或图像。但是，应当理解，数据系统22不需要产生图像，因为数据系统 可以数学收集和分析数据，并产生如位置信息，以及将该信息发送到图像投 影设备20。
图像投影设备20能够将指示缺陷的图像30投影在工件上。例如，图像 投影设备20可以投影勾画出缺陷的外围的图像。因而，图像30可以是诸如 菱形或矩形的各种多边形结构或者是能够限定缺陷的范围的任何其它边界 (例如，圆形)。结果，由传感器18识别和由数据系统22描迷其特征的缺陷 可以容易地由技术人员定位以进行修复或替换。此外，图像30的结构可以 用于指示缺陷的特征(即，分类)和/或类型。例如，正方形可以指示一种缺陷， 而圆形可以指示第二种缺陷。图2示出了图像投影设备20将关于缺陷的多 边形图像30投影在工件(如叠放在心轴16上的褶皱带M)上。多边形图像30显示已由数据系统22检测并描述了其特征的缺陷33的轮廓，并将其分类。
应当理解，可以采用图像投影设备20来将任何期望图像投影在工件上。 例如，图像投影设备20可以将在描述工件本身的缺陷的图像投影在该工件 上。此外，图像投影设备20可以投影具有各种颜色的图像，如用于识别缺 陷的具体类型或严重程度。图像投影设备20也能够根据由传感器18检测到 的缺陷数来投影单个视野内的任何数量和大小的图像30。
因此，为了精确地将图像投影在工件上以进行修复或替换，数据系统22 通常给图像投影设备20提供缺陷的坐标。数据系统22可以采用各种技术来 产生缺陷的坐标，并且图像投影设备20利用该坐标来将指示缺陷的图像投 影在工件上。例如，当利用传感器18检测缺陷时，将缺陷的位置转换成关 于心轴16的部分坐标(即，以CAD模型观看的缺陷)。可以经由数据系统22 将这些位置发送到图像投影设备20作为X、 Y、 Z部分坐标。更详细地说， 给定台架26的位置和心轴16的旋转角，框架32上的回射靶34的位置可以 被转换为相对于心轴和台架的任何位置的部分坐标。基于所测量的回射靶34 计算图像投影设备20的位置和方位将图像投影设备转换成相对部分坐标， 因而使得将缺陷投影在工件上。换句话说，该坐标方案利用缺陷位置(即， 在部分坐标中的缺陷)和基于台架26的位置和心轴16的旋转而改变的参考 系统。
为精确地描述勾画出工件上的缺陷的轮廓的图像而可以采用的其他示 范性技术包括将由传感器18检测到的信息发送到数据系统22,并且利用 数据系统基于台架26的位置和心轴16的旋转角将缺陷的位置信息转换成台 架坐标。当台架26和心轴16移动时，将缺陷的X、 Y、 Z坐标经由数据系 统22发送到图像投影设备20。图像投影设备20的位置和方位在台架坐标中， 如上所迷基于位于框架32上的回射靶34，并且数据系统22可以为图像投影 设备提供相对的台架坐标以将缺陷的图像投影在工件上。因而，由于台架坐 标中的缺陷随着台架26的位置和心轴16的旋转而改变，并与基于图像投影 设备20的位置的固定参考系统相结合，因此该坐标技术使用变化的缺陷位 置。
当心轴16和台架26固定时，通常执行利用图像投影设备20将图像投 影在工件上的操作。因而，检查工件所需的固定位置数依赖于心轴16的尺 寸和图像投影设备20的视野。例如，图像投影设备20的视野可以与心轴16的每卯。的旋转对应。但是，应当理解，可以随着利用MHTLM 12将带子 14叠放在心轴16上而实时地或接近于实时地将图像投影在工件上。
图像投影设备20也能够响应于与编码反射设备的相互作用而向数据系 统22提供反馈。例如，图像投影设备20能够包括功率检测电路，其可以使 用回射靶或由检测回射靶返回的光强的相同的功率检测器来触发。当投影缺 陷位置时，各种编码反射设备(例如，回射材料或多片回射材料(与条形码相 似))可以位于投影中，并且在特定缺陷处返回的功率的检测可以使得图像投 影设备20向数据系统22传达关于缺陷的信息(例如，缺陷的类型或可能需 要执行的校正动作)。因而，到数据系统的反馈可以用于指示缺陷的配置， 用于保持记录或用于以后修复/替换。例如，可以利用指示不存在缺陷的特定 回射"条形码"来向数据系统22传达回不包含缺陷或包含修复的缺陷的缺 陷位置，而其它类型的缺陷(例如，需要另外修复的缺陷)将使用它们自己的 回射条形码。结果，操作员可以容易地处理(disposition)正被投影的缺陷而不
必要手动输入关于缺陷的信息。
图3示出了根据本发明的一个实施例的将图像投影在工件上的方法，其 中该图像指示工件上的缺陷。例如，通常从数据系统22提供指示正被检查 的工件的数据(块40)。编码器和/或投影仪定位设备用来确定图像投影设备的 位置和方位(块42)。图像4殳影设备20能够将指示缺陷的图像投影在工件上 (块44)。
因而，本发明提供了几个优点。光投影系统10提供通过将指示缺陷的 位置的图像投影在工件上来定位在工件上的缺陷的技术。缺陷的坐标可以被 识别并用来将图像自动地投影在工件上。这样，可以容易地定位并识别缺陷， 使得可以执行修复、替换或校正受影响区域的校正步骤。此外，光投影系统 IO能够利用不需投影仪定位设备(即，参考靶)的工件，包括图像投影设备20 的视野小于工件的情况。因而，光投影系统10不受工件的尺寸限制，并且 通过将机器坐标与图像投影设备的位置和方位联系起来，能够利用图像投影 设备20投影机器坐标中的缺陷。此外，光投影系统IO能够在工件被制造时 描述并定位工件上或工件内的缺陷。因此，光投影系统10可以提供实时的 或接近于实时的反馈，以用于有效地检查工件。此外，图像投影设备20能 够检测放置在被投影的关于缺陷的图像中的回射材料，从而向数据系统22 提供反馈。在前面描述和相关附图中介绍的教导的帮助下，本发明所属领域的^l支术 人员将想到这里阐述的本发明的许多修改和其它实施例。因此，应当理解， 本发明不限于所公开的特定实施例，并且意欲将修改和其它实施例包括在所 附权利要求书的范围之内。尽管这里采用了特定术语，但是它们仅是一般和 描述意义上使用的，而不是为了限制的目的。
权利要求
1、一种光投影系统，包括数据系统，能够提供指示工件内的缺陷的信息，其中该信息基于由至少一个传感器获取的数据；图像投影设备，与该数据系统通信并且能够将指示缺陷的图像投影在工件上；以及多个编码器，用于确定该图像投影设备的位置和方位中的至少一个。
2、 根据权利要求1所述的系统，其中，该数据系统包括数据获取系统， 用于处理由该至少一个传感器或数据库获得的数据。
3、 根据权利要求1所述的系统，其中，该图像投影设备包括激光投影 仪或数字投影仪。
4、 根据权利要求1所述的系统，还包括至少一个投影仪定位设备，其 能够确定该图像投影设备的位置和方位中的至少一个。
5、 根据权利要求4所述的系统，其中，该投影仪定位设备包括包含回 射靶的框架，以及其中该图像投影设备能够将图像投影在该回射靶上。
6、 根据权利要求5所述的系统，其中，该多个编码器能够确定该回射 輩巴的位置。
7、 根据权利要求5所述的系统，其中，该图像投影设备和框架附接于 可移动台架上。
8、 根据权利要求1所述的系统，其中，该数据系统能够提供指示该缺 陷的位置的位置信息和指示该缺陷的信息。
9、 根据权利要求1所述的系统，其中，该图像投影设备能够将表示缺 陷的位置的图像投影在该工件上。
10、 根据权利要求1所述的系统，其中，该图像投影设备能够将关于该 缺陷的外围的图像投影在该工件上。
11、 根据权利要求1所述的系统，其中，该图像投影设备能够将指示缺 陷的特定类型的图像投影在该工件上。
12、 根据权利要求1所述的系统，其中，该工件无需投影仪定位设备。
13、 根据权利要求1所述的系统，还包括至少一个编码反射设备，其能 够响应于与被投影的图像的相互作用，将指示缺陷的反馈提供给该数据系统。
14、 一种用于将图像^:影在工件上的方法，包括 提供指示工件内的缺陷的信息；利用多个编码器确定图像投影设备的位置和方位中的至少一个；以及 利用该图像投影设备将指示缺陷的图像投影在工件上。
15、 根据权利要求14所述的方法，其中，该投影步骤包括将表示缺陷 的位置的图像投影在该工件上。
16、 根据权利要求14所述的方法，其中，该投影步骤包括将指示缺陷 的特定类型的图像投影在该工件上。
17、 根据权利要求14所述的方法，其中，该提供步骤包括提供指示缺 陷的位置信息。
18、 根据权利要求17所述的方法，其中，该提供步骤包括提供缺陷的 坐标。
19、 根据权利要求17所述的方法，还包括将该位置信息传达给该图像 投影设备。
20、 根据权利要求14所述的方法，其中，该投影步骤包括利用该图像 投影设备投影关于该缺陷的外围的多边形图像。
21、 根据权利要求14所述的方法，还包括将带子放置在心轴上以形成 该工件的至少一部分。
22、 根据权利要求14所述的方法，其中，该提供步骤包括从数据系统 访问指示工件的信息。
23、 根据权利要求14所述的方法，还包括利用至少一个编码反射设备 响应于与被投影的图像的相互作用，提供指示缺陷的反馈。
24、 根据权利要求14所述的方法，其中，该确定步骤包括利用该至少 一个投影仪定位设备来确定该图像投影设备的位置和方位中的至少一个。
全文摘要
提供了一种将图像投影在工件上的系统和方法。该系统包括能够提供指示工件内的缺陷的信息的数据系统，其中该信息基于由至少一个传感器获取的数据。该系统也包括图像投影设备，其与该数据系统通信并能够将指示缺陷的图像投影在工件上，该系统还包括多个编码器，用于确定图像投影设备的位置和/或方位。
文档编号G03B29/00GK101322071SQ200680045229
公开日2008年12月10日 申请日期2006年12月1日 优先权日2005年12月2日
发明者约翰·W·帕尔马蒂尔, 艾伦·S·洛克 申请人:波音公司