CN103906992A

CN103906992A - 借助于2d记录的3d表面检测系统和方法

Info

Publication number: CN103906992A
Application number: CN201280054076.1A
Authority: CN
Inventors: 罗尼·扬克; 特里斯坦·施策普雷克
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2011-11-02
Filing date: 2012-09-14
Publication date: 2014-07-02
Also published as: WO2013064297A1; EP2753895A1; US20140232857A1; EP2589925A1

Abstract

通过简单地记录二维图像和对比已知的3D模型能够通过最佳拟合来检测部件的真实的三维结构。

Description

借助于2D记录的3D表面检测系统和方法

技术领域

本发明涉及一种借助于二维记录的三维表面检测系统。

背景技术

在多个器件中，对整个三维器件表面进行100％的光学检查是必要的。这例如在涡轮叶片中包括冷空气孔的位置和完整的覆层。

已知的三维检测系统是非常耗时的和成本高的。

发明内容

因此，本发明的目的是解决所述问题。

所述目的通过一种3D表面检测系统和一种根据权利要求14所述的方法来实现。

在从属权利要求中列举其他有利的措施，所述措施能够任意地彼此组合，以便实现其他的优点。

附图说明

附图示出：

图1至6示出本发明的实施例。

图7示出涡轮叶片。

说明书和附图仅描述本发明的实施例。

具体实施方式

图1示出根据本发明的3D表面检测系统1。

3D表面检测系统1具有测量台10，在所述测量台上存在待检验的部件4、120、130。

围绕部件4、120、130存在至少一个相机7’，所述相机的位置被改变或者使用优选固定地安装的多个相机7’、......、7^V、......。

相机7’、7’’设置为，使得所述相机检测部件4、120、130的背离测量台10的整个表面。

相机7’、7’’、......的安装能够根据部件的类型变化。对于不同大小、类型的涡轮叶片120、130(转子叶片120或导向叶片130)能够应用相机7’、7’’、......的相同的、固定的安装。

在根据图1的测量台10上优选存在至少一个基准标记13’、13’’、......(如在图2至6中示出的)，在此优选存在八个基准标记。

3D表面检测优选如下地进行：

1.提供由测量台10、相机系统(一个或多个相机7’、7’’、......)和照明装置8’、8’’构成的装置

2.在测量台10上安置基准标记13或者测量台10已经具有所述基准标记

3.在测量台10上定位部件4、120、130；当部件长形地构成时，最好以平坦的方式定位

4.通过所有所使用的、固定安装的相机7’、7’’、......或一个相机7’在不同的位置中记录单张图像

5.从单张图像中识别部件4、120、130的位置

6.通过最佳拟合分析将部件精确定向到已知的3D模型

7.映射单张图像到相应的3D模型上

8.通过取平均值、对比度设置或边缘锐化来优化重叠的图像区域

9.翻转部件4、120、130并且从步骤3开始重复

10.将单个记录(2D)与已知的已存储的3D模型组合为“部件的3D轮廓”。

可选地，借助于投射的光结构、尤其通过条纹来实现部件4、120、130的表面检测，使得更好地检测部件4、120、130的边缘。

可选地，尤其借助于投影设备实现对部件3、120、140的选择性的照亮，使得进行强烈反射的区域不被照明或仅被少量照明。这在涡轮叶片120、130中例如是叶片根部183、400(图7)。

优选地，外部光抑制通过单色照明和图像评估来实现。

优选的是，在相机镜头上的环形光和/或使用侧面的暗场照明，以便突出小的缺陷如刮痕、不平坦部、受压部位。

基准标记13、13’优选环形地构成和/或设置并且具有标识14’-14^IV。标识14’、......14^IV能够是线状的或点状的(图3、4、5、6)。

图2-6示出能够设置或安装在测量台10上的不同的基准标记。

图2示出具有径向地从圆周16延伸的两个线状的标识14’、14’’和尖部同样径向的延伸的V形的标识14’’、14’’’的基准标记。基准标记13的不同的标识14’、......、14^IV的顺序是不重要的(在图5中同样如此)。

图3示出基准元件13的圆形的结构，所述圆形的结构由至少两个、在此为四个弯曲的线状标识14’、......14^IV构成，所述标识在此优选构成圆形的结构。

外部的封闭的、圆形的线16能够存在或者仅是示出标识14’、14’’、......的布置的分布的假想线(图2-5)。

对于根据图3的线状的标识14’、14’’、......的一个替选方案是，根据图4的多个点状的标识14’、14’’、......是基准元件13、13’、13’’、......，所述标识同样构成圆形或椭圆形。

同样地，由优选围成圆形的或椭圆形的结构的线状的和圆形的(点)标识14’、14’’、......构成的组合是可设想的，如这在图5中所示出的。

标识14’、14’’、......也能够正方形地或矩形地设置。

图6示出测量台10，在所述测量台上优选设置有两个基准标记13’、13’’。

基准标记13、13’在此是优选设置在测量台10的端侧上的线状的元件。

同样地，根据图2、3、4、5或6的至少两个或优选四个基准标记13、13’、13’’、13’’’能够设置在测量台10的角部中(未示出)。

可选地，能够实现基准标记的能借助于相机7’、7’’识别的标志(二进制编码)。可选地，基准标记也能够借助于投影设备被投射到任意的台上并且随后被测量(卷尺)。该选项优选在不具有编码的检验台的移动系统中应用。

基准标记13用于当所述部件的位置改变，尤其转动时(步骤9)，确定部件4、120、130的位置。因此，部件4、120、130的记录能够从两侧彼此结合。在部件4、120、130上不需要基准标记。

优点是：

-不需要对组件4、120、130进行3D测量

-因为没有由夹紧装置遮盖，能够完整地检测表面

-相机的自由定位是可能的(通过基准标记来调准)

-不需要耗时的3D测量

-在待测件上没有被基准标记遮盖。以3D的方式准确地示出待测件表面的所有异常的位置

-在3D模型上进行后续的测量是可能的

-相对于常规的3D记录(>100MB)的少的数据量(<<10MB)

-将2D单张图像快速地显示在3D模型上。

图7示出沿着纵轴线121延伸的流体机械的转子叶片120或导向叶片130的立体图。

流体机械能够是飞机的或用于发电的发电厂的燃气轮机、蒸汽轮机或压缩机。

叶片120、130沿着纵轴线121相继具有：固定区域400、邻接于固定区域的叶片平台403以及叶身406和叶片梢部415。

作为导向叶片130，叶片130能够在其叶片梢部415处具有另一平台(没有示出)。

在固定区域400中形成有用于将转子叶片120、130固定在轴或盘(没有示出)上的叶片根部183。

叶片根部183例如构成为锤头形。作为枞树形根部或燕尾形根部的其他设计方案是可行的。

叶片120、130对于流过叶身406的介质具有迎流棱边409和出流棱边412。

在传统的叶片120、130中，在叶片120、130的所有区域400、403、406中使用例如实心的金属材料、尤其是超合金。

例如由EP1204776B1、EP1306454、EP1319729A1、WO99/67435或WO00/44949已知这样的超合金。

在这种情况下，叶片120、130能够通过铸造法，也能够借助定向凝固、通过锻造法、通过铣削法或其组合来制造。

将带有一个或多个单晶结构的工件用作机器的在运行时承受高的机械的、热的和/或化学的负荷的构件。

这种单晶工件的制造例如通过由熔融物的定向凝固来进行。在此，这涉及一种浇注法，其中液态金属合金凝固为单晶结构、即单晶工件，或者定向凝固。

在这种情况下，枝状晶体沿热流定向，并且形成柱状晶体的晶粒结构(柱状地，也就是说在工件的整个长度上分布的晶粒，并且在此根据一般的语言习惯称为定向凝固)，或者形成单晶结构，也就是说整个工件由唯一的晶体构成。在这些方法中，必须避免过渡成球形(多晶的)凝固，因为通过非定向的生长不可避免地构成横向和纵向晶界，所述横向和纵向晶界使定向凝固的或单晶的构件的良好特性不起作用。

如果一般性地提到定向凝固组织，则是指不具有晶界或最多具有小角度晶界的单晶和确实具有沿纵向方向分布的晶界但不具有横向晶界的柱状晶体结构。第二种所提到的晶体结构也称为定向凝固组织(directionally solidified structures)。

由US-PS6,024,792和EP0892090A1已知这样的方法。

叶片120、130同样能够具有防腐蚀或抗氧化的覆层，例如(MCrAlX；M是下述组中的至少一种元素：铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)，X是活性元素并且代表钇(Y)和/或硅和/或至少一种稀土元素，或铪(Hf))。从EP0486489B1、EP0786017B1、EP0412397B1或EP1306454A1中已知这样的合金。

密度优选是理论密度的95％。

在MCrAlX层(作为中间层或最外层)上构成进行保护的氧化铝层(TGO＝热生长氧化物层thermal grown oxide layer)。

优选地，层组成成分具有Co-30Ni-28Cr-8Al-0.6Y-0.7Si或Co-28Ni-24Cr-10Al-0.6Y。除了所述钴基的保护覆层以外，也优选使用镍基的保护层如Ni-10Cr-12Al-0.6Y-3Re或Ni-12Co-21Cr-11Al-0.4Y-2Re或Ni-25Co-17Cr-10Al-0.4Y-1.5Re。

在MCrAlX上还能够存在隔热层，隔热层优选是最外层并例如由ZrO₂、Y₂O₃-ZrO₂组成，即隔热层通过氧化钇和/或氧化钙和/或氧化镁非稳定、部分稳定或完全稳定。

隔热层覆盖整个MCrAlX层。通过例如电子束气相淀积(EB-PVD)的适当的覆层方法在隔热层中产生柱状晶粒。

其他覆层方法也是可以考虑的，例如大气等离子喷涂(APS)、LPPS(低压等离子喷涂)、VPS(真空等离子喷涂)或CVD(化学气相沉积)。隔热层能够具有多孔的、有微观裂缝或宏观裂缝的晶粒，以达到更好的耐热冲击性。因此，隔热层优选地比MCrAlX层更为多孔。

再处理(Refurbishment)意味着，在使用构件120、130之后，必要时必须将保护层从涡轮叶片120、130上去除(例如通过喷砂)。接着，去除腐蚀层和/或氧化层或腐蚀产物和/或氧化产物。必要时，还修复在构件120、130中的裂缝。然后，进行构件120、130的再覆层以及构件120、130的重新使用。

叶片120、130能够实施成空心的或实心的。如果要冷却叶片120、130，则叶片为空心的并且必要时还具有薄膜冷却孔418(由虚线表示)。

Claims

1.一种3D表面检测系统(1)，

所述3D表面检测系统至少具有：

测量台(10)，

在所述测量台(10)上能够安置用于3D检测的部件(4，120，130)；

至少一个相机(7’，7’’，......)，

尤其多个相机(7’，7’’，......)，

所述相机对所述部件(4，120，130)进行二维记录；

计算机，

借助于所述计算机能够将所述相机(7’，7’’，......)的二维记录与已存储的3D模型进行对比，以及

借助于二维记录和已存储的3D模型的最佳拟合得到待测量的部件(4，120，130)的3D模型。

2.根据权利要求1所述的系统，

所述系统为了表面检测而具有照明装置(8’，8’’)，

所述照明装置能够实现投射的光结构、尤其条纹状结构。

3.根据权利要求1或2中一项或两项所述的系统，

所述系统具有照明装置(8’，8’’)，

所述照明装置能够实现对所述部件(4，120，130)进行选择性的照亮。

4.根据权利要求1、2或3中的一项或多项所述的系统，

所述系统具有外部光抑制，

尤其通过单色照明和图像评估。

5.根据权利要求1所述的系统，

所述系统具有至少一个基准标记(13’，13’’，......)，

尤其多个基准标记(13’，13’’，......)，

更尤其其中所述测量台(10)具有所述基准标记(13’，13’’)。

6.根据权利要求5所述的系统，

其中至少一个所述基准标记(13’，13’’，......)具有多个标识(14’，14’’，......)。

7.根据权利要求5或6中一项或两项所述的系统，

其中所述标识(14’，14’’，......)以弯曲的形式、圆形地或椭圆形地设置。

8.根据权利要求5、6或7中一项或多项所述的系统，

其中至少一个所述基准标记(13’，13’’，......)具有不同的几何标识(14’，14’’，......)，尤其线和点。

9.根据权利要求5、6或7中一项或多项所述的系统，

其中至少一个所述基准标记(13’，13’’，......)具有相同的几何标识(14’，14’’，......)，尤其线或点。

10.根据权利要求5、6、7、8或9中一项或多项所述的系统，

其中所述基准标记(13’，13’’，......)设置在所述测量台(10)的端侧上。

11.根据权利要求5、6、7、8、9或10中一项或多项所述的系统，

其中所述基准标记(13’，13’’，......)设置在所述测量台(10)的至少两个角部中、尤其所有的角部中。

12.根据权利要求1至1中一项或多项所述的系统，

其中一个所述相机(7’)或多个所述相机(7’，7’’)的相机镜头具有环形光。

13.根据权利要求1至12中一项或多项所述的系统，

所述系统具有照明装置(8，8’)，

所述照明装置能够实现侧面的暗场照明。

14.根据上述权利要求中一项或多项所述的系统，

其中固定地安装所述相机(7’，7’’，......)，尤其所有的相机(7’，7’’，......)。

15.一种用于三维地检测部件(4，120，130)的方法，

其中尤其应用根据权利要求1至14中一项或多项所述的系统，

其中在相机(7’，7’’，......)的测量台(10)上在不同的位置、尤其在两个位置中二维地检测部件(4，120，130)，以及

通过与所述部件(4，120，130)的已知的3D模型的最佳拟合来确定所述部件(4，120，130)的真实的三维性。

16.根据权利要求15所述的方法，

其中改变一次、尤其翻转、更尤其仅翻转一次所述部件(4，120，130)的状态。

17.根据权利要求15或16中一项或两项所述的方法，

其中使用基准标记(13’，13’’，......)，

以便在改变、尤其翻转所述部件(4，120，130)在所述测量台(10)上的状态之后，确定所述部件(4，120，130)在所述测量台(10)上的状态。

18.根据权利要求15至17中一项或多项所述的方法，

其中

-提供由测量台(10)、相机系统(一个或多个相机7’，7’’，......)和照明装置8’，8’’构成的装置

-在所述测量台10上安置基准标记13或者测量台10已经具有所述基准标记

-在所述测量台(10)上定位所述部件(4、120、130)中的一个；当部件长形地构成时，最好以平坦的方式定位

-通过所有所使用的、固定安装的相机(7’、7’’、......)或一个相机(7’)在不同的位置中记录单张图像

-从所述单张图像中识别所述部件(4、120、130)的状态

-通过最佳拟合分析将所述部件精确定向到已知的3D模型

-映射所述单张图像到相应的所述3D模型上

-通过取平均值、对比度设置或边缘锐化来优化重叠的图像区域

-翻转所述部件并且开始重复所述部件(4、120、130)在所述测量台(10)上的定位

-将单个记录(2D)与已知的已存储的3D模型组合为所述部件(4、120、130)的3D轮廓。