CN115516298A - 查验纤维预制件在叶片中的定位 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于查验纤维预制件在叶片中的定位的方法，该叶片已通过将树脂注射到具有叶片的形状的模具中获得，并且在模具中已放置有预制件，该叶片在正交的叶片参考坐标系X、Y、Z中延伸，该叶片包括叶片根部和翼型部，叶片根部沿轴线X纵向延伸，翼型部从叶片根部沿轴线Z延伸，叶片具有沿轴线Y限定的厚度，预制件包括定位在预制件表面上的玻璃示踪物，限定中性轴线的示踪物的中心在由轴线X限定的方向上定位在沿着轴线Z的高度处，该方法包括以下步骤：使用包括X射线源的成像系统获取(E31)叶片的2D层析成像投影，每个投影是在X射线源相对于叶片的给定方位处获取的；沿轴线Y的方向对2D投影进行累加(E32，E32a，E32b)，以获得在方向X和Z上的累加的2D图像；对于沿轴线Z的方向限定的每个像素列，确定(E33)灰度级曲线图；对所获得的曲线图中的每个曲线图进行处理(E34)，以定位中性轴线沿轴线X的方向在Z上的位置。

Description

查验纤维预制件在叶片中的定位
技术领域
本发明涉及由复合材料制成的涡轮机叶片的一般领域，并且涉及用于这种叶片的实施预制件和模具的制造控制方法。
背景技术
复合材料可以制造涡轮机叶片，特别是用于涡轮机的风扇的叶片。
如图1所示，叶片通常包括由预制件制成的复合材料制造的主体1。该预制件包括多个编织纱线或纤维的编织件，所述编织纱线或纤维包括经纱和纬纱。该编织件可以是通过三维编织获得的一体件，并且特别可以包括玻璃、芳族聚酰胺和/或陶瓷碳纤维。
复合材料主体包括根部11、支柱部12和具有空气动力学轮廓的翼型部13。叶片参考坐标系X、Y、Z定义如下：轴线X对应于叶片根部的纵向方向，轴线Z对应于翼型部13从根部11延伸所沿的纵向方向，轴线Y对应于叶片的厚度。当然，轴线X、Y和Z是两两正交的，叶片参考系是正交的。
根据构成叶片的各部分的形状和尺寸切割预制件，并将预制件放置在模具中。
随后将包含热固性树脂的粘合剂注射到模具中，以便浸渍整个预制件。对模具进行加热后，将模制件从模具中取出。模塑例如是RTM(Resin Transfer Molding，树脂传递模塑)或甚至是VARRTM(Vacuum Resin Transfer Molding，真空树脂传递模塑)类型的真空树脂注塑工艺。
在叶片的制造过程中，厚的预制件由此沉积在注塑模具的腔体中。3D编织预制件是厚的一体织物。在涡轮机风扇叶片的情况中，一体预制件的厚度是可变的，以便适应叶片的空气动力学轮廓(参见图1)。
因此，当这种厚度可变的预制件被沉积在厚度可变的注塑模具中时，为了获得具有均匀材料完整性的部件，确保预制件被正确定位是重要的。事实上，如果预制件的厚区域未被良好地定位，并且被定位在模具的薄区域中，部件的纤维体积率将受到很大影响，并且可能不符合要求。
因此，在为预制件提供的两组纱线中，提供了确保预制件结构的结构纱线，并且提供了与其他纱线从外表上可分辨并且至少均匀地布置在预制件表面上的示踪纱线。这些定位在表面上的少量玻璃纱线被称为玻璃示踪物或示踪件，以下将对这些示踪物或示踪件进行描述。表示为可见网格的这些纱线使得能够在空间上对预制件进行定位，并且因此评估其正确定位。
为了在注射后查验叶片的完整性，对预制件在注射后获得的叶片中的定位进行控制。控制包括在叶片的参考坐标系中测量玻璃示踪物(被称为中性纤维)的中心沿着轴线X在Z上的高度。
为此，对叶片进行X射线层析成像以确保其完整性，并且查验中性纤维相对于其理论位置的定位。
特别地，由于层析成像，从而能够在层析成像体积中重建中性纤维并且查验其正确定位。然而，这种方法只能够捕捉玻璃示踪物的碎片，但是并不能捕捉玻璃示踪物的全部，并且由此捕捉中性纤维的碎片。
图2a和图2b分别示出了通过X射线层析成像和3D重建在叶片1中部分地检测到的示踪物21以及理论示踪物22。
当对中性纤维的检测不准确时，对预制件的正确定位以及由此对部件完整性的查验是不准确的。
发明内容
本发明使得能够克服上述缺点。
为此，根据第一方面，本发明提出一种用于查验纤维预制件在叶片中的定位的方法，所述叶片已通过将树脂注射到具有叶片的形状的模具中获得，并且在所述模具中已放置有预制件，所述叶片在正交的叶片参考坐标系X、Y、Z中延伸，所述叶片包括叶片根部和翼型部，所述叶片根部沿轴线X纵向延伸，所述翼型部从所述叶片根部沿轴线Z延伸，所述叶片具有沿轴线Y限定的厚度，所述预制件包括定位在所述预制件的表面上的玻璃示踪物，限定中性纤维的所述示踪物的中心沿着由所述轴线X限定的方向定位在沿着所述轴线Z的高度处，所述方法包括以下步骤：
借助于包括X射线源的成像系统获取所述叶片的2D层析成像投影，每个投影是在所述X射线源相对于所述叶片的给定方位处获取的；
沿着所述轴线Y的方向对所述2D投影进行累加，以获得沿着方向X和Z的累加的2D图像；
对于沿所述轴线Z的方向限定的每个像素列，确定灰度级曲线图；
对所获得的曲线图中的每一个曲线图进行处理，以定位所述中性纤维沿着所述轴线X的所述方向在Z上的位置。
根据第一方面，本发明有利地通过以下单独或以在技术上可能的组合中的任何一个的特征的来实现：
-所述投影包括：获得2D图像，所述2D图像由在沿着所述轴线Y的方向堆叠的不同断层的像素的堆叠中具有最大灰度级的像素组成；
-所述投影包括：所述2D图像由灰度级为沿着所述轴线Y的方向堆叠的不同断层的像素之和的像素组成；
-灰度级曲线图是高斯分布，所述中性纤维的定位是所述高斯分布的中心；
-灰度级曲线图是双高斯分布，所述中性纤维的定位是所述双高斯分布的中心；
-所述方法包括步骤：对所述中性纤维沿着所述轴线X的方向在所述方向Z上的定位进行滤波；
-所述方法包括步骤：将由此获得的所述中性纤维的定位与所述中性纤维的理论定位进行比较。
根据第二方面，本发明提出了一种用于制造由复合材料制成的涡轮机叶片的方法，所述方法包括以下步骤：
将纤维预制件放置在具有叶片的形状的模具中；
在真空条件下将树脂注射到包括所述预制件的所述模具中，以获得被称为注塑叶片的所述叶片；
通过根据本发明的方法查验所述纤维预制件在所述注塑叶片中的定位。
根据第三方面，本发明提出了一种涡轮机风扇的叶片，该叶片通过根据本发明的第二方面的方法获得。
根据第四方面，本发明提出了一种飞行器，该飞行器包括根据本发明的第三方面的风扇叶片。
从时间精度、重复性、再现性和控制时间的角度来看，本发明的优点是多重的。
与已知技术相比，特别是从精密度、重复性、再现性和控制时间的角度来看，检测的准确性得到了改善。
所实现的处理操作快速并且所需资源少，这是因为与通常的要实现3D重建的层析成像不同，本发明不再需要维度。
由此获得了对于中性纤维的定位的高精度测量。
附图说明
本发明的其他特征、目标和优点将从以下描述中显现出来，以下描述仅仅是说明性的而不是限制性的并且应该结合附图阅读，在附图中，除了已经讨论过的图1、图2a和图2b之外：
-图3示出了根据本发明的用于制造涡轮机叶片的方法的步骤；
-图4示出了根据本发明的成像系统；
-图5示出了根据本发明的用于查验预制件在叶片中的定位的方法的步骤；
-图6示意性地示出了图像的像素；
-图7和图8示出了通过根据本发明的方法获得的灰度级曲线图；
-图9示出了通过图5的方法获得的2D图像。
在所有的附图中，类似的元素具有相同的附图标记。
具体实施方式
方法的一般介绍
关于图3，用于制造由复合材料制成的涡轮机叶片的方法包括以下一般步骤。这些步骤可以以本领域技术人员已知的不同方式来实现，并且在下文将不进行详细说明，而仅以一般的方式呈现(也可参见本申请的介绍)。
纤维预制件2被放置在具有叶片形状的模具3中(步骤E1)，并且在真空条件下，树脂被注射(步骤E2)到包括该预制件的模具中以获得叶片。
随后，该方法包括以下步骤：使用特别是能够获得2D投影或2D图像的成像系统来查验(步骤E3)叶片。通过对这些2D投影进行处理来执行上述查验。
层析成像系统
图4示出了能够获取叶片1的2D投影的成像系统10。来自源S的X、R射线以不同的角度(1，…，i，…，n)向叶片1发射。在通过叶片1之后，上述射线通过检测器Det进行检测以形成2D投影集合I1，…，Ii，…，IN。应注意的是，获得的2D投影和所考虑的角度一样多。角度的集合覆盖围绕叶片1的半圆。因此，通过其上方放置叶片1的检测器Det来实现上述获取。例如，该检测器是数码相机。
随后2D投影由连接到成像系统或形成成像系统的一部分的处理单元进行处理。处理单元例如是处理器。在处理单元远离成像系统的情况中，处理单元以有线或无线方式连接到成像系统。处理单元使得能够实现对所获得的2D图像的处理方法。
纤维预制件在叶片中的定位的查验
对叶片1中的纤维预制件的定位的查验是通过上述成像系统10的处理单元来实现的。特别地，该查验包括以下与图5相关的步骤。
通过成像系统10获取(步骤E31)叶片1的多个2D层析成像投影。每个投影对应于X射线源相对于叶片的给定方位。于是有N个2D图像，即I1，…，IN。每个投影由多个灰度级像素组成。
然后沿着轴线Y对这些2D图像进行累加(步骤E32)，以便获得沿着轴线X和Z的方向的累加的2D图像(被表示为I)。在每个图像中，每个像素具有灰度级值。累加图像I的每个像素(P至Pm)是由沿着轴线Y的对应像素的灰度级的平均值而获得的。这些累加的像素在X和Z中具有相同的坐标。通过这种累加，本发明不再需要维度，此处为Y维度。实际上，为了评估预制件的定位，仅两个坐标就足够了，沿着轴线Y的方向上(在叶片1的厚度中)的位置信息证明对评估叶片1的完整性不太重要。
该累加相当于沿着一方向累加立体像素信息。
根据一个实施例，上述累加(步骤E32a)包括：所获得的累加的2D图像由在沿着轴线Y的方向堆叠的不同断层(coupes)的像素的堆叠中具有最大灰度级的像素组成。根据该实施例，最大限度地仅考虑玻璃纤维(中性纤维所用的材料)，但是如果信号太弱，则可以省略某些部分。
根据一个实施例，上述累加(步骤E32b)包括：所获得的累加的2D图像由灰度级为沿着轴线Y的方向堆叠的不同2D投影的像素之和的像素组成。根据本实施例，所考虑的信息量被最大化，但是可以检测到寄生信号。
随后，对于沿着轴线Z限定的每个像素列，确定(步骤E33)灰度级曲线图。级别有利地是无符号的16位(bits)级别，由此从0处的黑色到白色(65535)之间有65536个灰度级。因此，沿着轴线Z方向的列的数量与曲线图数量相同。
图6示意性地示出了包含像素的图像(一个方格是一个像素)。对于每一列c1、c2、c3、c4、…、cM，曲线图包含灰度级的变化。
图7和图8示出了两个曲线图，这两个曲线图取决于玻璃示踪物包括一根线(图7)还是两根线(图8)。该曲线图包括纵坐标上的灰度级和横坐标上的距离。图7中的曲线图是简单但宽广的高斯分布，图8中的曲线图是由两个窄高斯分布组成的双高斯分布。这两种标志性的可能情况是玻璃纤维的特征，也是唯一可能遇到的两种情况。事实上，玻璃纤维是一组扭曲的玻璃和碳股线，当玻璃股线分布在中性纤维的任意一侧时，玻璃纤维在X射线层析成像中呈现为两条白线，或者当这些股线在中性纤维处相交时，玻璃纤维在X射线层析成像中呈现为单条但粗的白线。
随后对这些曲线图中的每一个曲线图进行处理(步骤E34)以定位中性纤维。实际上，通过参考图5的图像I，理解的是，每一列的灰度级使得能够获得沿着轴线Z的、中性纤维所在的高度。
特别地，在图7所示类型的曲线图的情况中，上述处理包括检测高斯分布的中心，以及在图8所示类型的曲线图的情况中，上述处理包括检测两个高斯分布的中心。检测值通过粗的虚线曲线示出。
因此，在处理步骤(步骤E34)结束时，沿着轴线X获得中性纤维22所在的高度。
在一种补充方式中，可以对由此获得的高度的集合进行滤波(步骤E35)以平滑不同的值，从而滤掉异常值。有利地，可以执行回归滤波。图9示出了滤波后的中性纤维的累加的2D图像。与图5的图像I相比，观察到，表示中性纤维的曲线的噪声较小。
无论是否滤波，各自作为中性纤维的2D视图的图像I(图5)或图像If(图9)的质量都比通过现有技术的方法(参见图2a)获得的图像质量更好。
最后，将由此获得的中性纤维的位置的标称尺寸和预定公差与中性纤维的理论位置的标称尺寸和预定公差进行比较(步骤E36)，以使得能够评估叶片1的完整性。

Claims (10)

1.一种用于查验纤维预制件在叶片中的定位的方法，所述叶片已通过将树脂注射到具有叶片的形状的模具中获得，并且在所述模具中已放置有预制件，所述叶片在正交的叶片参考坐标系X、Y、Z中延伸，所述叶片包括叶片根部和翼型部，所述叶片根部沿轴线X纵向延伸，所述翼型部从所述叶片根部沿轴线Z延伸，所述叶片具有沿轴线Y限定的厚度，所述预制件包括定位在所述预制件的表面上的玻璃示踪物，限定中性纤维的所述示踪物的中心沿着由所述轴线X限定的方向定位在沿着所述轴线Z的高度处，所述方法包括以下步骤：
借助于包括X射线源的成像系统获取(E31)所述叶片的2D层析成像投影，每个投影是在所述X射线源相对于所述叶片的给定方位处获取的；
沿着所述轴线Y的方向对所述2D投影进行累加(E32，E32a，E32b)，以获得沿着方向X和Z的累加的2D图像；
对于沿所述轴线Z的方向限定的每个像素列，确定(E33)灰度级曲线图；
对所获得的曲线图中的每个曲线图进行处理(E34)，以定位所述中性纤维沿着所述轴线X的方向在Z上的位置。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述累加(E32a)包括：获得累加的2D图像，所述累加的2D图像由在沿着所述轴线Y的方向堆叠的不同断层的像素的堆叠中具有最大灰度级的像素组成。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述投影(步骤E32b)包括：所述累加的2D图像由灰度级为沿着所述轴线Y的方向堆叠的不同断层的像素之和的像素组成。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述灰度级曲线图(G1)是高斯分布，所述中性纤维的定位是所述高斯分布的中心(X1)。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，所述灰度级曲线图(G2)是双高斯分布，所述中性纤维的定位是所述双高斯分布的中心(X2)。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，所述方法包括步骤(E35)：对所述中性纤维沿着所述轴线X的方向在所述方向Z上的定位进行滤波。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，所述方法包括步骤(E36)：将由此获得的所述中性纤维的定位与所述中性纤维的理论定位进行比较(E35)。
8.用于制造由复合材料制成的涡轮机叶片的方法，所述方法包括以下步骤：
将纤维预制件放置在具有叶片形状的模具中；
在真空条件下将树脂注射到包括所述预制件的所述模具中，以获得被称为注塑叶片的所述叶片；
通过根据前述权利要求中任一项所述的方法查验所述纤维预制件在所述注塑叶片中的定位。
9.一种涡轮机风扇的叶片，所述叶片通过根据权利要求8所述的方法获得。
10.一种飞行器，所述飞行器包括根据权利要求9所述的风扇叶片。
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