JP2009025119A - Profile measuring apparatus and operating method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、一般的に云えば、輪郭測定(profilometry)装置に関するものであり、より具体的には、機械加工プロセスにおける対象物のパラメータの実時間測定を行うための輪郭測定装置に関するものである。 The present invention relates generally to a profile measurement apparatus, and more particularly to a profile measurement apparatus for performing real time measurement of parameters of an object in a machining process. .
様々な種類の機械加工プロセスが知られており、部品を製造し修理するために使用されている。例えば、任意のモールド又は金型を使用することなくコンピュータ支援設計(CAD)から一層ずつ構築される機能構成部品を形成するためにレーザ固結システムが使用される。典型的には、このようなシステムはレーザ・ビームを用いて、注入された粉末の制御された量を基板上に融解して第1の層を堆積し、その後、前に堆積された層の上に粉末を融解することによって次の層を順次生成している。残念なことに、このようなシステムのプロセスが複雑なことに起因して、累積された層の高さを求め且つ溶融池の体積の瞬間的3次元(3D)測定値を得ることが非常に困難である。 Various types of machining processes are known and used to manufacture and repair parts. For example, a laser consolidation system is used to form functional components that are built layer by layer from computer-aided design (CAD) without the use of any mold or mold. Typically, such systems use a laser beam to melt a controlled amount of the injected powder onto the substrate to deposit the first layer, and then to the previously deposited layer. The next layer is produced sequentially by melting the powder on top. Unfortunately, due to the complexity of the process of such a system, it is very difficult to determine the accumulated layer height and to obtain an instantaneous three-dimensional (3D) measurement of the weld pool volume. Have difficulty.
或る特定のシステムは、該システムが動作している間に溶融池の境界を監視するための2次元(2D)観察システムを用いている。しかしながら、このような観察システムは溶接領域の大まかな推定を行い、溶融池体積及び累積された層の高さの測定を行わない。或る特定の他のシステムは、溶融池の3D体積を測定するために機械停止(off-machine) 測定方法を用いている。このような測定手法は、機械加工プロセスを停止して、溶融池の体積を測定するためにシステムから部品を取り外すことを必要とする。更に、或る特定のシステムは、累積された層の高さを測定するためのセンサを用いている。しかしながら、このようなセンサは、必要な測定分解能、精度又は測定範囲を持たず、信頼性のある測定を行えない。
以上のことから、レーザ固結プロセスによって形成される部品についての3D溶融池の体積及び累積された層の高さの正確な測定を行う輪郭測定装置が必要である。更にまた、機械加工プロセスのプロセス・パラメータを制御するために使用することの可能な、機械加工プロセスによって形成される対象物のパラメータをオン・ライン測定することのできる輪郭測定装置を提供することが望ましい。 In view of the above, there is a need for a contour measuring device that accurately measures the volume of the 3D weld pool and the accumulated layer height for parts formed by the laser consolidation process. Furthermore, it is possible to provide a contour measuring device that can be used to control process parameters of a machining process and that can measure on-line parameters of an object formed by the machining process. desirable.
簡略に述べると、一実施形態によれば、輪郭測定装置を提供する。この輪郭測定装置は、対象物上に縞パターンを投影するように構成されている縞投影デバイスと、対象物によって変調された歪み縞パターンの画像を取得するように構成されている光学ユニットとを含む。輪郭測定装置はまた、前記光学ユニットからの取得した画像を処理して、該画像からノイズをフィルタリングし且つ対象物の製造又は修理に関連したパラメータについての実時間推定値を求めるように構成されている信号処理ユニットを含む。 Briefly, according to one embodiment, a contour measuring device is provided. The contour measuring apparatus includes a fringe projection device configured to project a fringe pattern onto an object, and an optical unit configured to acquire an image of a distortion fringe pattern modulated by the object. Including. The contour measurement device is also configured to process the acquired image from the optical unit, filter noise from the image, and determine real-time estimates for parameters associated with the manufacture or repair of the object. Including a signal processing unit.
別の実施形態では、製造アセンブリを提供する。この製造アセンブリは、プロセス・パラメータを持ち、且つ対象物を製造又は修理するように構成されている機械加工システムと、当該輪郭測定装置で生成された単一の画像から、対象物の製造又は修理に関連したパラメータの実時間推定を行うように構成されている輪郭測定装置とを含む。輪郭測定装置は、イ)対象物上に縞パターンを投影するように構成されている縞投影デバイス、ロ)対象物によって変調された歪み縞パターンの画像を取得するように構成されている光学ユニット、及びハ)前記光学ユニットからの取得した画像を処理して、該画像からノイズをフィルタリングし且つ対象物の製造又は修理に関連したパラメータについての実時間推定値を求めるように構成されている信号処理ユニットを含む。製造アセンブリはまた、前記輪郭測定装置からの推定されたパラメータに基づいて前記機械加工システムのプロセス・パラメータを調節するように構成されている制御システムを含む。 In another embodiment, a manufacturing assembly is provided. The manufacturing assembly has a process parameter and is configured to manufacture or repair an object from a machining system configured to manufacture or repair the object and a single image generated by the contour measuring device. And a contour measuring device configured to perform real-time estimation of parameters associated with. The contour measuring apparatus is a) a fringe projection device configured to project a fringe pattern onto an object, and b) an optical unit configured to acquire an image of a distortion fringe pattern modulated by the object. And c) a signal configured to process the acquired image from the optical unit to filter noise from the image and to determine real-time estimates for parameters associated with the manufacture or repair of the object. Includes processing units. The manufacturing assembly also includes a control system configured to adjust process parameters of the machining system based on the estimated parameters from the contour measurement device.
別の実施形態では、レーザ固結システムを提供する。このレーザ固結システムは、レーザ生成溶融池内に粉末材料を供給することによって対象物を形成するように構成されているレーザ固結ノズルと、前記レーザ固結ノズルに結合されていて、対象物の上表面の上に縞パターンを生成するように構成されている縞投影アームとを含む。レーザ固結システムはまた、対象物に対応する歪み縞パターンの瞬間的画像を取得するように構成されている光学ユニットと、前記光学ユニットに結合されていて、前記光学ユニットからの瞬間的画像を処理して、該画像からノイズをフィルタリングし且つフーリエ変換分析により対象物の製造又は修理に関連したパラメータを推定するように構成されている信号処理ユニットとを含む。 In another embodiment, a laser consolidation system is provided. The laser consolidation system includes a laser consolidation nozzle configured to form an object by supplying a powder material into a laser-generating molten pool, and coupled to the laser consolidation nozzle. A fringe projection arm configured to produce a fringe pattern on the upper surface. The laser consolidation system also includes an optical unit configured to acquire an instantaneous image of a distorted fringe pattern corresponding to the object, and is coupled to the optical unit, and the instantaneous image from the optical unit is captured. A signal processing unit configured to process and filter noise from the image and to estimate parameters associated with the manufacture or repair of the object by Fourier transform analysis.
別の実施形態では、対象物を製造するためのプロセスを制御する方法を提供する。この方法は、対象物上に縞パターンを投影する段階と、対象物に対応する歪み縞パターンの瞬間的画像を取得する段階とを含む。この方法はまた、前記取得した画像を処理して、該画像からノイズをフィルタリングし且つフーリエ変換分析により対象物の製造又は修理に関連したパラメータを推定する段階と、対象物の製造又は修理に関連した前記推定したパラメータに応答して、製造プロセスのためのプロセス・パラメータを制御する段階とを含む。 In another embodiment, a method for controlling a process for manufacturing an object is provided. The method includes projecting a fringe pattern onto an object and obtaining an instantaneous image of a distorted fringe pattern corresponding to the object. The method also processes the acquired image, filters noise from the image, and estimates parameters associated with the manufacture or repair of the object by Fourier transform analysis, and relates to the manufacture or repair of the object. Responsive to the estimated parameters, controlling process parameters for the manufacturing process.
本発明のこれらの及び他の特徴、側面及び利点は、添付の図面を参照して、以下の詳しい説明を読めば一層よく理解されよう。図面では、図面全体を通じて同様な部品は同じ参照符号で表している。 These and other features, aspects and advantages of the present invention will become better understood when the following detailed description is read with reference to the accompanying drawings, in which: In the drawings, like parts are designated by like reference numerals throughout the drawings.
以下に詳しく説明するように、本発明手法の様々な実施形態は、機械加工プロセスによる対象物の製造又は修理動作に関連したパラメータの実時間測定を行うように機能する。具体的に述べると、本発明手法は、対象物に対応する縞パターンからパラメータを推定するためのパターン間隔分析を用いる。このようなパラメータの実時間測定は更に、機械加工プロセスのプロセス・パラメータを制御するために利用される。ここで図1を参照して説明すると、図1は、レーザ固結ノズル14に結合された輪郭測定装置12を持つレーザ固結システム10のような機械加工システムを例示する。レーザ固結ノズル14は、基板18上に溶融池17を生成するように構成されているレーザ源16を含む。更に、レーザ固結システム10は、レーザ生成溶融池17に粉末材料24を供給することによって対象物22を形成するように構成されているノズル20を含む。具体的に述べると、レーザ固結システム10はレーザ・ビームを使用することにより、基板18上に注入される制御された量の粉末24を融解して第1の層26を堆積し、その後、前に堆積した層の上に粉末24を融解することによって次の層(図示せず)を順次生成して、対象物22を形成する。
As described in detail below, various embodiments of the present technique function to perform real-time measurements of parameters associated with manufacturing or repair operations of objects by machining processes. Specifically, the method of the present invention uses pattern interval analysis to estimate parameters from a fringe pattern corresponding to an object. Such real time measurement of parameters is further utilized to control process parameters of the machining process. Referring now to FIG. 1, FIG. 1 illustrates a machining system such as a
図示の実施形態では、輪郭測定装置12はレーザ固結ノズル14に結合されるか又は物理的に取り付けられていて、対象物22の製造又は修理に関連したパラメータを求めるように構成されている。具体的に述べると、輪郭測定装置12は、機械加工プロセスのプロセス制御のために更に利用することのできる溶融池17に関連したパラメータを求めるように構成されている。このようなパラメータの例としては、溶融池17の体積、累積された層26の高さ、累積された層26の厚さなどが挙げられる。以下に詳しく説明するように、輪郭測定装置12は、製造又は修理プロセスに干渉せずに、このようなパラメータを測定するためにフーリエ変換分析のような輪郭測定方法を用いる。
In the illustrated embodiment, the
図2は、輪郭測定装置12を持つ図1のレーザ固結ノズル14の模範的な構成30を示す略図である。図示の実施形態では、レーザ固結ノズル14は、縞投影及び対象物22(図1参照)からの画像取得のための光学構成部品を持つ2つのアーム32及び34を含む。2つのアーム32及び34は、高処理レーザ16の両側に配置される。図示の実施形態では、アーム32は対象物22上に縞パターンを投影するように構成されており、またアーム34は対象物22から歪み縞パターンの画像を取得するように構成されている。当業者に理解されるように、異なる種類のパターンをアーム32を介して対象物22に投影することができる。例えば、一実施形態では、縞パターンは直線パターンを含む。模範的な一実施形態では、縞投影アーム32は目標とされる区域をカバーするための実質的に大きな断面を持ち、これに対して、レーザ16は粉末を融解するための高出力密度を供給するために対象物22上の1点に収束される。縞投影及び画像取得のための2つのアーム32及び34の光学構成部品について以下に詳しく説明する。
FIG. 2 is a schematic diagram illustrating an
図3は、図2の輪郭測定装置12の模範的な構成40を示す略図である。輪郭測定装置40は、機械加工システムを介して形成し又は修理している対象物44に縞パターンを投影するように構成されている縞投影デバイス42を含む。縞投影デバイス42は、対象物表面上に連続した正弦曲線の縞パターンを投影する。一実施形態では、縞投影デバイス42は、液晶表示装置(LCD)、ディジタル・マイクロミラー・デバイス(DMD)又はシリコン上液晶(LCOS)投影器のようなディジタル投影器を介して、縞パターンを投影する。代わりの実施形態では、縞投影デバイス42は、レーザ、発光ダイオード(LED)又はランプのような光源と、格子及びホログラフィック部品のような回折部品との組合せにより、縞パターンを投影する。或る特定の他の実施形態では、縞投影デバイス42は光学干渉計レイアウトにより縞パターンを投影する。
FIG. 3 is a schematic diagram illustrating an
図示の実施形態では、縞投影デバイス42は、ランプ46又はLED48のような光源と、対象物44に光を投影するために光学繊維52を介して光源に結合された光学ヘッド50とを含む。更に、輪郭測定装置40は、対象物44によって変調された歪み縞パターンの画像を取得するように構成されている光学ユニット54を含む。この模範的な実施形態では、光学ユニット54は、広域通過フィルタ56と、縞パターンの画像を取得するためのカメラ58とを含み、縞パターンの画像は更にケーブル62を介して信号処理ユニット60に伝送される。或る特定の実施形態では、光学ユニット54は、歪み縞パターンの画像を取得するように構成されている複数のレンズを含む。一実施形態では、光学ユニット54はボアスコープを含む。
In the illustrated embodiment,
信号処理ユニット60は、光学ユニット54からの取得した画像を処理して、該取得した画像からノイズをフィルタリングし且つ対象物の製造又は修理に関連したパラメータについての実時間推定値を求めるように構成されている。このようなパラメータの例としては、溶融池の体積、累積された層の高さ、累積された層の厚さなどが挙げられる。ここで、信号処理ユニット60は、パラメータを推定するため及び該推定したパラメータに基づいてプロセスの制御を容易にするための適切なプログラミングを持つ汎用コンピュータとすることができることに留意されたい。或る特定の実施形態では、信号処理ユニット60はマイクロコンピュータを含むことができる。模範的な一実施形態では、輪郭測定装置40は対象物44の形成された高さを推定するためにコンピュータ数値制御(CNC)を用い、これによってシステム40に高さセンサを付加する必要性を排除する。動作について説明すると、信号処理ユニット60はパターン間隔分析を用いて、光学ユニット54で取得された画像からノイズをフィルタリングする。この模範的な実施形態では、パターン間隔分析はフーリエ変換分析を含む。しかしながら、他の種類のパターン間隔分析も想定することができる。より詳しく述べると、信号処理ユニット60は歪み縞パターンの位相マップを抽出して、この位相マップからパラメータを推定する。フーリエ変換を使用して縞パターンから位相マップを抽出し、位相マップからパラメータを推定する点について、以下に説明する。
The
この模範的な実施形態では、光学ユニット54によって取得された縞パターンの画像が以下の式によって表される。
In this exemplary embodiment, the fringe pattern image acquired by the
Ik(i,j)=I0(i,j)[1+γ(i,j) cos(φ(i,j)+δk)],
k=1,2,3,...K (1)
ここで、
kは位相測定法で使用される画像のインデックス番号であり、
Iはピクセル(i,j)における強度であり、
γは画像コントラストを表す縞変調度であり、
δk は各々の個別の画像kについての初期位相であり、
Kは画像の総数である。
I k (i, j) = I 0 (i, j) [1 + γ (i, j) cos (φ (i, j) + δ k )],
k = 1,2,3, ... K (1)
here,
k is the index number of the image used in the phase measurement method,
I is the intensity at pixel (i, j)
γ is a fringe modulation degree representing image contrast,
δ k is the initial phase for each individual image k;
K is the total number of images.
式(1)で表された画像について、次式 For the image represented by equation (1),
更に、帯域通過フィルタF(u,v)を適用した後、C(u,v)のみが残り、それは次の式
C(u,v)=M(u,v)F(u,v) (3)
によって表される。
Furthermore, after applying the bandpass filter F (u, v), only C (u, v) remains, which is expressed by the following equation C (u, v) = M (u, v) F (u, v) ( 3)
Represented by
逆フーリエ変換の後、c(i,j)は次の式のように求めることができる。 After the inverse Fourier transform, c (i, j) can be obtained as follows.
更に、各ピクセル(i,j)における位相値は次の式
φ(i,j)=tan−1[Im c(i,j)/Re c(i,j)] (5)
で計算することができる。ここで、Im 及びRe は複素数c(i,j)の虚数部及び実数部を表す。
Further, the phase value at each pixel (i, j) is expressed by the following equation: φ (i, j) = tan −1 [I m c (i, j) / R e c (i, j)] (5)
Can be calculated with Here, I m and R e represent the imaginary part and the real part of the complex number c (i, j).
更に、溶融池の輪郭は位相マップから求められ、次の式
(x,y,z)=fx,y,z(i,j,φ(i,j)) (6)
で表される。
Further, the contour of the weld pool is obtained from the phase map, and the following formula (x, y, z) = fx , y, z (i, j, φ (i, j)) (6)
It is represented by
従って、溶融池に関連したパラメータを含む溶融池の輪郭は、前に述べたようにフーリエ変換分析を介して単一の瞬間的画像から求めることができる。 Accordingly, the weld pool contour, including parameters associated with the weld pool, can be determined from a single instantaneous image via Fourier transform analysis as previously described.
或る特定の実施形態では、信号処理ユニット60は光学ユニット54からの瞬間的画像を複数の画像に分割するように構成されており、各画像のパターンは他の画像に対して相対的にシフトされる。更に、信号処理ユニット60は、パラメータを推定するために複数の画像から位相マップを作成するように構成されている。ここで、光縞投影とフーリエ変換との組合せにより、粉末及び背景照明から生成されるようなノイズを除去するためのフィルタリングが比較的容易にできることに留意されたい。縞パターンから生成される位相情報は実質的に高い分解能及び正確さを持つ。その上、フーリエ変換輪郭測定法は単一の画像から位相マップの作成を可能にし、その結果、画像処理及び溶融池のパラメータの推定のための時間が比較的少なくなる。
In certain embodiments, the
対象物44の製造又は修理に関連した推定パラメータは、図1を参照して説明したレーザ固結システム10のような機械加工システムのプロセス制御のために利用することができる。具体的に述べると、レーザ固結システム10のプロセス・パラメータは対象物44の製造又は修理に関連した推定パラメータに応答して調節することができる。模範的なプロセス・パラメータには、レーザ粉末、粉末流量、焦点位置、レーザ並進速度、スロット寸法、及びこれらの組合せが含まれる。或る特定の実施形態では、推定パラメータに基づいてシステム10の閉ループ制御を達成するために機械加工システム10に制御システム(図示せず)を結合することができる。有利なことに、フーリエ変換輪郭測定法による単一の瞬間的画像からの位相マップの推定は、推定パラメータに基づいて即時プロセス制御を可能にする。
Estimated parameters associated with the manufacture or repair of the
上述の輪郭測定装置40における構造化光パターンの生成は、図4〜8を参照して以下に説明するような複数の構成を介して達成することができる。具体的に述べると、このような模範的な構成は、対象物22(図2参照)上に構造化された光パターンを生成するためのレーザ固結ノズル30(図2参照)のために用いることができる。
Generation of the structured light pattern in the
図4は、図3の輪郭測定装置40において構造化光パターンを生成するための模範的な構成70を示す略図である。図示の実施形態では、レーザ72が、測定すべき対象物74の表面にスポットを形成するように投射される。更に、レーザ・ビーム72に対して所与の角度で配置された撮像レンズ76がレーザ・スポットの像又は画像を形成し、該画像はカメラ78により取得される。対象物74の表面高さの変化80(D)により、撮像されるスポットがこの画像平面上で横方向に距離(d)82だけシフトする。この距離は、レーザ72とレーザ・スポットとカメラ78とによって形成される三角形により表面高さの変化80を推定するために使用される。
FIG. 4 is a schematic diagram illustrating an exemplary configuration 70 for generating a structured light pattern in the
図5は、図3の輪郭測定装置40において構造化光パターンを生成するための別の模範的な構成100を示す略図である。図4について前に述べたように、この模範的な構成100は、レーザ72、撮像レンズ76及びカメラ78を含む。更に、図示の実施形態では、縞パターンはレーザ72及び回折部品102により投影される。回折部品は、例えば、格子及びホログラフィック部品を含む。
FIG. 5 is a schematic diagram illustrating another
前に述べたように、輪郭測定装置40の縞投影デバイス42(図3参照)は、縞を投影する光学干渉計レイアウトを介して縞パターンを投影することができる。図6〜図9は、縞パターンを投影するための光学干渉計レイアウトについての模範的なシステム構成を例示する。
As previously mentioned, the fringe projection device 42 (see FIG. 3) of the
図6は、図3の輪郭測定装置40において縞パターンを生成するためのフル・フィールド(full field)干渉計の模範的な構成120を示す略図である。図示の実施形態では、干渉計はマイケルソン干渉計を含む。動作について説明すると、ビーム拡大器124を備えたレーザ122のような光源から放出されたビームが、ビーム分割器126によってほぼ等しい強度の2つのビームに分割される。これらのビームの一方は基準ミラー128へ差し向けられ、他方のビームは対象物表面130へ差し向けられる。更に、これらの2つのビームの反射によって生成された光は干渉するように作られる。カメラ132のような観察窓から観察したとき、ミラー128の画像と対象物表面130の画像との間で干渉が生じる。対象物表面130及びミラー128によって反射される光波が、同じ光源122によって放出されたビームの分割により生じたものであるので、これらの波は相互にコヒーレントであり、その結果、2ビーム干渉パターンが生成される。更に、圧電トランスデューサ(PZT)134の位相ステッピングによる位相シフトにより干渉位相回復を行うことができる。しかしながら、位相マップを作成するために他の既知の手法を使用することができる。
FIG. 6 is a schematic diagram illustrating an
図7は、図3の輪郭測定装置40において縞パターンを生成するためのフル・フィールド干渉計の別の模範的な構成150を示す略図である。この模範的な実施形態では、干渉計150は、撮像すべき対象物から反射又は伝送された波と基準波との間の干渉により縞パターンを生成するディジタル・ホログラフィ干渉計を含む。図6に示した構成と同様に、ディジタル・ホログラフィ干渉計150は、対象物130上に縞パターンを生成するために、ビーム拡大器124を備えた光源122を含む。更に、干渉計150は、縞パターンを生成するように組み合わされる対象物ビーム及び基準ビームを生成するためにミラー152及び154並びにビーム分割器156及び158を含む。
FIG. 7 is a schematic diagram illustrating another
図8は、図3の輪郭測定装置40において縞パターンを生成するためのフル・フィールド干渉計の別の模範的な構成170を示す略図である。図示の実施形態では、干渉計170はシャーリング(shearing)干渉計を含む。シャーリング干渉計170は、対象物130上に縞パターンを生成するために、ビーム拡大器124を備えた光源122を含む。更に、シャーリング干渉計170はシャーリング・プレート172を含む。対象物130からの波頭が約45度の角度でシャーリング・プレートに入射し、シャーリング・プレート172からの反射された波頭がプレートの有限の厚さにより横方向に剪断される。更に、反射された波頭の干渉の結果、縞パターが生成される。
FIG. 8 is a schematic diagram illustrating another
当業者に理解されるように、用途における所望の分解能に依存して、図3の縞投影デバイス42により対象物44上に縞パターンを生成するために上述した手法のいずれかを用いることができる。更に、対象物44に対応する歪み縞パターンの瞬間的画像が光学ユニット54により取得され、該画像は対象物44の製造又は修理に関連したパラメータを推定するために信号処理ユニット60により処理される。
As will be appreciated by those skilled in the art, depending on the desired resolution in the application, any of the techniques described above can be used to generate a fringe pattern on the
図9は、図1の輪郭測定装置12の別の模範的な構成190を示す略図である。輪郭測定装置190は、対象物44上に縞パターンを投影するように構成されている縞投影デバイス42を含む。図示の実施形態では、縞投影デバイス42は、光学繊維198を介して格子194及び レンズ196に結合された光源192を含む。模範的な一実施形態では、格子194は250PLI格子を有し、またレンズ196は両凸レンズを有する。更に、輪郭測定装置190は、対象物44によって変調された歪み縞パターンの画像を取得するための光学ユニット54含む。この模範的な実施形態では、光学ユニット54は、ボアスコープ200及びカメラ202を含み、これらはケーブル62を介して信号処理ユニット60に結合される。前に述べたように、光学ユニット54からの取得された画像は信号処理ユニット60により処理される。信号処理ユニット60は瞬間的画像の位相マップを抽出して、機械加工プロセスを妨害することなく、対象物44の機械加工動作に関連したパラメータを推定する。或る特定の実施形態では、典型的なフレーム速度及び処理により、システムを毎秒ほぼ10回更新することができ、これは帰還及び制御動作にとってかなり高速である。更に、高フレーム速度のカメラと共にこの用途のために最適化した専用画像処理装置では、毎秒ほぼ100回の更新を行うことができる。
FIG. 9 is a schematic diagram illustrating another
上述した方法の様々な面は異なる機械加工用途に利用される。例示した手法は、機械加工プロセスによる対象物の製造又は修理動作に関連したパラメータの実時間測定を行うために使用することができる。本手法はまた、所望の出力を達成するために推定したパラメータに基づいた機械加工プロセスの閉ループ制御のために使用することができる。前に述べたように、更に一般的に云えば、本書で述べた方法は、システムからノイズをフィルタリングすることによって単一の瞬間的画像からパラメータを推定するためにフーリエ変換輪郭測定法を用いる。更に、本手法の特に有利な点は、良好な分解能及び正確さを持ち、且つ費用効果が高く、広範囲の機械加工用途に使用するために用いることができる輪郭測定装置を提供することである。 Various aspects of the method described above are utilized for different machining applications. The illustrated approach can be used to make real-time measurements of parameters associated with manufacturing or repair operations of objects by machining processes. The approach can also be used for closed-loop control of the machining process based on parameters estimated to achieve the desired output. As stated previously, more generally, the method described herein uses a Fourier transform contour measurement method to estimate parameters from a single instantaneous image by filtering noise from the system. Furthermore, a particular advantage of this approach is to provide a contour measuring device that has good resolution and accuracy, is cost effective and can be used for a wide range of machining applications.
本書では或る特定の特徴のみを例示して説明したが、当業者には多数の修正及び変更が考えられよう。従って、特許請求の範囲が本発明の真の精神の範囲内に入る全てのこのような修正及び変更を包含しようとしていることを理解されたい。 While only certain specific features have been illustrated and described herein, many modifications and changes will occur to those skilled in the art. Accordingly, it is to be understood that the claims are intended to cover all such modifications and changes as fall within the true spirit of the invention.
10 レーザ固結システム
12 輪郭測定装置
14 レーザ固結ノズル
16 レーザ源
17 溶融池
18 基板
20 ノズル
22 対象物
24 粉末材料
26 累積された層
32、34 アーム
40 輪郭測定装置
42 縞投影デバイス
44 対象物
46 ランプ
48 LED
50 光学ヘッド
52 光学繊維
54 光学ユニット
56 広域通過フィルタ
58 カメラ
60 信号処理ユニット
62 ケーブル
70 構造化光パターンの生成のための構成
72 レーザ
74 対象物
76 撮像レンズ
78 カメラ
80 対象物の表面高さの変化
82 距離
100 構造化光パターンの生成のための構成
102 回折部品
120 フル・フィールド干渉計
122 レーザ
124 ビーム拡大器
126 ビーム分割器
128 基準ミラー
130 対象物表面
132 カメラ
134 圧電トランスデューサ
150 フル・フィールド干渉計
152、154 ミラー
156、158 ビーム分割器
170 シャーリング干渉計
172 シャーリング・プレート
190 輪郭測定装置
192 光源
194 格子
196 レンズ
198 光学繊維
200 ボアスコープ
202 カメラ
DESCRIPTION OF
DESCRIPTION OF
Claims (10)
対象物(22)によって変調された歪み縞パターンの画像を取得するように構成されている光学ユニット(34)と、
前記光学ユニット(34)からの取得した画像を処理して、該画像からノイズをフィルタリングし且つ対象物(22)の製造又は修理に関連したパラメータについての実時間推定値を求めるように構成されている信号処理ユニット(60)と、
を有する輪郭測定装置(12)。 A fringe projection device (32) configured to project a fringe pattern onto the object (22);
An optical unit (34) configured to acquire an image of a distorted fringe pattern modulated by the object (22);
Configured to process the acquired image from the optical unit (34), filter noise from the image, and determine real-time estimates for parameters associated with the manufacture or repair of the object (22); A signal processing unit (60),
A contour measuring device (12) comprising:
当該輪郭測定装置(12)で生成された単一の画像から、対象物(22)の製造又は修理に関連したパラメータの実時間推定を行うように構成されている輪郭測定装置(12)であって、
イ)対象物(22)上に縞パターンを投影するように構成されている縞投影デバイス(32)、
ロ)対象物(22)によって変調された歪み縞パターンの画像を取得するように構成されている光学ユニット(34)、及び
ハ)前記光学ユニット(34)からの取得した画像を処理して、該画像からノイズをフィルタリングし且つ対象物(22)の製造又は修理に関連したパラメータについての実時間推定値を求めるように構成されている信号処理ユニット(60)、を含んでいる輪郭測定装置(12)と、
前記輪郭測定装置(12)からの推定されたパラメータに基づいて前記機械加工システム(10)のプロセス・パラメータを調節するように構成されている制御システムと、
を有する製造アセンブリ。 A machining system (10) having process parameters and configured to manufacture or repair the object (22);
A contour measuring device (12) configured to perform real-time estimation of parameters related to manufacture or repair of an object (22) from a single image generated by the contour measuring device (12). And
A) a fringe projection device (32) configured to project a fringe pattern onto the object (22);
(B) an optical unit (34) configured to acquire an image of a distorted fringe pattern modulated by the object (22); and c) processing the acquired image from the optical unit (34); A contour measuring device (60) comprising a signal processing unit (60) configured to filter noise from the image and to determine real-time estimates for parameters associated with the manufacture or repair of the object (22) 12)
A control system configured to adjust process parameters of the machining system (10) based on estimated parameters from the contour measurement device (12);
Manufacturing assembly having.
前記レーザ固結ノズル(14)に結合されていて、対象物(22)の上表面の上に縞パターンを生成するように構成されている縞投影アーム(32)と、
対象物(22)に対応する歪み縞パターンの瞬間的画像を取得するように構成されている光学ユニット(34)と、
前記光学ユニット(34)に結合されていて、前記光学ユニット(34)からの瞬間的画像を処理して、該画像からノイズをフィルタリングし且つフーリエ変換分析により対象物(22)の製造又は修理に関連したパラメータを推定するように構成されている信号処理ユニット(60)と、
有するレーザ固結システム(10)。 A laser consolidation nozzle (14) configured to form an object (22) by feeding a powder material (24) into a laser produced molten pool (17);
A fringe projection arm (32) coupled to the laser consolidation nozzle (14) and configured to generate a fringe pattern on an upper surface of the object (22);
An optical unit (34) configured to acquire an instantaneous image of a distorted fringe pattern corresponding to the object (22);
Coupled to the optical unit (34), processes instantaneous images from the optical unit (34), filters noise from the images, and produces or repairs the object (22) by Fourier transform analysis. A signal processing unit (60) configured to estimate associated parameters;
A laser consolidation system (10).
対象物上に縞パターンを投影する段階と、
対象物に対応する歪み縞パターンの瞬間的画像を取得する段階と、
前記取得した画像を処理して、ノイズをフィルタリングし且つフーリエ変換分析により対象物の製造又は修理に関連したパラメータを推定する段階と、
対象物の製造又は修理に関連した前記推定したパラメータに応答して、製造プロセスのためのプロセス・パラメータを制御する段階と、
を有する方法。 A method for controlling a process for manufacturing an object comprising:
Projecting a fringe pattern on the object;
Acquiring an instantaneous image of a distorted fringe pattern corresponding to the object;
Processing the acquired image, filtering noise and estimating parameters associated with the manufacture or repair of the object by Fourier transform analysis;
Responsive to the estimated parameters associated with the manufacture or repair of the object, controlling process parameters for the manufacturing process;
Having a method.
前記機械加工システムに輪郭測定装置を結合して、該輪郭測定装置で生成された単一の画像の信号処理により、対象物の製造又は修理に関連したパラメータの実時間推定を行うための段階を含み、前記輪郭測定装置は、単一の画像から前記パラメータを推定するためにフーリエ変換分析を用いることを特徴とする、方法。 A method for estimating parameters of an object formed by a machining system comprising:
Coupling a contour measuring device to the machining system and performing real-time estimation of parameters related to the manufacture or repair of the object by signal processing of a single image generated by the contour measuring device. And the contour measuring device uses a Fourier transform analysis to estimate the parameters from a single image.
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