JP2015078895A - 腐食ピット検査方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、発電機やジェットエンジンのタービンブレードを検査するにあたって、前回検査からの欠陥の進展状況を簡便に把握できる画像検査方法を提供することにある。【解決手段】本発明は、画像取得手段を校正するステップと、前記画像取得手段により被検体を走査するステップと、前記走査によって腐食ピットが抽出される度に寸法を算出するステップと、前記腐食ピットの寸法を管理基準と比較するステップと、前記腐食ピットの寸法が管理基準より大きい場合に画像、寸法、位置情報を付加して記憶手段に保存するステップを備えることを特徴とする。【効果】本発明によれば、欠陥の進展状況を確実に把握することが可能となる。【選択図】図２０

Description

本発明は、腐食ピット検査方法に関する。

ジェットエンジンやガスタービンのタービンロータには、多くのタービン翼が取り付けられている。これらのタービン翼は、使用中に、き裂や欠けなどが発生する。特に、腐食ピットと呼ばれる小さな孔が発生すると、その孔からき裂が進展し、破断する可能性がある。そこで、タービン翼の表面を定期的に検査し、補修の必要があるか、あるいは、新品のタービン翼と交換すべきか、または、まだ使用可能かなどを判断する必要がある。該腐食ピットは、いつ、疲労き裂に進展するかわからないため、タービンロータの点検時に、規定サイズ以上の腐食ピットの有無を調べ、規定値を超えた腐食ピットが確認された場合には、補修をしたり、新しい翼に交換したりするなどの対策が取られる。

従来の検査方法について、図１、および、図２を用いて説明する。図１に、マイクロスコープを用いた拡大観察による検査システムの全体構成について示す。従来の検査方法では、マイクロスコープ撮影ヘッド２を手で持ち、タービン翼１の表面を走査することで、腐食ピット４の画像を、マイクロスコープコントローラ３のモニタに映し出し、映し出された映像を見ることで、規定値以上の大きさの腐食ピットの有無を確認する方法が取られていた。図２に、実際に映し出された腐食ピットの画像の例を示す。規定値に満たない大きさではあるが、寸法が比較的大きな腐食ピットがあった場合にも、画像を保存し、次回の検査時に、この腐食ピットを再度確認し、腐食ピットの成長状況を確認する。

この作業をタービン翼1枚ごとに行うため、特に、翼数が１段当たり数十枚以上と多いガスタービン翼などでは、検査に膨大な時間がかかっていた。また、規定値に満たないものの、複数の腐食ピットが存在する場合があり、このような状況下で、前回確認した腐食ピットを探すことにも時間を要していた。

これらの課題に対し、例えば、ジェットエンジン等のタービンブレードの検査にあたっては、内視鏡装置が利用されている。カメラ等からなる撮像部をジェットエンジン内に挿入し、この撮像部によって撮像されたブレード画像からエッジ抽出手法により線の抽出を行い、その抽出された線の不連続性から、タービンブレードに欠陥が有るか否かを判断する内視鏡装置が提供されている（特許文献１）。この種の内視鏡装置には、タービンブレードの欠陥が所定値を超えている場合に、音声によって検査者に知らせる手法が用いられている。

また、上述のタービンブレードを検査するにあたっては、適宜の間隔を空けてずらされた２つの位置からタービンブレードをステレオ撮像し、この撮像された２枚の写真に基づいて、タービンブレードに欠陥が有るか否かを判断する検査方法が提供されている（特許文献２）。さらに、この検査方法によって立体的に撮像されたタービンブレードのブレード画像から、エッジ抽出手法により線の抽出を行い、タービンブレードに欠陥が有るか否かを精密に判断する検査方法も提供されている（特許文献３）。
また、ジェットエンジンのタービンブレードを検査するにあたって、検査工程数を削減することによって、この検査工程の自動化（省力化）を達成し、被検体検査における煩雑さを解消させることを目的に、複数設けられた被検体を観察するために撮像する観察用光学系と、被検体を計測するために撮像する計測用光学系とを備えた内視鏡で、観察用光学系によって撮像された被検体ごとの観察用画像にナンバリングするナンバリング部と、計測用光学系によって撮像された被検体ごとの計測用画像に基づいて計測情報を抽出する計測部と、ナンバリング部によってナンバリングされた観察用画像と、計測部によって抽出された前記観察用画像に関連付けて対応する被検体の計測情報とを含む第１の被検体情報記憶部と、観察用光学系によって新たに撮像されナンバリング部によって新たにナンバリングされた新たな観察用画像と、計測部によって新たに抽出された新たな観察用画像に関連付けて対応する被検体の新たな計測情報とを含む第２の被検体情報を記憶する第２の記憶部と、第１、および、第２の被検体情報とを比較して、第２の被検体情報に対応する第１の被検体情報を特定する特定認識部を備え、第２の記憶部が新たに第２の被検体情報を記憶した場合には、第１の記憶部は、特定認識部によって特定された第１の被検体情報に対応する第２の被検体情報を、第１の被検体情報に加えて記憶することを特徴とする内視鏡検査装置について述べられている（特許文献４）。

ＵＳ２００４／０１８３９００Ａ１ 特開平８−２２８９９３号公報 特開２００２−３３６１８８号公報 特許第４８６９６９９号

しかしながら、上述の特許文献１に記載されている検査方法にあっては、抽出された線の不連続性からタービンブレードに欠陥が有るか否かを判断するので、色が着いていたり曲がっていたりする欠陥を判断するには、不適切なものとされていた。

また、この特許文献１に記載されている検査方法によって検査した場合には、タービンブレードの移動を確認しながら、ジェットエンジン内に撮像部を手で入れることが必要とされ、作業の煩雑性が指摘されていた。

また、上述の特許文献２に記載されている検査方法にあっては、曲がっていたりする欠陥を判断するのには好ましいものとされる。しかしながら、これもまた、タービンブレードの移動を確認しながら、ジェットエンジン内に撮像部を挿入することが必要とされ、作業の煩雑性が指摘されていた。

さらに、上述の特許文献３に記載されている検査方法にあっては、タービンブレードを精密に検査するのには好ましいものとされるが、これもまた、タービンブレードの移動を確認しながら、ジェットエンジン内に撮像部を挿入することが必要とされ、作業の煩雑性が指摘されていた。
また、上述の特許文献４に記載されている検査方法にあっては、被検体（欠陥）の特徴形状（観察結果や計測結果）が、前回の結果と著しく異なる場合には、対応が取れないという課題があった。

そこで、本発明は、このような事情に鑑みなされたものであって、その目的は、発電機やジェットエンジンのタービンブレードを検査するにあたって、前回検査からの欠陥の進展状況を簡便に把握できる画像検査方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は、画像取得手段を校正するステップと、前記画像取得手段により被検体を走査するステップと、前記走査によって腐食ピットが抽出される度に寸法を算出するステップと、前記腐食ピットの寸法を管理基準と比較するステップと、前記腐食ピットの寸法が管理基準より大きい場合に画像、寸法、位置情報を付加して記憶手段に保存するステップを備えることを特徴とする。

本発明によれば、欠陥の進展状況を確実に把握することが可能となる。

従来の検査方法を説明する図である。 腐食ピット画像である。 従来の検査方法で用いられていたマイクロスコープヘッドの構造を示す断面図である。 物体面（被検対象）とマイクロスコープヘッドと像面（撮像素子面）の位置関係を示す図である。 像面における腐食ピットの位置を説明する図である。 物体面における腐食ピットの位置を説明する図である。 本発明の三次元座標取得部として、多関節アームを使用した実施例を示す図である。 本発明の三次元座標取得部として、室内ＧＰＳを使用した実施例を示す図である。 本発明の三次元座標取得部として、レーザトラッカを使用した実施例を示す図である。 レーザトラッカで計測される座標系を説明する図である。 本発明の三次元座標取得部として、カメラ付きのレーザトラッカを使用した実施例を示す図である。 本発明の三次元座標取得部として、ワイヤーエンコーダを使用した実施例を示す図である。 本発明の三次元座標取得部として、三軸の加速度センサを使用した実施例を示す図である。 本発明の三次元座標取得部として、モザイキング技術による画像合成を使用した実施例を示す図である。 本発明の全体構成を示す図である。 本発明における、マイクロスコープの校正について示す図である。 本発明における、マイクロスコープからの信号に基づき、腐食ピットを抽出し判定する流れと、三次元座標取得部からの信号に基づき位置を算出する流れを示す図である。 本発明における、記録情報の例を示す図である。 本発明における、検査の流れを示す図である。 本発明における、検査の流れを示す図である。

本発明は、被検体としてタービン翼表面に生じた腐食ピットなどの欠陥を、画像を用いて検査する方法に関する。以下、実施例を、図面を用いて説明する。
画像取得手段の一例としてマイクロスコープを用いた実施例を説明する。

図３に本発明におけるマイクロスコープ撮影ヘッド２の構造を示す。結像レンズ６の周囲を囲むような照明７により、タービン翼１の表面を全周囲から照らし、該照明により発生した散乱光が、結像レンズ６により集光され、ＣＣＤやＣＭＯＳなどの撮像素子８上に結像される。図３に示す全周からの照明を用いて得られた画像では、図２に示したように、腐食ピットが暗い部分として確認される。

図４に、マイクロスコープ撮影ヘッド２を簡素化した図と撮像関係を示す。物体面９は、結像レンズ（１枚で簡素化して記載）６を介して、像面１０（撮像素子４の受光面）に結像される。ここで、マイクロスコープ撮影ヘッド２と物体面９との距離ＷＤを作動距離といい、本実施例では、距離ＷＤは一定とする。具体的には、マイクロスコープ撮影ヘッド２にスペーサ１３を設け、スペーサ１３をタービン翼１に押し付けることで、距離１１を一定に保つことができる。

今、実空間における座標系の基準点を、図４に示す、マイクロスコープ撮影ヘッド２の背面の中心O_hにとる。像面１０（x_i−y_i平面）は、マイクロスコープ撮影ヘッド２の背面と平行に配置されている（もしくは、あたかも平行に配置されているように校正されている）ものとし、z=L₁の位置にあるものとする。図５に示すように、像面１０に結像された腐食ピット４の位置（画像上での位置）が（x_i、y_i）＝（u、v）であったとする（ｚはｚ＝L₁）。像面１０と結像レンズ６の間隔をL₂、結像レンズ６と物体面９の間隔をL₃とすると、図６に示す、物体面９（x_o−y_o平面）における腐食ピット４の位置は、（u×L₃/L₂、v×L₃/L₂）（ｚはｚ＝L₁+L₂+L₃）となる。したがって、マイクロスコープ撮影ヘッド２の実空間（世界座標）における三次元座標が把握できれば、腐食ピットの実空間（世界座標）における三次元座標が求まる。

そこで、次に、三次元座標取得部がマイクロスコープ撮影ヘッド２の三次元座標を求める方法について述べる。マイクロスコープ撮影ヘッド２の実空間（世界座標）における三次元座標を求める方法としては、絶対座標を算出する方法と、移動量（相対座標）を算出する方法がある。

絶対座標を算出する方法としては、図7に示す、マイクロスコープ撮影ヘッド２を多関節アーム１２に把持させ、多関節アーム１２の原点を座標基準として用いる方法がある。多関節アーム１２は、主軸と屈曲回転自在の3本のアームで構成され、各関節部およびアーム軸まわりの回転機能は、マイクロスコープ撮影ヘッド２の回転と併せて７自由度を持つ測定リンク系となっている。本来は、最先端のアームに取付けられた無方向性の触針が存在する任意の位置を直交座標で求めるものであるが、本実施例では、マイクロスコープ撮影ヘッド２の位置を求める。本来、無方向性の触針が存在する位置を求めるものであるから、マイクロスコープ撮影ヘッド２の回転に対し考慮されていない、すなわち、腐食ピット４の三次元座標を求める場合には、腐食ピット４を画像の中心に写すなどの運用が必要となる。この場合、タービンの何らかの点を絶対基準点と定め、最終的に、この絶対基準点を原点とした座標系に変換して腐食ピットの位置を求める。検査すべきタービンの大きさ（検査範囲）が、多関節アーム１２の可動範囲を超えた場合には、多関節アーム１２を移動させる前に、座標合成用の座標点を３点以上測定し、多関節アーム１２を移動させた後に、座標合成用の座標点を測定すれば、座標変換により、簡単に座標系を共通化できる。

絶対座標を算出する他の方法としては、図８に示す、室内ＧＰＳ（Global Positioning System）を用いる方法がある。この方法では、衛星の代わりにトランスミッタ（赤外線発信器）１４を複数個配置する（１４ａ〜１４ｃ）。マイクロスコープ撮影ヘッド２には、センサ１５が取り付けられており、これにより、トランスミッタからの信号を受信し、受信結果をレシーバ１６に送る。送られた信号は、コンピュータ１７により解析され、マイクロスコープ撮影ヘッド２の三次元座標がもとまる。さらに、センサ１５を３個用いれば（１５ａ、１５ｂ、１５ｃ）、三次元座標に加え、姿勢情報（ロール、ピッチ、ヨー）を計測することが可能となる。多関節アームの場合と同様に、タービンの何らかの点を絶対基準点と定め、最終的に、この絶対基準点を原点とした座標系に変換して腐食ピットの位置を求める。多関節アームの場合と比べ、計測範囲が広いという利点がある。また、姿勢情報も求まるため、画像上で腐食ピット４がどの位置に写っていても良いという利点がある。

絶対座標を算出する、更に他の方法としては、図９に示す、レーザトラッカを用いる方法がある。この方法では、マイクロスコープ撮影ヘッド２にリフレクタ１９を搭載する。レーザトラッカ１８は、測距部２０と、二つの回転軸２１ａ、２１ｂからなる。レーザトラッカ１８からのレーザビームは、マイクロスコープ撮影ヘッド２に取り付けられたリフレクタ１９に照射され、Time of Flight法や、位相法によりレーザトラッカ原点からリフレクタ１９までの距離ｒを測定する。また、リフレクタ１９（マイクロスコープ撮影ヘッド２）の動きに追従させてレーザビームを２軸走査する。２軸の角度φ、θは、高精度のエンコーダにより測定されるため、（φ、θ、ｒ）が常に求まる、すなわち、図１０に示すように、三次元座標（ｘ、ｙ、ｚ）＝（ｒsinθcosφ、ｒsinθsinφ、ｒcosθ）が求まる。なお、多関節アームの場合と同様に、マイクロスコープ撮影ヘッド２の回転に対し考慮されていない、すなわち、腐食ピット４の三次元座標を求める場合には、腐食ピット４を画像の中心に写すなどの運用が必要となる。この課題に対し、図１１に示すように、レーザトラッカ１８に、２軸の自由度（２３ａ、２３ｂ）を持つカメラ２２を取り付け、更に、マイクロスコープ撮影ヘッド２に、例えば、複数のＬＥＤ３３ａ〜３３ｄを取り付け、上記カメラ２２にて、該ＬＥＤを撮像する。該ＬＥＤの位置関係を予め定めておけば、カメラ２２にて取得された画像を解析することで、マイクロスコープ撮影ヘッド２の姿勢を求めることが可能となる。

絶対座標を求める、更に別の方法としては、ワイヤーエンコーダを用いる方法がある。図１２に示すように、マイクロスコープ撮影ヘッド２の同じ点に、二つのワイヤーエンコーダ２２ａ、２２ｂをつなぐ。二つのワイヤーエンコーダ２２ａ、２２ｂは、タービン翼１の所定の位置に固定されており、その間隔Ｄは固定されている。今、ワイヤーエンコーダ２２ａ、２２ｂのワイヤー引き出し量が、各々ｄ１、ｄ２だったとすると、マイクロスコープ撮影ヘッド２の位置が求まる。ただし、ｄ１、ｄ２を保ったままマイクロスコープ撮影ヘッド２を動かす（回転させる）ことが可能である。しかしながら、マイクロスコープ撮影ヘッド２は、スペーサ１３により常にタービン翼1との距離が固定されているとすれば、ｄ１、ｄ２が定まった時点で、マイクロスコープ撮影ヘッド２の座標は一意に求まる。なお、多関節アームの場合と同様に、マイクロスコープ撮影ヘッド２の回転に対し考慮されていない、すなわち、腐食ピット４の三次元座標を求める場合には、腐食ピット４を画像の中心に写すなどの運用が必要となる。この場合、二つのワイヤーエンコーダ２２ａ、２２ｂが、タービン翼１の所定の位置に固定されているため、マイクロスコープ撮影ヘッド２の座標は、翼毎に決定されることになる。

その他に、図１３に示すように、３軸の加速度センサを用いて積分処理により移動量を求める方法もある。移動に伴い発生した信号を積分処理することで移動量が簡便に求まるが、マイクロスコープ撮影ヘッド２の走査を連続的に行う必要がある。また、多関節アームの場合と同様に、マイクロスコープ撮影ヘッド２の回転に対し考慮されていない、すなわち、腐食ピット４の三次元座標を求まる場合には、腐食ピット４を画像の中心に写すなどの運用が必要となる。

更に、外観センサ、搭載センサは一切用いず、図１４に示すように、得られたモザイキング画像３３ａ、３３ｂ、３３ｃを、モザイキング技術を用いて連続に合成していく方法もある。

図１５に、座標算出機能を備えた検査システムの全体構成を示す。マイクロスコープ撮影ヘッド２より得られた画像は、三次元座標取得部２４で得られた情報と共に、コンピュータ２５に送られる。その結果は、表示手段２６で表示されると共に、記憶手段２７に記憶される。

ここで、図１６に示すように、本実施例では、検査に先立ち、マイクロスコープの校正を行う。すなわち、基準ターゲット２８を撮影し、得られる画像の明るさが同じになるように、照明７の照度を調整したり、撮像素子８の露光時間、ゲインを調整したりする。また、倍率が同じになるように、スペーサ１３の間隔を調整する。このような校正を行うことで、異なる時間に、異なる環境で検査が行われたとしても、同じ質の画像を取得することが可能となる。

図１７に、本実施例におけるコンピュータ２５の詳細を示す。マイクロスコープ撮影ヘッド２より送出された画像は、画像取り込みボード２９を介してコンピュータ２５内に取り込まれる。取り込まれた画像は、腐食ピット抽出部３０で処理され、腐食ピットが抽出される。次に、管理基準判定部３１にて、抽出された腐食ピットが記録すべきものか否かを判定する。一方、三次元座標取得部２４からの信号も位置算出部３２を介してコンピュータ２５に送達され、抽出された腐食ピットが記録すべきものであった場合には、図１８に示すように、画像と位置情報を関連付けて記憶手段２７に記憶する。

以上の流れを、図１９、および、図２０にまとめる。図１９において、先ず、マイクロスコープの校正を行う(S200)。次に、検査が開始され(S101)、マイクロスコープ撮影ヘッド２の走査が始まる(S102)。腐食ピットが抽出される度に(S103)、寸法の算出(S104)、管理基準との比較(S105)が行われ、抽出された腐食ピットが管理基準より大きい場合には、位置情報を取得し(S106)、画像、寸法、位置情報を付加して記憶手段に保存する(S107)。この作業を翼全体に対して実施する(S108)。そして、翼全体に対する走査が完了した場合、検査は終了する(S109)。

図２０において、次回の検査時には、同じく、先ず、マイクロスコープの校正を行う(S200)。次に、検査が開始される(S201)と、前回の検査結果である画像、寸法、位置情報が記憶手段から読み込まれ(S202)、マイクロスコープ撮影ヘッド２の走査が始まる(S203)。腐食ピットが抽出される度に(S204)、寸法の算出(S205)、管理基準との比較(S206)が行われ、抽出された腐食ピットが管理基準より大きい場合には、位置情報を取得する(S207)。そして、前回検査時に取得された位置情報に近い位置に、腐食ピットがあったか否かを調べる(S208)。前回検査時に無かった場合には、画像、寸法、位置情報を付加して保存する(S209a)。前回検査時にあった場合には、前回検査時の寸法より大きいか否かを調べる(S209b)。前回検査時の寸法より小さい場合には、位置が非常に近い場所に発生した新たな腐食ピットであるため、画像、寸法、位置情報を付加して保存する(S209a)。前回検査時の寸法より大きい場合には、前回より成長しているため、画像および寸法情報を更新する(S210)。この作業を翼全体に対して実施する(S212)。そして、翼全体に対する走査が完了した場合、検査は終了する(S213)。

このように、腐食ピットが前回検査時の寸法より大きい場合には、前回より成長しているため、画像および寸法情報を更新することにより、欠陥の進展状況を確実に把握することが可能となる。

1・・・タービン翼
2・・・マイクロスコープ撮影ヘッド
3・・・マイクロスコープコントローラ
4・・・腐食ピット
5・・・腐食ピット画像
6・・・結像レンズ
7・・・照明
8・・・撮像素子
9・・・物体面
10・・・像面
12・・・多関節アーム
13・・・スペーサ
14ａ、14ｂ、14ｃ・・・トランスミッタ
15ａ、15ｂ、15ｃ・・・受信センサ
16・・・レシーバ
17・・・コンピュータ
18・・・レーザトラッカ
19・・・リフレクタ
20・・・測距部
21a、21b・・・回転軸（ロータリーエンコーダ付き）
22a、22ｂ・・・ワイヤーエンコーダ
24・・・三次元座標取得部
25・・・コンピュータ
26・・・表示手段
27・・・記憶手段
28・・・基準ターゲット
29・・・画像取り込みボード
30・・・腐食ピット抽出部
31・・・管理基準判定部
32・・・位置算出部
33a、33b、33c・・・モザイキング画像

Claims (2)

1. 画像取得手段を校正するステップと、前記画像取得手段により被検体を走査するステップと、前記走査によって腐食ピットが抽出される度に寸法を算出するステップと、前記腐食ピットの寸法を管理基準と比較するステップと、前記腐食ピットの寸法が管理基準より大きい場合に画像、寸法、位置情報を付加して記憶手段に保存するステップを備えることを特徴とする腐食ピット検査方法。
2. 請求項１記載の腐食ピット検査方法であって、
   ２回目以降に検査する際に、前記画像取得手段を校正するステップと、前記記憶手段から前記腐食ピットの画像、寸法、位置情報を読み込むステップと、前記画像取得手段により被検体を走査するステップと、前記走査によって抽出された腐食ピットが管理基準より大きい場合に位置情報を取得するステップと、前回検査時に腐食ピットがあった場合には、前回検査時の寸法より大きいか否かを調べるステップと、腐食ピットが前回検査時の寸法より大きい場合には、画像および寸法情報を更新するステップを備えることを特徴とする腐食ピット検査方法。