JP2015507187A - 複数特性の並行的超音波検査 - Google Patents

Abstract

部品の外部表面及びその場所における壁厚もしくは部品の厚さを音響的に測定するための方法は、既知の座標系内において音響トランシーバ（１０２）及び部品（１０６）を提供し、音響トランシーバが、部品に向かって既知の座標系内の第１の場所において音響信号（ｔ０）を並行して放射し第１の表面から第１のリターン信号（ｔ１）を並行して受信し第２の表面から第２のリターン信号（ｔ２）を並行して受信し、音響信号の放射と第１のリターン信号（ｔ１）の受信の間の第１のタイムラグを記録し既知の座標系内において第１の表面上の測定された第１の点を決定し、第１のリターン信号（ｔ１）の受信と第２のリターン信号（ｔ２）の受信の間の第２のタイムラグを記録し既知の座標系内において第２の表面上の測定された第２の点を決定し、部品（１０６）の３次元モデルを生成するために、第１及び第２の点の決定を繰り返すことを含む。【選択図】図３Ａ

Description

本願発明は、複数特性の並行的超音波検に関する。

開示される実施形態は、一般的には鋳造構造の検査に関し、特にその中の複数特性の並行的検査に関する。

米国特許出願公開第２０１０／２０５８１６号明細書

本発明の一実施形態は、部品の複数の特性を並行的に測定し決定するための方法を提供する。本方法は、中実であるかもしくはその中に１つまたは複数の空胴を含む部品、および音響トランシーバを提供する。トランシーバおよび部品は、既知の座標系において提供される。本方法は、音響トランシーバが音響信号を放射し、第１および第２のリターン信号を並行して受信することを提供する。本方法は部品が中実であったり、中空であったり、あるいはこのような領域の組み合わせであってもよい部品の３次元モデルを形成するために、既知の座標系内の複数の所与の場所においてこれらの測定を収集することをさらに提供する。

別の実施形態は、部品の外部表面の点の絶対位置を決定するために、部品に物理的に接触する音響トランシーバを提供する。部品に接触するのと並行して、トランシーバは、部品の外部表面上の点において壁厚を決定するために、音響信号を放射し、並行してリターン信号を受信する。これらの測定は、部品の３次元モデルを形成するために、既知の座標系内の複数の所与の場所において行うことができる。

別の態様は、音響トランシーバと部品との間の並進運動などの相対的運動を提供する。

別の実施形態は、音響トランシーバおよび部品の両方に密に接触する音響伝搬媒質または音響カプラントを提供する。

さらに別の態様は、超音波トランシーバである音響トランシーバを提供する。

別の態様は、部品の厚さまたは部品の壁厚を音響的に測定する前に、部品材料の音速の決定を提供する。

本発明の実施形態は、以下の図面において図示される。

図１は、既知の座標系内の第１の場所における部品内の超音波伝搬の模式的な表現である。 図２は、既知の座標系内の第２の場所における部品内の超音波伝搬の模式的な表現である。 図３Ａは、既知の座標系内の外部表面上の点およびその点における壁厚の並行的超音波測定の模式的な表現である。 図３Ｂは、既知の座標系内の外部表面上の点およびその点における壁厚の並行的超音波測定の模式的な表現である。 図３Ｃは、既知の座標系内の外部表面上の点およびその点における壁厚の並行的超音波測定の模式的な表現である。 図４Ａは、既知の座標系内の外部表面上の点の物理的測定およびその点における壁厚の並行的超音波測定の模式的な表現である。 図４Ｂは、既知の座標系内の外部表面上の点の物理的測定およびその点における壁厚の並行的超音波測定の模式的な表現である。 図４Ｃは、既知の座標系内の外部表面上の点の物理的測定およびその点における壁厚の並行的超音波測定の模式的な表現である。

ここで図１および図２に示すように、部品１０６の並行的超音波測定のためのシステム１００が設けられる。システム１００には、音響トランシーバ１０２が設けられる。音響トランシーバ１０２は、超音波トランシーバ１０２であってもよく、音響送信器および分離した音響受信器の別々の構成要素として任意に設けられてもよい。音響トランシーバ１０２は、既知の速さで無線および電気信号、例えば超音波信号などを送信し受信する。システム１００には、既知の音速を有する音響カプラントまたは伝搬媒質１０４がさらに設けられ、その音速は超音波信号が通過することができる速さであって、典型的にはｍｍ／μｓを単位として測定される。音響カプラント１０４は、例えば、水であってもよい。しかし、他の既知のカプラント、例えばプロピレングリコール、グリセリン、シリコーンオイルおよび音響ゲルなどを用いてもよい。

部品１０６は、例えばガスタービンエンジンに用いられる鋳造された翼などであって、測定のために設けられる。部品１０６には、少なくとも１つの外部表面１０８が設けられ、１つまたは複数の内部空洞１１０が設けられてもよい。いくつかの実施形態によれば、部品１０６は、第１の外部表面および第２の外部表面を有する中実な部品であってもよい。他の実施形態は、中実な領域および中空な領域の組み合わせを有する部品１０６を含んでもよい。また、内部空洞１１０には、部品１０６の内部にあって内部空洞１１０に関係する少なくとも１つの内部表面１１２が設けられる。また、部品１０６には、システム１００内で部品１０６の適切な配置を確実にするために、１つまたは複数のデータムが設けられてもよい。

部品１０６は、好ましくは既知の音速を有する材料で作製され、その音速は典型的にはｍｍ／μｓを単位として測定される。単結晶組成を有する材料で作製された部品１０６については、結晶方位を、本明細書に開示される音響試験に先立って決定することができる。（本明細書に記載された）放射された音響信号およびリターン信号に対する結晶方位は、この方位に応じて音速が変化するので、音響測定の精度に影響を与える可能性がある。したがって、例えば、試験に先立って方位をＸ線で測定することができる。しかし、この方位を決定する他の方法を用いてもよい。

音響カプラント１０４は、音響トランシーバ１０２および部品１０６の両方と密に接触するように設けられる。このような密な接触を提供するための１つの方法は、音響カプラント１０４中に音響トランシーバ１０２および部品１０６を浸漬することである。しかし、この密な接触を提供するための他の方法を用いることができ、それは例えば音響信号が送信され受信される音響トランシーバ１０２と部品１０６との間に音響カプラント１０４の流れを提供することなどである。

音響トランシーバ１０２は、既知の２次元座標系内の既知の位置または場所（ｘ１，ｙ１）、（ｘ２，ｙ２）に設けることができる。例えば、図示する実施形態のｘ次元およびｙ次元は、左右方向および紙面の前後方向を含む。さらに本明細書に記載するように、例えば、第３の次元は図示する実施形態の上下方向である。システム１００は、音響トランシーバ１０２と部品１０６との間の相対的運動を提供してもよい。例えば、図１および図２に示すように、音響トランシーバ１０２は、部品１０６に対して、例えばｘ方向およびｙ方向の２次元の座標系によって移動することができる。あるいは、部品１０６が、音響トランシーバ１０２の動きの代わりに、またはそれに加えて移動してもよい。音響トランシーバ１０２または部品１０６の動きは、並進運動であってもよい。音響トランシーバ１０２と部品１０６との間の相対的運動は、例えばリニアモーターなどの様々な既知の手段のいずれか１つによって達成することができる。既知の座標系の範囲内で部品に対して音響トランシーバ１０２の場所を決定するための線形可変差動トランスデューサ（ＬＶＤＴ）に、モーターは、結合されることもできる。

既知の２次元座標系内の音響トランシーバ１０２の既知の場所は、部品１０６の３次元モデルを生成するために、音響トランシーバ１０２によって得られた測定値と結合される。音響トランシーバ１０２は、第１の場所（ｘ１，ｙ１）において、破線の矢ｔ０により表される音響信号を部品１０６に向けて放射する。放射された音響信号ｔ０は、例えば超音波信号を含む様々な音波信号であってもよい。音響トランシーバ１０２は、第１の場所（ｘ１，ｙ１）、第２の場所（ｘ２，ｙ２）、そして既知の２次元座標系内の任意の数の次の場所（ｘｎ，ｙｎ）において音響信号を放射してもよい。

次に、図３Ａ〜図３Ｃに示すように、音響トランシーバ１０２は、既知の２次元座標系内の所与の場所（ｘｎ，ｙｎ）において音響信号ｔ０を放射する。それから、音響トランシーバ１０２は、部品外部表面１０８から点線ｔ１により表される第１の音響リターン信号を受信することができ、並行して部品内部表面１１２から点線ｔ２により表される第２の音響リターン信号を受信することができる。

音響カプラント１０４の音速を知って、送信音響信号ｔ０の送信と第１のリターン信号ｔ１の受信との間のタイムラグを記録することによって、部品１０６の外部表面１０８上の点の絶対座標を決定することができる。この測定値を既知の２次元座標系内の音響トランシーバ１０２の既知の場所と結合して、既知の座標系に関して外部表面１０８上の測定された外部点（ｘｎ，ｙｎ，ｚｎ１）を決定することができる。

さらに、部品１０６の鋳込材料の音速を知って、第１のリターン信号ｔ１の受信と第２のリターン信号ｔ２の受信との間のタイムラグを記録することによって、部品１０６の壁厚を決定することができる。この厚さ、外部表面１０８上の測定された外部点（ｘｎ，ｙｎ，ｚｎ１）、および既知の２次元座標系内の音響トランシーバ１０２の位置を知ることで、既知の座標系に関して内部表面１１２上の測定された内部点（ｘｎ，ｙｎ，ｚｎ２）を決定することができる。

空間内の外部の絶対位置および選択された場所についての相対的な壁厚が与えられ、そして既知の２次元座標系内の複数の位置（ｘ１，ｙ１）、（ｘ２，ｙ２）、（ｘｎ，ｙｎ）においてこれらのステップを繰り返すことによって、部品１０６全体の３次元モデルを開発することができる。３次元モデルを開発するための時間測定および必要な計算は、コンピュータソフトウェアを介して記録され実行され得る。

例えばファンブレードなどの中空部分のない中実な部品、あるいは中空な部品と中実な部品との組み合わせの中実部分の場合には、音響トランシーバ１０２は、既知の２次元座標系内の所与の場所（ｘｎ，ｙｎ）において音響信号ｔ０を放射する。点線ｔ２は、対向する外部表面まで延長する。対向する外部表面は、第１の外部表面と一体であってもよく、あるいは第１の材料の第２の材料片によって形成されてもよい。これらは、同じ材料であってもよいし、あるいは異なる材料であってもよい。それから、音響トランシーバ１０２は、部品外部表面１０８から点線ｔ１によって表される第１の音響リターン信号を受信することができ、並行して部品１０６の対向する外部表面から点線ｔ２によって表される第２の音響リターン信号を受信することができる。

音響カプラント１０４の音速を知って、送信音響信号ｔ０の送信と第１のリターン信号ｔ１の受信との間のタイムラグを記録することによって、部品１０６の外部表面１０８上の点の絶対座標を決定することができる。この測定値を既知の２次元座標系内の音響トランシーバ１０２の既知の場所と結合して、既知の座標系に関して外部表面１０８上の測定された外部点（ｘｎ，ｙｎ，ｚｎ１）を決定することができる。

さらに、部品１０６の鋳込材料の音速を知って、第１のリターン信号ｔ１の受信と第２のリターン信号ｔ２の受信との間のタイムラグを記録することによって、例示的な中実な部品１０６の厚さまたは部品１０６の中実な部分の厚さを決定することができる。この厚さ、外部表面１０８上の測定された外部点（ｘｎ，ｙｎ，ｚｎ１）、および既知の２次元座標系内の音響トランシーバ１０２の位置を知ることで、既知の座標系に関して対向する外部表面上の第２の外部点（ｘｎ，ｙｎ，ｚｎ２）を決定することができる。

空間内の外部の絶対位置および選択された場所についての相対的な部品の厚さが与えられ、そして既知の２次元座標系内の複数の位置（ｘ１，ｙ１）、（ｘ２，ｙ２）、（ｘｎ，ｙｎ）においてこれらのステップを繰り返すことによって、部品１０６全体の３次元モデルを開発することができる。３次元モデルを開発するための時間測定および必要な計算は、コンピュータソフトウェアを介して記録され実行され得る。

次に、図４Ａ〜図４Ｃに示すように、音響トランシーバ１０２は、部品１０６の３次元モデルを決定するために、部品１０６と物理的に接触し、かつ音響的にそれに侵入するプローブとして組み合わされてもよい。音響トランシーバ１０２は、並進運動を可能にし測定するためのＬＶＤＴ１１４に結合されるバネ部材を有する装置に設けられてもよい。対応する動きのために適応する他の既知のバイアス装置が、ばねの他に用いられてもよい。また、ＬＶＤＴの他に、並進運動を測定するための他の既知の装置が用いられてもよい。音響トランシーバ１０２および部品１０６は、既知の２次元座標系内の所与の場所（ｘｎ，ｙｎ）に互いに提示される。それから、音響トランシーバ１０２の先端および部品１０６は、所定の基準高さ（ｚｎ）で互いに接触させることができる。

絶対的な３次元モデルを決定するために、システムは、部品がその製造工程からそうであるべきものに基づく作業３次元モデルから始めることができる。このモデルは、部品１０６の所与の場所（ｘｎ，ｙｎ）における予想される基準高さ（ｚｎ）を決定する。したがって、既知の座標系の所与の場所（ｘｎ，ｙｎ）において、音響トランシーバ１０２および部品１０６は、共に予想される基準高さ（ｚｎ）に持ってこられる。この高さ（ｚｎ）のいかなる相違も、ばね／ＬＶＤＴ装置１１４を介して、部品に対して音響トランシーバ１０２を平行移動させる。ばね／ＬＶＤＴ装置１１４は予想される基準高さ（ｚｎ）に対してこの並進運動を測定することができ、絶対的な測定された高さ（ｚｎ１）は既知の座標系内の所与の場所（ｘｎ，ｙｎ）おいて決定することができる。このように、測定された外部点（ｘｎ，ｙｎ，ｚｎ１）は、部品外部表面１０８上で決定することができる。

音響トランシーバ１０２と部品１０６とが接触する図４Ｂに示すように、音響トランシーバ１０２は、測定された外部点（ｘｎ，ｙｎ，ｚｎ１）における壁厚を測定するために、部品１０６内に音響信号ｔ０を放射する。図４Ｃに示すように、音響トランシーバ１０２は、内部表面１１２から第１のリターン信号ｔ１を受信する。部品１０６の音速および放射された音響信号ｔ０と受信した第１のリターン信号ｔ１との間のタイムラグを知ることで、測定された外部点（ｘｎ，ｙｎ，ｚｎ１）における壁厚を決定することができ、このようにして、内部表面１１２上の測定された内部点（ｘｎ，ｙｎ，ｚｎ２）を決定することができる。

中実または中空であっても、あるいは中実な部品および中空な部品を有する部品であっても、部品１０６全体の３次元モデルを開発するために、図４Ａ〜図４Ｃに示す方法を複数の場所で繰り返すことができる。３次元モデルを開発するための時間測定および必要な計算は、コンピュータソフトウェアを介して記録され実行され得る。

３次元モデルは、得られた測定値を用いて並行的に生成することができ、コンピュータソフトウェアを介して実行することができる。３次元モデルは、特定の部品１０６上へ重要な特徴を機械加工するための最適な製造シーケンスを決定するために、引き続いて用いることができる。機械加工上の違いを必要とする可能性があり、および／または結果として部品の性能ばらつきをもたらす可能性がある、部品１０６内のいかなる鋳造ばらつきも最小化される。このような相違は、コアシフト、コア傾斜、またはそれらの組み合わせを含む可能性がある。あるいは、個々の部品１０６をモデル化することとは対照的に、鋳造物の類似するファミリーを測定してもよい。

それから、部品１０６の計算された３次元モデルは、その部品１０６に実行されるその後の機械加工処理で利用することができる。例えば、壁の内部表面上の内部空洞１１０に損傷を与えないために、どこに穴をあけるべきか、そしてどのくらい深くあけるべきかを決定することができる。例えば、各部品１０６は、その部品１０６に固有の、または一群の部品に固有の鋳造ばらつきに従って、固有に機械加工することができる。各部品１０６に合わせて機械加工処理を調整することが可能なことによって、スクラップおよび再加工などの製造損失を低減することができる。本明細書に開示する方法によって集められたデータは、部品１０６が製造された鋳造処理へのフィードバックを提供することもできる。

構造および方法についての上記の説明は、例示のために提示されている。最良の形態を含む本発明を開示し、また当業者が任意の装置またはシステムを製作し使用し、任意の組み込まれた方法を実行することを含む本発明を実施することを可能にするために、実施例が用いられる。これらの実施例は、網羅的であることを意図していないし、あるいは開示された正確なステップおよび／または形式に本発明を限定することを意図するものでもない。そして、多くの修正および変更が上記の教示を考慮して可能である。本明細書に記載された特徴は、任意の組み合わせに結合されてもよい。本明細書に記載された方法のステップは、物理的に可能な任意の順序で実行されてもよい。本発明の特許され得る範囲は、添付した特許請求の範囲によって規定され、当業者が想到する他の実施例を含んでもよい。このような他の実施例が請求項の文字通りの言葉と異ならない構造要素を有する場合、または、それらが請求項の文字通りの言葉との実質的でない差異を有する等価な構造要素を含む場合には、このような他の実施例は請求項の範囲内であることが意図されている。

１００ システム
１０２ 音響トランシーバ、超音波トランシーバ
１０４ 音響カプラント、伝搬媒質
１０６ 部品
１０８ 外部表面
１１０ 内部空洞
１１２ 内部表面
１１４ ばね／ＬＶＤＴ装置
ｔ０ 音響信号
ｔ１ 第１のリターン信号
ｔ２ 第２のリターン信号

Claims (20)

1. 部品（１０６）を測定するための方法であって、
   少なくとも１つの第１の表面および少なくとも１つの第２の表面を有する部品（１０６）を提供するステップと、
   音響トランシーバ（１０２）を提供するステップと、
   既知の座標系内において前記音響トランシーバ（１０２）および前記部品（１０６）を提供するステップと、
   前記音響トランシーバ（１０２）が、前記部品（１０６）に向かって前記既知の座標系内の第１の場所において音響信号（ｔ０）を並行して放射し、前記少なくとも１つの第１の表面から第１のリターン信号（ｔ１）を並行して受信し、前記少なくとも１つの第２の表面から第２のリターン信号（ｔ２）を並行して受信するステップと、
   音響信号（ｔ０）を前記放射することと前記第１のリターン信号（ｔ１）を受信することとの間の第１のタイムラグを記録し、前記既知の座標系内において前記少なくとも１つの第１の表面上の測定された第１の点を決定するステップと、
   前記第１のリターン信号（ｔ１）を前記受信することと前記第２のリターン信号（ｔ２）を前記受信することの間の第２のタイムラグを記録し、前記既知の座標系内において前記少なくとも１つの第２の表面上の測定された第２の点を決定するステップと、
   前記部品（１０６）の３次元モデルを生成するために、前記既知の座標系内の複数の場所において、測定された第１の点を前記決定するステップおよび測定された第２の点を前記決定するステップを繰り返すステップと、
   を含む方法。
2. 前記第２の表面は内部表面（１１２）または外部表面（１０８）の一方であり、前記第２の点は前記部品（１０６）の内部または外部の一方にある、請求項１に記載の方法。
3. 前記第２の表面は内部表面（１１２）であり、前記第２の点は内部点であり、前記モデルは前記部品（１０６）の内部空洞（１１０）を含む、請求項１に記載の方法。
4. 前記音響トランシーバ（１０２）は、超音波トランシーバ（１０２）である、請求項１に記載の方法。
5. 前記超音波トランシーバ（１０２）を直線的に移動させる、請求項４に記載の方法。
6. 前記部品（１０６）は、前記計算された３次元モデルに基づいて機械加工される、請求項１に記載の方法。
7. 既知の音速を有する音響カプラント（１０４）が、前記部品（１０６）および前記トランシーバ（１０２）の両方に密に接触する、請求項１に記載の方法。
8. 前記音響カプラント（１０４）の流れの長さによって、前記少なくとも１つの外部表面（１０８）の様々な幾何学的形状を示す、請求項７に記載の方法。
9. 前記部品（１０６）は、既知の音速を有する材料から成る、請求項７に記載の方法。
10. 前記音響カプラント（１０４）は、水プロピレングリコール、グリセリン、シリコーンオイル、および音響ゲルのうちの１つである、請求項９に記載の方法。
11. 前記既知の座標系内において、前記音響トランシーバ（１０２）と前記部品（１０６）との間の相対的運動を提供するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
12. 前記部品（１０６）を有する前記音響トランシーバ（１０２）を含む、請求項１に記載の方法。
13. 前記少なくとも１つの外部表面（１０８）の様々な幾何学的形状に適応するように前記音響トランシーバ（１０２）をバイアスする、請求項１２に記載の方法。
14. 前記音響トランシーバ（１０２）を前記部品（１０６）から離して配置する、請求項１に記載の方法。
15. 部品（１０６）を測定するための方法であって、
    少なくとも１つの外部表面（１０８）、その中の１つまたは複数の内部空洞（１１０）、および前記１つまたは複数の内部空洞（１１０）と関係する少なくとも１つの内部表面（１１２）を有する部品（１０６）を提供するステップと、
    音響トランシーバ（１０２）を提供するステップと、
    既知の座標系内において前記音響トランシーバ（１０２）および前記部品（１０６）を提供するステップと、
    前記音響トランシーバ（１０２）が、前記既知の座標系内の第１の場所において前記少なくとも１つの外部表面（１０８）に接触し、前記既知の座標系内において前記少なくとも１つの外部表面（１０８）上の測定された外部点を決定するために、前記少なくとも１つの外部表面（１０８）上の高さを測定するステップと、
    前記少なくとも１つの外部表面（１０８）に接触するのと並行して、前記音響トランシーバ（１０２）が、前記部品（１０６）内に前記第１の場所において音響信号（ｔ０）を放射し、前記少なくとも１つの内部表面（１１２）からリターン信号を並行して受信するステップと、
    音響信号（ｔ０）を前記放射することと前記リターン信号を受信することとの間のタイムラグを記録し、前記既知の座標系内において前記少なくとも１つの内部表面（１１２）上の測定された内部点を決定するステップと、
    前記部品（１０６）の３次元モデルを生成するために、前記既知の座標系内の複数の場所において、測定された外部点を前記決定するステップおよび測定された内部点を前記決定するステップを繰り返すステップと、
    を含む方法。
16. 内部コアを有する部品（１０６）を音響的に測定する方法であって、
    既知の座標系内に部品（１０６）を配置するステップであり、前記部品（１０６）は、少なくとも１つの外部表面（１０８）、１つまたは複数の内部空洞（１１０）、および前記１つまたは複数の空洞（１１０）を規定する少なくとも１つの内部表面（１１２）を有するステップと、
    音響トランシーバ（１０２）を、前記既知の座標系内に、かつ前記部品（１０６）に隣接して配置するステップと、
    前記既知の座標系の第１の場所において前記音響トランシーバ（１０２）から第１の音響信号（ｔ０）を放射するステップと、
    前記少なくとも１つの外部表面（１０８）から第１のリターン信号（ｔ１）を受信するステップと、
    外部の場所を決定するために、前記放射と前記受信との間の第１の時間差を受信するステップと、
    前記少なくとも１つの内部表面（１１２）から第２のリターン信号（ｔ２）を受信するステップと、
    前記部品（１０６）内の内部の場所を決定するために、前記第１のリターン信号（ｔ１）と前記第２のリターン信号（ｔ２）との間の第２の時間差を記録するステップと、
    前記音響トランシーバ（１０２）を第２の場所に配置するステップと、
    を含む方法。
17. 前記音響トランシーバ（１０２）および前記外部表面（１０８）に接触する、請求項１６に記載の方法。
18. 前記音響トランシーバ（１０２）と前記外部表面（１０８）との間に間隔を置く、請求項１６に記載の方法。
19. 音響カプラント（１０４）の流れを利用するステップをさらに含む、請求項１６に記載の方法。
20. 前記部品（１０６）を音響カプラント（１０４）に浸漬するステップをさらに含む、請求項１６に記載の方法。