JP2022510538A - 冷却孔の自動識別およびツールパスの生成 - Google Patents
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Abstract
部品を処理する方法は、部品３６のコンピュータ支援設計（ＣＡＤ）モデルを使用して、部品に配置された少なくとも１つの孔６２の位置を識別するステップ２５０２と、取付システム５６内の部品を位置合わせするステップ２５０４と、部品３６を３Ｄスキャンするステップ２５０６と、部品を３Ｄスキャンするステップ２５０６からの少なくとも１つのデータに少なくとも部分的に基づいて、孔３６の少なくとも１つの境界特徴を検出するステップ２５２０と、境界特徴に少なくとも部分的に基づいて、第１のツールパス９２を生成するステップ２５３６と、を含む。【選択図】図４
Description
本開示は、一般に、ガスタービンの被冷却構造に関し、より具体的には、タービン翼形部に関連するシステムおよび方法に関する。
大型の高馬力な産業用ガスタービンエンジンでは、燃焼器内で発生した高温ガス流がタービンを通過して機械的仕事を生じる。タービンは、温度が次第に低下する高温ガス流と反応するステータベーンおよびロータブレードの１つまたは複数の列または段を含む。タービン、ひいてはエンジンの効率は、より高温のガス流をタービンに通すことによって高めることができる。しかしながら、タービン入口温度は、タービン、特に第１段のベーンおよびブレードの材料特性、ならびにこれらの第１段の翼形部に対する冷却能力の多寡によって制限されることがある。
第１段のロータおよびステータ構成要素は、最も高いガス流温度に曝され、ガス流がタービン段を通過するにつれて温度が徐々に低下する。冷却空気を内部冷却通路に通し、冷却空気を膜冷却孔を介して排出して冷却空気のブランケット層を提供し、高温ガス流から被冷却表面を保護することによって、第１段および第２段の翼形部（ブレードおよびベーン）を冷却しなければならない。
タービンロータブレード、固定ベーン、およびその中の冷却通路は、例えば、冷却通路が詰まったかどうかを判断するため、および／または部品の形状が意図された設計から逸脱したかどうかを判断するために、しばしば検査を必要とする。しかし、ガスタービンエンジンには多数のタービン翼形部（ブレードとベーン）があり、各翼形部内には冷却通路と孔が多数あることが多いため、各孔を手動で検査するのは時間のかかる作業である。
本開示の態様および利点は、以下の説明に一部が記載される、または本開示の実施を通じて理解することができる。
一実施形態では、部品を処理する方法は、部品３６のコンピュータ支援設計（ＣＡＤ）モデルを使用して、部品に配置された少なくとも１つの孔６２の位置を識別するステップ２５０２と、取付システム５６内の部品を位置合わせするステップ２５０４と、部品３６を３Ｄスキャンするステップ２５０６と、部品３６を３Ｄスキャンするステップ２５０６からの少なくとも１つのデータに少なくとも部分的に基づいて、孔３６の少なくとも１つの境界特徴を検出するステップ２５２０と、境界特徴に少なくとも部分的に基づいて、第１のツールパス９２を生成するステップ２５３６と、を含む。
本開示のこれらおよび他の特徴、態様および利点は、以下の説明および添付の特許請求の範囲を参照して、よりよく理解されよう。添付の図面は、本明細書に組み込まれて、本明細書の一部を構成し、本開示の実施形態を例示し、説明と共に本開示の原理を説明するのに役立つ。
完全かつ可能な開示は、その最良の形態を含み、当業者に向けられて、本明細書に記載されており、それは以下の添付の図面を参照している。
本明細書および図面における符号の反復使用は、本開示の同じまたは類似の特徴もしくは要素を表すことを意図している。
以下で、本実施形態の態様を詳しく参照するが、その１つまたは複数の例が添付の図面に示されている。詳細な説明は、図面の特徴を参照するために、数字および文字の符号を使用する。図面および説明における同様のまたは類似の表記は、本実施形態の同様のまたは類似の部分を指すために使用されている。本明細書で使用される「第１の」、「第２の」、および「第３の」という用語は、１つの構成要素を別の構成要素から区別するために交換可能に使用されてもよく、個々の構成要素の位置または重要性を示すものではない。「上流」または「後方」、ならびに「下流」または「前方」という用語は、流体経路における流体の流れに関する相対的な方向を指す。例えば、「上流」または「後方」は、流体が流れてくる方向を指し、「後部」と呼ばれることもある。「下流」または「前方」は、流体が流れていく方向を指し、「前部」と呼ばれることもある。「半径方向に」という用語は、特定の構成要素の軸方向中心線に略垂直な相対的な方向を指し、「軸方向に」という用語は、特定の構成要素の軸方向中心線に略平行な相対的な方向を指す。「円周方向の」および「接線方向の」という用語は、回転タービンまたは圧縮機ロータの円周と整列した方向を指すことがある。
本明細書および特許請求の範囲を通してここで使用される、近似を表す文言は、関連する基本的機能に変化をもたらすことなく、差し支えない程度に変動し得る任意の量的表現を修飾するために適用することができる。したがって、「およそ」、「約」、および「実質的に」などの１つまたは複数の用語によって修飾された値は、明記された厳密な値に限定されるものではない。少なくともいくつかの例では、近似を表す文言は、値を測定するための機器の精度に対応する場合がある。ここで、ならびに本明細書および特許請求の範囲の全体を通じて、範囲限界を組み合わせてもよいし、および／または置き換えてもよい。文脈または文言が特に指示しない限り、このような範囲は識別され、本明細書に含まれるすべての部分範囲を含む。
各例は、本実施形態を説明するために提供されており、本実施形態を限定するためではない。実際、本実施形態の範囲または趣旨を逸脱せずに、修正および変形が本実施形態において可能であることは、当業者にとって明らかであろう。例えば、一実施形態の一部として図示または説明された特徴を別の実施形態で使用し、さらに別の実施形態を得ることができる。したがって、本実施形態は、添付の特許請求の範囲およびそれらの均等物の範囲内にあるそのような修正および変形を包含することが意図されている。本実施形態の例示的な態様は、説明の目的でガスタービンに関して一般的に説明されるが、当業者であれば、本実施形態の態様を任意のターボ機械に適用することができ、特許請求の範囲に具体的に列挙しない限り、産業用ガスタービンに限定されないことを容易に理解するであろう。産業用、船舶用、または陸上用のガスタービンが本明細書に示され説明されているが、本明細書に示され説明される本開示は、特許請求の範囲に特に明記されない限り、陸上用および／もしくは産業用ならびに／または船舶用のガスタービンに限定されない。例えば、本明細書に記載される本開示は、限定はしないが、航空機転用タービンまたは船舶用ガスタービンならびに航空機エンジンタービンおよび／または航空用エンジンを含む任意のタイプのタービンに使用され得る。
ここで図面を参照すると、同様の参照符号は同様の構成要素を指し、図１は、本実施形態の様々な態様を組み込むことができるガスタービン１０の例を示している。図示するように、ガスタービン１０は、一般に、圧縮機セクション１２を含み、圧縮機セクション１２は、ガスタービン１０の上流端に配置された入口１４と、圧縮機セクション１２を少なくとも部分的に囲むケーシング１６とを有する。ガスタービン１０は、圧縮機セクション１２から下流に少なくとも１つの燃焼器２０を有する燃焼セクション１８と、燃焼セクション１８から下流のタービンセクション２２とをさらに含む。図示するように、燃焼セクション１８は、複数の燃焼器２０を含むことができる。シャフト２４は、ガスタービン１０を通って軸方向に延在する。図１は、半径方向９４、軸方向９２および円周方向９０を示している。
動作中、空気２６は、圧縮機セクション１２の入口１４に引き込まれ、次第に圧縮されて圧縮空気２８を燃焼セクション１８に供給する。圧縮空気２８は、燃焼セクション１８に流入し、燃焼器２０において燃料と混合されて可燃性混合物を形成する。可燃性混合物は、燃焼器２０で燃焼され、それにより燃焼器２０からタービンノズル３４の第１段３２を横切ってタービンセクション２２に流れ込む高温ガス３０を生成する。タービンセクションは、一般に、タービンノズル３４の隣接する列によって軸方向に分離されたロータブレード３６の１つまたは複数の列を含む。ロータブレード３６は、ロータディスクを介してロータシャフト２４に結合される。ロータシャフト２４は、エンジン中心線ＣＬを中心として回転する。タービンケーシング３８は、ロータブレード３６およびタービンノズル３４を少なくとも部分的に包囲する。ロータブレード３６の列の各々または一部は、タービンケーシング３８内に配置されるシュラウドブロックアセンブリ４０によって同心状に囲まれてもよい。高温ガス３０は、タービンセクション２２を通って流れる際に急速に膨張する。熱および／または運動エネルギーが高温ガス３０からロータブレード３６の各段に伝達され、それによりシャフト２４が回転して機械的仕事が生じる。シャフト２４は、発電機（図示せず）などの負荷に結合されて電気を発生することができる。加えて、または代わりに、シャフト２４を使用して、ガスタービンの圧縮機セクション１２を駆動することができる。
図２は、軸方向前方の前縁４４から軸方向後方の後縁４６まで、かつ半径方向内側根元４８から半径方向外側先端４２まで延在する例示的なタービンロータブレードすなわち翼形部３６の拡大断面側面図を提示している。翼形部３６は、高温ガス経路の半径方向内側境界を画定するプラットフォーム５０を含む。翼形部３６はまた、膜冷却孔（図示せず）などの冷却孔を配置することができる少なくとも１つの基板５２を含む。冷却孔を含む基板は、前縁４４、後縁４６、先端４２を含む翼形部の任意の部分、ならびに翼形部の正圧側および／または翼形部の負圧側にあってもよい。図２の翼形部３６は、本明細書に記載のシステムおよび方法を説明するための例示的な構成要素として使用され、タービンベーン、タービンノズル、燃焼器ライナー、シュラウド、ならびに冷却孔が配置された基板および／または表面を含む他の構成要素にも適用される。
図３は、冷却孔５４を含む翼形部３６の基板５２の一部を示している。コンピュータ支援設計（ＣＡＤ）モデルを使用して、冷却孔５４の位置を特定することができる。各冷却孔５４は、ＣＡＤにおいて、円筒６０によって表すことができ、ここで、円筒６０のｚ軸の中心線は、冷却孔５４の中心の位置および配向と整列している。円筒６０の直径は、冷却孔５４のボア直径と一致するようなサイズにすることができる。したがって、冷却孔５４の形状の多くの態様は、円筒を使用してＣＡＤで表すことができる。他の実施形態では、楕円形、台形、三角形、長方形、および／または他の形状のプリズムを使用して、冷却孔５４の形状を表すことができ、使用される形状は、冷却孔５４の断面形状に依存してもよい。図３はまた、冷却孔５４の近くで、ｚ軸が局所表面または基板５２に垂直になるように位置合わせされ得るｘ－ｙ－ｚ座標系を示している。ｚ軸のゼロ点または原点（および一般にｘ－ｙ－ｚ座標系のゼロ点）は、冷却孔５４の内部中心として選択され得る。
図４は、前縁４４、後縁４６、翼形部先端４２、翼形部根元４６、および翼形部プラットフォーム５０を含む例示的な翼形部３６を示す。図４の実施形態では、いくつかの冷却孔５４が、翼形部３６の基板５２に配置されている。図４は、ｘ－ｙ－ｚ座標系に対して位置合わせされている翼形部３６、および取付システム５６を示している。例えば、ｘ軸は、翼形部プラットフォームの円周方向縁部に沿って定義されてもよく、ｙ軸は、プラットフォームの軸方向縁部に沿って定義されてもよく、ｚ軸は、前縁および／または翼形部３６の他の半径方向に延在する部分に沿って整列されてもよい。他の座標系も定義することができる。６軸ロボットアーム５８および／または他の位置合わせツールを使用して、ｘ－ｙ－ｚ座標系が翼形部上で正確に位置合わせされるように、取付システム５６に対して翼形部３６を位置合わせすることができる。翼形部３６、取付システム５６、およびｘ－ｙ－ｚ座標系のロボットによる位置合わせは、６軸ロボットアーム５８に搭載されたカメラによって提供されるカメラビュー、ならびにキャリパー、深さゲージ、近接ゲージ、ジャイロスコープ、マーカー、位置特定機構、および／または翼形部３６上の位置合わせ機構を含む他の計測器を使用して実行され得る。使用できる他のタイプのゲージまたはプローブは、構造化された光プローブ、点共焦点プローブ、コノスコピックプローブ、または干渉プローブを含み、ロボットと組み合わせて、または固定された配置で位置合わせを確立する。さらに、精密な機械的固定具を使用して、部品モデルに従って既知のデータ点を使用して部品を位置合わせすることができる。翼形部３６、取付システム５６、およびｘ－ｙ－ｚ座標系の位置合わせに続いて、翼形部３６の初期３Ｄスキャンを、３Ｄスキャナを使用して行うことができる。３Ｄスキャナは、レーザーストライプシステム、三角測量ベースの構造化光システム、位相シフトベースの白色光スキャナ、点スキャニング共焦点システム、レーザーレーダーシステム、立体写真測量システム、デプスフロムフォーカスベースのカメラシステム、メカニカルタッチベースのシステム、または上記の任意の組み合わせで構成され得る。位置合わせおよびスキャンシステムは、単一のシステムに組み合わせることができ、または２つ以上の個別のシステムであってもよい。別個の位置合わせおよびスキャンシステムおよび／または機械を使用することにより、各システムが単一の目的のみを果たすことが可能になり得、これにより、各システムの精度の改善が可能になり得る。さらに、別個の位置合わせおよびスキャンシステムおよび／または機械を使用することにより、システムが独立しておよび／または同時に動作することができるので、プロセス全体の改善が可能になり得る。
図５は、図４の３Ｄスキャナを介して受信された測定データに対して傾斜している翼形部３６を示している。言い換えると、３Ｄスキャナによって取得された３Ｄ測定データは、図４で確立された孔のｘ－ｙ－ｚ座標系と一致するように変換される。スキャナによって取得された３Ｄ測定データは、非構造化３Ｄ点群から、例えば、点の３Ｄ三角測量などによって、局所法線および接続性などの地域近傍情報を有する構造化された３Ｄ点群データに変換され得る。このような構造化されたデータクラウドは、３Ｄメッシュ、データメッシュ、３Ｄデータメッシュ、および／または３Ｄ測定データメッシュと呼ばれることがあり、データ構造を保持するために、ステレオリソグラフィ（．ｓｔｌ）、ＶＲＭＬ、またはＷａｖｅｆｒｏｎｔデータフォーマットを含む様々なファイルフォーマットを使用して、スキャナから他の処理システムに転送され得る。
図６は、翼形部基板５２内に配置されたいくつかの冷却孔５４と、いくつかの冷却孔内に配置された円筒６０と、を含む翼形部３６を示している。３Ｄスキャナによって取得された３Ｄ測定データは、３Ｄ測定データからの各データが、それが関連付けられている冷却孔５４の円筒６０の体積の内側または外側のいずれかにあるように、円筒座標系に転置される。３Ｄ測定データの円筒座標への変換は、検査座標系を孔座標系と関連付ける行列変換を含む様々な方法により実行することができる。
図７は、さらなる処理のために選択された冷却孔６２を含む翼形部３６を示している。冷却孔６２は、特定の基準または複数の基準を超える円筒６０（図示せず）の容積内の３Ｄ測定データを含む様々な基準を使用して選択され得る。例えば、冷却孔６２は、３Ｄ測定データが、円筒の容積内（したがって、冷却孔６２内）に、残留および／またはすり減ったサーマルバリアコーティング（ＴＢＣ）などの異物、ならびに他の異物の存在を示唆している場合に選択され得る。別の言い方をすれば、異物の体積が所定のしきい値体積（例えば、円筒容積のパーセンテージ）を超える場合、冷却孔６２は、さらなる処理のために選択され得る。同様に、冷却孔６２はまた、３Ｄ測定データが、ある範囲の冷却孔の深さ（すなわち、円筒座標系のｚ軸に対して）に異物が存在することを示唆する場合には、さらなる処理のために選択され得る。さらなる処理のために選択された任意の冷却孔６２に対して、少なくとも１つの追加の３Ｄスキャンを実行することができる。その他の異物には、すり減ったボンドコート、環境バリアコーティング（ＥＢＣ）、堆積物、汚染物質、汚染物質、酸化、およびその他の材料が含まれる場合がある。可能性のある損傷、材料の欠落、または重大な位置ずれのために、孔が選択される場合もある。
図８は、翼形部３６（図示せず）の基板５２内に配置された冷却孔６２の拡大図を示している。冷却孔６２は、冷却孔が基板５２の平面と交差する冷却孔出口部分に、１つまたは複数の側壁６４、ならびに１つまたは複数の下流側角部６８を含むことができる。冷却孔６２はまた、冷却孔計量セクションと冷却孔出口との間の遷移を画定する傾斜部分６６を含むことができる。傾斜部分６６は、実質的に平面であってもよく、空気力学的形状を有してもよい。冷却孔６２はまた、中央ボア部分７０を含むことができる。
図９は、図８の冷却孔６２の拡大図を示しており、その上部に点群データがマッピングされている。点群は、点間の隣接、表面フィッティング、またはその他の数学的モデル接続に関して、接続または順序付けが確立された関連付ける点がない一連の測定データ点である。各点について知られている唯一の情報は、その点のＸ－Ｙ－Ｚ座標である。公称モデル形状に基づいて個々の点を曲線または小さな表面領域の数学的な表面にロフトし、これらの表面を使用して幾何学的特徴を決定する従来のアプローチではなく、この点データのみを使用して局所化された傾向または変化を評価する。適合した数学的表面の使用は時間がかかり、数学的表面モデル内の他の非孔特徴部の形状または位置のために、点群データ内に存在する非常に局所化された特徴を失うかバイアスをかける可能性がある。点群データは、さらなる処理のために、および他のプロセスを介して、選択された冷却孔６２での２回目以降の３Ｄスキャン中に収集され得る。点群データは、各場所の表面に垂直な方向の配向を表すことができる。同様に、点群データは、法線表面配向の変化を表すことができる。したがって、点群データを使用して、表面法線配向がすぐ近くの他の点（基板５２および傾斜部分６６などの平面部分など）に対して一定である領域を識別することができる。点群データを使用して、下流側角部６８および側壁６４など、表面法線配向が急速に変化している領域を特定することができる。点群データを使用して、冷却孔の中央ボア部分７０など、表面法線配向が存在しない領域を特定することができる。点群データを使用して、基板５２などの３Ｄスキャン方向（例えば、ｚ軸）に対して表面法線配向が直交する領域を特定することができる。記載したように点群データを使用することで、数学的に適合した表面に影響を与える可能性のある部品上の他の特徴によるバイアスまたは平均化の影響を受けずに、冷却孔６２の形状の複数の属性を特定することができ、これにより、測定された冷却孔の形状が公称冷却孔の形状または予想される位置から逸脱している場合でも、冷却孔６２の境界を特定する複数の方法が可能となる。
図１０は、点群データおよび基板表面の正規性を使用して基板５２および大まかな孔境界７２を識別する際の第１のパスを含む、図８および図９の冷却孔６２の拡大図を示す。
図１１は、図８～図１０の冷却孔６２の拡大図を示しており、下流側角部および／または傾斜部分の点群データを使用する孔境界７２、基板５２を用いた孔境界７２の改善されたマッピングと、点群データおよび基板表面の正規性を用いた大まかな孔境界７２と、を含む。
図１２は、基板５２などの法線表面配向を有する部分、ならびに第１の非法線表面部分７４および第２の非法線表面部分７６を含む冷却孔６２の表現の拡大図を示す。
図１３は、基板５２などの法線表面配向を有する部分、ならびに第１の非法線表面部分７４および第２の非法線表面部分７６を含む冷却孔６２の表現の拡大図を示す。図１３では、冷却孔自由縁部７３の一部が、基板５２などの法線表面配向を有する部分と、第１および第２の非法線表面部分７４、７６の少なくとも１つとの間の遷移または縁部で識別される。冷却孔自由縁部７３は、円筒座標系に照らして、公称部品形状の形状と一致する形状を有することができる。図１３では、冷却孔自由縁部７３は、基板５２と第１の非法線表面７４との間の遷移で識別される。遷移が公称部品データの形状と一致しないか、または配向が一致しないため、基板５２と第２の非法線表面７６との間の遷移では、冷却孔自由縁部７３は識別されない。第３の非法線表面７７もまた識別され、また、基準に一致する冷却孔自由縁部７３を含まない。別の言い方をすれば、法線部分と非法線部分との間の遷移の形状および配向の両方を使用して、冷却孔境界を識別することができる。冷却孔自由縁部７３は、冷却孔境界７２（図示せず）と一致する場合と一致しない場合がある。例えば、法線表面配向を有する部分と非法線表面配向を有する部分との間の遷移を画定する冷却孔自由縁部７３は、冷却孔６２内にある場合があり、したがって、冷却孔境界を定義しない場合がある。これは、冷却孔境界７２がデブリ、コーティング、および／またはファウラントの１つまたは複数の層で覆われており、したがって、正常な表面配向を有するように見えるが、少なくとも１つの冷却孔自由縁部７３（すなわち、法線表面配向と非法線表面配向との間の遷移）が冷却孔６２内の深さに配置されている場合に生じ得る。このように、冷却孔自由縁部７３は、冷却孔境界７２の特徴的な孔形状の一部（例えば片側）のみを冷却孔自由縁部７３が含むことに起因して、スケーリング（自由縁部が冷却孔６２内の深さまたは冷却孔６２上の高さで発生することによる）および／または並進を必要とする冷却孔境界７２の近似であってもよい。
さらに図１３を参照すると、第２の非法線表面部分７６（すなわち、法線表面配向を有すると「予想される」基板の位置で）は、基板の浸食、剥離、異物の堆積、異物の損傷、ならびに他の形態の変質および／または劣化に起因する可能性がある。冷却孔６２の表現は、法線配向を有しているように見え、したがって冷却孔６２を囲む基板５２の一部であるように見えるが、冷却孔６２の表現のうち、冷却孔６２自体によって占有されることが予想される部分に位置する、埋め込まれた法線部分８０を含んでもよい。冷却孔６２内の部分は周囲の基板５２の「ように見える」可能性があるため、冷却孔自由縁部７３の形状を公称部品データの形状と正確に一致させることができない場合がある。図８～図１１、ならびに図１２および図１３は、他の可能な目的の中で、冷却孔６２の初期境界または大まかな境界を特定する目的で、測定された表面正規性データ、公称部品データ形状、および所定の座標系に対するそれらの配向を使用する方法を示している。
図１４は、図１２および図１３の冷却孔境界７２（図示せず）の近似の改善を示し、予想される冷却孔境界の特徴的な船体形状の投影８２を、冷却孔自由縁部７３を含む測定された３Ｄデータにマッピングする。特徴的な船体形状は、丸みを帯びた縁部を有する対称台形として説明できる。投影８２は、冷却孔自由縁部７３に最もよく一致するように、サイズを拡大または縮小することができる。例えば、冷却孔６２内に堆積物が存在する場合、冷却孔自由縁部７３は、図示しない冷却孔境界７２（すなわち、例えば、深さがゼロで、または基板５２と共平面である平面内で冷却孔６２と基板５２との交点）とは異なる大きさに見えることがある。冷却孔６２の輪郭は、様々な深さで同じ特徴的な形状を含んでいてもよく、サイズが拡大または縮小されているだけである（例えば、膜冷却孔の拡散部分の断面積および／または流路面積が、孔が基板５２に遷移するにつれて増加し続けることによる）。さらに、所定の許容範囲内での円筒座標系に対する投影の配向に基づくスケーリングもまた望ましい場合がある。したがって、冷却孔自由縁部７３と一致するように投影８２をスケーリングすることが必要な場合がある。投影８２はまた、図１４に示すように、特徴的な形状のために船体として説明され得る。
図１５は、別の改善を含み、冷却孔自由縁部７３と、互いに重畳された特徴的な船体形状の投影８２のみを示す。この重ね合わせにより、少なくとも１つのオフセット８４を定義することができる。オフセット８４は、冷却孔特徴部の公称位置と対応する測定データの位置との間の空間変位として定義することができる。オフセットは、任意の軸（横方向、縦方向、軸方向）に対する並進、および／または円筒座標系に対する配向に一致する回転を含んでもよい。さらに、複数のオフセットを定義することができる。
図１６は、特徴的な船体形状の投影８０と、図１５からのオフセット８４を特徴的な船体形状の投影８０に適用するオフセット船体８６と、を示している。図１６はまた、基板５２によって規定される平面で冷却孔境界７２を近似する第２の投影８８を示している。別の言い方をすれば、特徴的な船体形状およびオフセット船体８６の投影８０は、基板５２によって規定される平面とは異なる深さおよび／または高さで発生することができ、その差は、第２の投影８８によって近似および説明され得る。
図１７は、特徴的な船体形状の投影８０、オフセット船体８６、および測定データの３Ｄメッシュに重畳された第２の投影８８を示し、これはまた、法線表面配向を有する部分として示される基板５２を示す。図１７は、第２の投影８８（冷却孔境界７２の改善された近似である）を測定データの３Ｄ点に重ね合わせた後に、法線表面配向の部分が投影された孔境界内にあることを示す。別の言い方をすれば、表面正規性のために（したがって冷却孔境界７２の外側に）基板５２の一部である可能性が高いと以前に識別された測定データの部分は、近似を改善した後に冷却孔境界７２内にあると実際に決定された。したがって、基板５２の一部として最初に識別されたものは、改善時に、冷却孔６２内の漂遊物または異物として再識別される。したがって、冷却孔自由縁部７３、特徴的な船体形状の投影８０、オフセット船体８６、および図１３～図１７に示すように測定データの３Ｄメッシュに重畳された第２の投影８８を使用して、冷却孔境界７２のより正確な精緻化が、冷却孔境界を識別するために表面正規性データのみに依存する方法論と比較して可能である。
図１８は、第２の投影８８内にあった法線表面の部分（すなわち、冷却孔境界７２の近似）が除去された後の冷却孔６２の改善された近似を示している。第２および第３の非法線表面７６、７７もまた、改善された冷却孔境界７２の外側として識別され、したがって、冷却孔６２の一部を形成しない。
図１９は、第２の投影８８の内側にある法線表面の一部（または冷却孔境界の近似）、および第２の投影８８の外側にある第２および第３の非法線表面７６、７７（図示せず）を除去した後の、高次の適合または近似を用いた冷却孔６２の改善された近似を示している。これらの外れ値の表面を削除すると、冷却孔境界のさらに改善された近似が可能になる。そのため、外れ値データを破棄した後に、適合の順序を繰り返しおよび／または段階的に増やすことにより、さらなる改善が可能になり得る。
図２０は、計量セクション９６、拡散セクション９８への遷移を画定するスロート１００、および基板５２を含む例示的な冷却孔６２の側面図を示す。冷却孔６２は、中心線１０２およびピアス点１０４を含む。ピアス点１０４は、冷却孔の中心線１０２と基板５２の平面との交点で定義される。ピアス点１０４は、孔座標系の原点またはゼロ点として使用することができる。ピアス点１０４はまた、冷却孔境界近似（例えば、第２の投影８８）を、冷却孔境界が定義される平面（すなわち、基板５２）に固定するために使用され得る。
図２１は、第２の投影８８が実際の冷却孔境界に変換される前の、冷却孔６２、基板５２、および第２の投影８８を示している。
図２２は、第２の投影８８が実際の冷却孔境界に変換された後の、冷却孔６２、基板５２、および第２の投影８８を示している。第２の投影８８は、実際の冷却孔境界に一致するように最適に変形され得るように、図の平面内で並進および回転され得る。さらに、第２の投影８８は、図２０に示すピアス点１０４を使用して、正しい仰角または平面に固定され得る。
図２３は、複数の曲線９２から構築されたツールパス９０を示しており、曲線９２は第２の投影８８から構築されている。第２の投影８８は、冷却孔境界７２の全周の改善された近似を提供し、それは次に複数の深さで適用される。第２の投影８８が適用される各深さは、複数の曲線９２のうちの１つによって表され、各曲線は、特徴的な船体形状を含むことができ、第２の投影８８の冷却孔６２の中心と同心であり得る。
図２４は、冷却孔６２および基板５２を含む３Ｄスキャン測定データを含む翼形部３６の表面に重畳された複数の深さ（図２３に示す）での第２の投影８８から生じるツールパス９０を示す。ツールパス９０は、オフセットデータを使用して法線表面平面内で並進および／または回転され、円筒座標系を使用して冷却孔６２の対応する部分と位置合わせされる。
図２５～図２７は、それぞれ、第２の投影８８（すなわち、冷却孔境界７２の改善された近似）および様々な深さでの複数の曲線９２を含む改善されたツールパス９４の上面図、底面図、および側面図を示す。図２５～図２７の改善されたツールパス９４はまた、図２３および図２４のツールパス９０を冷却孔部品の形状データと交差および／または組み合わせることによって構築される部分を含む。例えば、冷却孔部品の形状データは、冷却孔スロート１００で拡散セクション９８に遷移する計量セクション９６を含んでもよい。
図２８は、本明細書に開示した実施形態による部品を修復する方法２５００を示している。ステップ２５０２で、方法２５００は、冷却孔を識別し、ＣＡＤで冷却孔座標系を定義するステップを含む。冷却孔座標系は、冷却孔の中心軸位置および軸配向、ならびに冷却孔ボアの直径を定義する円筒６０を含むことができる。ステップ２５０４で、方法２５００は、６軸ロボット２８などの位置合わせツールを使用して、部品を取付システム５６と位置合わせするステップを含む。部品座標系は、部品形状に基づく任意の実施形態を含むことができる。例えば、部品座標系は、ｘ、ｙ、およびｚ軸を、ターボ機械で使用される部品（タービンブレードまたはタービンノズルなど）の円周方向、軸方向、および半径方向にマッピングすることができる。他の座標系も可能である。ステップ２５０６で、方法２５００は、部品を３Ｄスキャンするステップを含む。ステップ２５０８で、方法２５００は、ステップ２５０６のスキャンからの３Ｄ測定データを部品形状データと位置合わせするステップ、ならびに非構造化測定点群から三角メッシュなどの３Ｄ構造化点群データを構築するステップを含む。ステップ２５１０で、方法２５００は、３Ｄ測定データ（すなわち、スキャンからのデータ）を部品座標系から孔座標系に変換するステップを含む。ステップ２５１２で、方法２５００は、さらなる処理のために所定のしきい値をパスする冷却孔６２を識別するステップを含む。所定のしきい値は、円筒６０の容積内に重要な材料（すなわち、例えば、特定の体積パーセントを超える）を含む冷却孔を識別するステップを含むことができる。
引き続き図２８を参照すると、ステップ２５１４で、方法２５００は、ステップ２５１２でさらなる処理のために選択された冷却孔のみの第２の３Ｄスキャンを実行するステップを含むことができる。あるいは、ステップ２５１４で、方法２５００は、元のスキャンからのデータを使用して（すなわち、ステップ２５０６で）、選択された冷却孔に対応するデータを再処理するステップを含むことができる。ステップ２５１６で、本方法は、第２のスキャンからの表面正規性データおよび／または第１のスキャンからの３Ｄ測定データを部品形状データに重畳するステップを含む。ステップ２５１８で、方法２５００は、冷却孔６２および周囲の基板５２の法線表面および非法線表面を識別するために点群データをフィルタリングするステップを含む。ステップ２５２０で、方法２５００は、表面正規性データを使用して大まかな孔境界を決定するステップを含むことができる。大まかな孔境界を決定するステップは、３Ｄスキャンデータを、下流側角部６８、傾斜部分６６、および少なくとも１つの冷却孔自由縁部７３などの公称冷却孔特性と一致させるステップを含むことができる。ステップ２５２２で、方法２５００は、冷却孔の形状特性を使用して、近似された冷却孔境界を３Ｄ測定データメッシュにマッピングするステップを含む。ステップ２５２４で、方法２５００は、公称冷却孔境界を３Ｄ測定データメッシュに投影するステップを含むことができる。ステップ２５２６で、方法２５００は、公称冷却孔境界と測定された冷却孔境界との間のオフセットを決定するステップを含むことができる。オフセットは、基板５２によって規定されたプレート内の回転および／または並進、ならびに平行平面（孔内または基板５２より上の高さでの測定データを説明するため）を含むことができる。
さらに図２８を参照すると、ステップ２５２８で、本方法は、オフセットおよび／または孔の深さデータ（すなわち、測定データが対応する深度）に基づいて投影をスケーリングするステップを含むことができる。ステップ２５３０で、本方法は、Ｘ、Ｙ、およびＺ方向のそれぞれにおいて実際に検出された境界に一致するようにスケーリングされた投影８８を変換するために、ピアス点を使用して、スケーリングされた投影８８を３Ｄ測定データメッシュまたは構造化点群に投影するステップを含むことができる。ステップ２５３２で、本方法は、外れ値データを除去するステップを含むことができる。外れ値データは、スケーリングされた投影８８内で識別された法線表面データ（すなわち、冷却孔境界近似）、ならびにスケーリングされた（または第２の）投影８８の外側にある非法線表面データ（すなわち、「ように見える」が実際には基板の一部に位置するデータ）を含むことができる。ステップ２５３４で、方法２５００は、より高次の適合を使用して冷却孔境界を改善するステップを含むことができる。ステップ２５３６で、方法２５００は、オフセットデータおよびスケーリングされた投影８８を使用してツールパスを生成するステップを含むことができる。ステップ２５３８で、方法２５００は、ツールパスを３Ｄ測定データメッシュに投影するステップを含むことができる。ステップ２５４０で、本方法は、ツールパスを部品形状データと交差および／または組み合わせて、改善されたツールパスを生成するステップを含むことができる。ステップ２５４２で、本方法は、改善されたツールパスを使用して部品を修復するステップを含むことができる。部品を修復するステップは、冷却孔、冷却孔境界、冷却孔壁、および／または基板の部分を穿孔、フライス加工、他の形態の機械加工、再コーティング、再表面加工、および／または改質するステップを含むことができる。別の言い方をすれば、修復プロセスは、アディティブおよび／またはサブトラクティブな冷却孔復元プロセスを含むことができる。他の修復方法も使用することができる。さらに、翼形部、部品、および／または冷却孔の部分の改質は、積層造形法、および他のプロセスにより実行されてもよい。方法２５００はまた、他のステップおよびサブステップを含んでもよい。いくつかの実施形態では、方法２５００のすべてのステップが実行されるわけではない。さらに、方法２５００の様々なステップは、図２８に示されているものとは異なる順序で実行されてもよい。
ここで記載した方法、システム、および実施形態は、広範囲の冷却孔の形状をクリアまたはマスキングする迅速かつ自動化されたプロセスを可能にし、それらは、手動の冷却孔のクリアランスおよび復元の労働集約的なプロセスを完全に排除することができる。また、スキャン情報を用いて冷却孔の特徴情報を直接計算することで、各部品のデジタルスレッドおよびツインを確立することができ、これにより、実際の孔の位置と境界データに基づいてより正確な部品ライフィングモデルを生成するための、ファミリ内のいくつかの部品の冷却孔の形状情報の統計的調査が可能になる。部品上の冷却孔の位置と境界形状を自動的に識別し、多軸ロボットが各冷却孔内またはその周辺に材料を正確かつ適応的に堆積または除去することを可能にする一組のツールパス命令を生成することにより、本明細書に記載された方法およびシステムは、部品修復プロセスを合理化すると同時に、前記修復プロセスおよび結果としての修復された部品の品質を向上させることができる。本明細書で説明するプロセスは、エンジン構成要素（例えば、タービンブレードまたはノズル）の公称設計形状を、構成要素の物理的インスタンスからの３次元スキャンデータと組み合わせて利用する。
本明細書は、最良の形態を含む本実施形態を開示し、また、いかなる当業者も本実施形態を実施できるようにするために、実施例を用いており、そのような実施は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。本開示の特許可能な範囲は、特許請求の範囲によって定義され、当業者が想到する他の実施例を含むことができる。このような他の実施例は、それらが特許請求の範囲の文言と異ならない構造要素を含む場合、または特許請求の範囲の文言と実質的な差異を有さない均等な構造要素を含む場合、特許請求の範囲内であることを意図している。
１０ ガスタービン
１２ 圧縮機セクション
１４ 入口
１６ ケーシング
１８ 燃焼セクション
２０ 燃焼器
２２ タービンセクション
２４ ロータシャフト
２６ 空気
２８ 圧縮空気、６軸ロボット
３０ 高温ガス
３２ 第１段
３４ タービンノズル
３６ 翼形部、部品
３８ タービンケーシング
４０ シュラウドブロックアセンブリ
４２ 半径方向外側先端、翼形部先端
４４ 前縁
４６ 後縁、翼形部根元
４８ 半径方向内側根元
５０ 翼形部プラットフォーム
５２ 翼形部基板
５４ 冷却孔
５６ 取付システム
５８ ６軸ロボットアーム
６０ 円筒
６２ 冷却孔
６４ 側壁
６６ 傾斜部分
６８ 下流側角部
７０ 中央ボア部分
７２ 冷却孔境界
７３ 冷却孔自由縁部
７４ 第１の非法線表面部分
７６ 第２の非法線表面部分
７７ 第３の非法線表面
８０ 投影
８２ 投影
８４ オフセット
８６ オフセット船体
８８ 第２の投影
９０ ツールパス、円周方向
９２ 曲線、第１のツールパス
９４ 半径方向、ツールパス
９６ 計量セクション
９８ 拡散セクション
１００ 冷却孔スロート
１０２ 中心線
１０４ ピアス点
２５００ 方法
１２ 圧縮機セクション
１４ 入口
１６ ケーシング
１８ 燃焼セクション
２０ 燃焼器
２２ タービンセクション
２４ ロータシャフト
２６ 空気
２８ 圧縮空気、６軸ロボット
３０ 高温ガス
３２ 第１段
３４ タービンノズル
３６ 翼形部、部品
３８ タービンケーシング
４０ シュラウドブロックアセンブリ
４２ 半径方向外側先端、翼形部先端
４４ 前縁
４６ 後縁、翼形部根元
４８ 半径方向内側根元
５０ 翼形部プラットフォーム
５２ 翼形部基板
５４ 冷却孔
５６ 取付システム
５８ ６軸ロボットアーム
６０ 円筒
６２ 冷却孔
６４ 側壁
６６ 傾斜部分
６８ 下流側角部
７０ 中央ボア部分
７２ 冷却孔境界
７３ 冷却孔自由縁部
７４ 第１の非法線表面部分
７６ 第２の非法線表面部分
７７ 第３の非法線表面
８０ 投影
８２ 投影
８４ オフセット
８６ オフセット船体
８８ 第２の投影
９０ ツールパス、円周方向
９２ 曲線、第１のツールパス
９４ 半径方向、ツールパス
９６ 計量セクション
９８ 拡散セクション
１００ 冷却孔スロート
１０２ 中心線
１０４ ピアス点
２５００ 方法
Claims (20)
- 部品（３６）を処理する方法（２５００）であって、
前記部品（３６）のコンピュータ支援設計（ＣＡＤ）モデルを使用して、前記部品（３６）に配置された少なくとも１つの孔（６２）の位置を識別するステップ（２５０２）と、
取付システム（５６）内の前記部品（３６）を位置合わせするステップ（２５０４）と、
前記部品（３６）を３Ｄスキャンするステップ（２５０６）と、
前記部品（３６）を３Ｄスキャンするステップ（２５０６）からの少なくとも１つのデータに少なくとも部分的に基づいて、前記少なくとも１つの孔（３６）の少なくとも１つの境界特徴を検出するステップ（２５２０）と、
前記少なくとも１つの境界特徴に少なくとも部分的に基づいて、第１のツールパス（９２）を生成するステップ（２５３６）と、
を含む方法（２５００）。 - 前記第１のツールパス（９２）に従って少なくとも部分的に前記部品（３６）を修復するステップをさらに含み、
前記部品（３６）を修復するステップは、穿孔、フライス加工、機械加工、再コーティング、再表面加工、および改質のうちの少なくとも１つをさらに含み、
前記少なくとも１つの孔は冷却孔（５４、６２）を含む、請求項１に記載の方法（２５００）。 - 孔座標系を定義するステップをさらに含み、
前記孔座標系は円筒座標系を含み、前記円筒座標系の円筒（６０）の中心線は、前記少なくとも１つの孔の中心線の位置および配向を表し、
前記円筒（６０）の直径は、前記少なくとも１つの孔のボア直径を表す、
請求項１に記載の方法（２５００）。 - 取付システム内で前記部品（３６）を位置合わせするステップは、多軸ロボットアームを介して取付システム内で前記部品（３６）を位置合わせするステップをさらに含む、請求項１に記載の方法（２５００）。
- 少なくとも１つの孔を選択するステップをさらに含み、
選択された前記少なくとも１つの孔は、少なくとも１つの所定のしきい値を満たし、
前記選択された少なくとも１つの孔に対して第２の３Ｄスキャンが実行される、
請求項１に記載の方法（２５００）。 - 前記部品（３６）を３Ｄスキャンするステップからのデータを使用して構造化された３Ｄ点群を生成するステップをさらに含み、
前記少なくとも１つの孔は冷却孔（５４、６２）を含み、
前記少なくとも１つの冷却孔（５４、６２）の少なくとも１つの境界特徴を検出するステップは、冷却孔下流側角部、冷却孔傾斜部分、冷却孔側壁、および冷却孔自由縁部（７３）のうちの少なくとも１つを検出するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法（２５００）。 - 冷却孔傾斜部分を検出するステップをさらに含み、
前記冷却孔傾斜部分は、前記冷却孔（５４、６２）の計量部分と前記部品（３６）の基板との間の遷移を形成する、請求項６に記載の方法（２５００）。 - 冷却孔自由縁部（７３）を検出するステップをさらに含み、
前記冷却孔自由縁部（７３）は、前記部品（３６）の非法線表面と前記部品（３６）の基板との間の遷移を形成し、
前記部品（３６）の基板は法線表面配向を有する、請求項６に記載の方法（２５００）。 - 前記少なくとも１つの孔の少なくとも１つの境界特徴を検出するステップは、前記第２の３Ｄスキャンからの表面正規性データを使用して少なくとも１つの境界特徴を検出するステップをさらに含む、請求項５に記載の方法（２５００）。
- 元の３Ｄスキャンおよび前記第２の３Ｄスキャンのうちの少なくとも一方からの構造化された３Ｄ点群上に公称孔境界の第１の投影を重畳するステップをさらに含む、請求項５に記載の方法（２５００）。
- 前記公称孔境界は船体形状である、請求項１０に記載の方法（２５００）。
- 公称孔境界の前記第１の投影と前記構造化された３Ｄ点群との間に少なくとも１つのオフセット（８４）を定義するステップをさらに含み、
少なくとも１つのオフセット（８４）は、並進および回転のうちの少なくとも一方を含む、請求項１０に記載の方法（２５００）。 - 第２の投影（８８）を生成するために前記少なくとも１つのオフセット（８４）を使用して前記第１の投影を改良およびスケーリングするステップであって、前記第２の投影（８８）は前記第１の投影のスケーリングされたバージョンである、ステップと、
前記第２の３Ｄスキャンからの前記構造化された３Ｄ点群上に公称孔境界の前記第２の投影（８８）を重畳するステップと、
をさらに含む、請求項１２に記載の方法（２５００）。 - 少なくとも１つの外れ値データ点を削除するステップをさらに含み、
前記少なくとも１つの外れ値データ点は、前記第２の投影（８８）内に配置された法線表面配向を有する前記構造化された３Ｄ点群の第１の部分、および前記第２の投影（８８）の外側に配置された非法線表面配向を有する前記構造化された３Ｄ点群の第２の部分のうちの少なくとも一方を含む、
請求項１３に記載の方法（２５００）。 - 前記少なくとも１つの外れ値データの除去に続いて前記第２の投影（８８）を再スケーリングするステップをさらに含む、請求項１４に記載の方法（２５００）。
- 第１のツールパス（９２）を生成するステップは、前記第２の投影（８８）に少なくとも部分的に基づいて前記第１のツールパス（９２）を生成するステップをさらに含む、請求項１３に記載の方法（２５００）。
- 前記構造化された３Ｄ点群上に前記第１のツールパス（９２）をマッピングするステップをさらに含む、請求項１６に記載の方法（２５００）。
- 第２のツールパスを生成するために、前記第１のツールパス（９２）を前記少なくとも１つの孔の少なくとも１つの部品形状データと組み合わせるステップをさらに含み、
前記第２のツールパスは前記第１のツールパス（９２）の改善されたバージョンであり、
前記第１のツールパス（９２）に従って前記部品（３６）を少なくとも部分的に修復するステップは、前記第２のツールパスに少なくとも部分的に基づいて修復するステップをさらに含む、
請求項１７に記載の方法（２５００）。 - 前記少なくとも１つの孔の前記少なくとも１つの部品形状データは、
計量セクション（９６）と、
前記計量セクション（９６）の下流側の拡散セクション（９８）と、
スロート部分（１００）と、
を含み、
前記スロート部分（１００）は、前記計量セクション（９６）と前記拡散セクション（９８）との間で遷移する、
請求項１８に記載の方法（２５００）。 - 少なくとも１つの外れ値データ点を削除するステップと、
前記少なくとも１つの外れ値データを削除した後に、前記第２の投影（８８）を再スケーリングするステップと、
をさらに含み、
前記少なくとも１つの外れ値データ点は、前記第２の投影（８８）内に配置された法線表面配向を有する前記構造化された３Ｄ点群の第１の部分、および前記第２の投影（８８）の外側に配置された非法線表面配向を有する前記構造化された３Ｄ点群の第２の部分のうちの少なくとも一方を含み、
前記少なくとも１つの孔は冷却孔（５４、６２）を含み、
前記少なくとも１つの冷却孔（５４、６２）の少なくとも１つの境界特徴を検出するステップは、冷却孔下流側角部、冷却孔傾斜部分、冷却孔側壁、および冷却孔自由縁部（７３）のうちの少なくとも１つを検出するステップをさらに含み、
前記公称孔境界は船体形状である、
請求項１９に記載の方法（２５００）。
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