JP4357875B2 - 物体の表面形状を測定するための方法及び装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は一般的に光学システムに関し、より具体的には、物体の表面形状を測定するための方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
物体の表面形状を正確に測定することは、物体の製造時間を決定する上で重要な因子であり、またその後行われる保守及び修理でのコスト及び作業を決定するために用いられる因子でもある。より具体的には、物体がガスタービンエンジンのブレード翼形部又は翼形部鍛造型である場合、ブレード翼形部又は翼形部鍛造型の輪郭を正確に測定することは、ガスタービンエンジンの全製造コストに対して、同時にその後のブレード翼形部の修正、修理及び検査に対して最も重大な影響を与える因子の１つである。
【０００３】
従来の検査方法では、ブレードの全面にわたり適合するテンプレートを使用して、ブレードとテンプレート上に示される寸法とを比較することができるようにしている。しかしながら、ブレード翼形部の形状の故に、そのようなテンプレートを製作することは、コストがかかりかつ時間がかかる作業となる可能性がある。更に、ブレード翼形部の様々な配向においてテンプレートとブレードとの正確な比較を得ることはまた、困難な作業である。
【０００４】
より正確な形状と配向を確認するのを容易にするために、少なくとも一部の公知の検査方法は、ギロチンゲージ及び／又は座標測定器（ＣＭＭ）を含んでいる。ギロチンゲージは高価であり、しかも測定作業において作業者の高度のスキル及び操作を必要とする。より具体的には、ギロチンゲージを正確に使用するためには、すきまゲージ及び／又はキャリパーを使用して、複数の正確な寸法測定値を取得しなければならない。しかしながら、そのような確認技術は、人手による測定値の記録が必要となり、多くの時間がかかることになる。
【０００５】
ＣＭＭはまた、物体の寸法情報を取得するためにも使用されてきた。このシステムでは、プローブが、物体の表面に接触するように三次元座標測定空間内で位置決めされて、その時点でのプローブの先端の位置が測定される。この作業を多数回繰り返して、表面形状を求める。ＣＭＭは高価であり、またこのような確認作業は、ブレード翼形部の表面輪郭及び位置を正確にマッピングするために、多くの時間がかかることになる。更に、少なくとも一部の公知のＣＭＭでは、ブレード翼形部の前縁及び後縁のような小さい半径を持つ表面形状を測定する場合に、ＣＭＭの精度が悪化する場合がある。
【特許文献１】
米国特許第６４６７３３９号
【０００６】
【発明の開示】
１つの態様において、光学システムを使用して物体の表面形状を測定するための方法が提供される。この方法は、測定セル内に物体を位置決めする段階と、セルを流体で満たす段階と、測定セル内の物体に向けて光線を透過する段階と、物体の表面の照度を測定する段階と、該表面の照度に基づいて物体の画像を生成する段階とを含む。
【０００７】
本発明の別の態様において、翼形状物体の表面形状を測定するための光学システムが提供される。この光学システムは、翼形状物体を内部に受け入れる大きさにされ、半透明な流体で満たされた空洞を有する測定セルと、測定セルに向けて光線を透過するための光源と、翼形状物体の照度を測定するための画像取得装置とを含み、画像取得装置が、翼形状物体の照度に基づいて該翼形状物体の表面の画像を生成するように構成されている。
【０００８】
【発明の実施の形態】
図１は、ガスタービンエンジン（図示せず）に使用することができるタービンブレード４０の斜視図である。１つの実施形態において、複数のタービンブレード４０は、ガスタービンエンジンの高圧タービンロータブレード段（図示せず）を形成する。各ブレード４０は、中空の翼形部４２と、公知の方法で翼形部４２をロータディスク（図示せず）に取り付けるために使用されるダブテール４３とを含む。これに代えて、ブレード４０は、複数の該ブレード４０がブリスク（図示せず）を形成するように、ディスク（図示せず）から半径方向外向きに延びていてもよい。
【０００９】
各翼形部４２は、第１の側壁４４と第２の側壁４６とを含む。第１の側壁４４は、凸形であり翼形部４２の負圧側を形成し、第２の側壁４６は凹形であり翼形部４２の正圧側を形成する。側壁４４と側壁４６は、翼形部４２の前縁４８及び軸方向に間隔をおいた後縁５０において接合される。より具体的には、翼形部の後縁５０は、翼形部の前縁４８から弦方向に間隔をおいて、該前縁４８の下流に配置されている。第１の側壁４４及び第２の側壁４６は、それぞれダブテール４３に隣接して位置するブレード根元５２から翼形部先端５４までスパンにわたって長手方向すなわち半径方向外向きに延びている。
【００１０】
図２は、ブレード翼形部４２（図１に示す）のような翼形状物体６４の表面形状６２を測定するための光学システム６０の概略図である。別の実施形態において、光学システム６０は、ブレード翼形部を製作する際に使用される翼形状鍛造型のような物体の表面形状を測定するために使用される。図３は、光学システム６０で使用することができる測定セル６６の例示的な断面図である。光学システム６０は、光源７０と、画像取得サブシステム７２と、ビームスプリッタ７４と、測定セル６６とを含む。光源７０は、当該技術では公知であり、光線を測定セル６６の方向に向ける。より具体的には、光源７０は、光線をビームスリッター７４の方向に向けて、該ビームスプリッタ７４は、測定セル６６に当たる光線が表面形状６２に対してほぼ直角になるように該測定セル６６に向けて光線を導くのを助ける。例示的な実施形態において、光源７０は、レンズ７６を通して光線を向け、その後、光線はビームスプリッタ７４によって向けられる。レンズ７６は、光源から出た光線をビームスプリッタ７４に向けて集束させるのを助ける。別の実施形態において、光学システム６０はレンズ７６を備えていない。
【００１１】
測定セル６６は、その内部に形成された空洞８０を含む。より具体的には、空洞８０は、少なくとも１つの輪郭を持つ壁面８２により、該壁面８２が表面形状６２の輪郭とほぼ一致するように形成される。空洞８０は、ブレード翼形部６４を内部に受け入れる大きさにされる。１つの実施形態において、翼形状物体６４とは異なる表面形状又は異なる配向を持つブレード翼形部を収容するために、壁面８２はセル６６から取り外し可能になっている。
【００１２】
測定セル６６は、透明な前方表面８４を備え、該前方表面８４により、光源７０から出た光線が該表面８４を通過して空洞８０に入ることが可能になる。前方表面８４はまた、光源７０から出た光線が空洞８０内に挿入され測定される表面に対して当たることを可能にする。従って、測定セルの空洞８０はまた、その内部に基準表面又は較正用ウェッジ９０を受け入れる大きさにされる。より具体的には、基準表面９０は、該表面９０がセルの前方表面８４に最も近接した測定される物体の端縁とほぼ並行になるように、空洞８０内に挿入される。
【００１３】
第２のレンズ９４が、測定セル６６から反射又は照らされた光線を受けるように配置される。具体的には、測定セル６６から照らされた光線はビームスプリッタ７４により、レンズ９４の方向に向け直される。レンズ９４は、測定セル６６から反射された光線を、画像取得サブシステム７２に向けて集束させるのを助ける。例示的な実施形態において、画像取得サブシステム７２は、ＣＣＤチップを内蔵した電荷結合素子（ＣＣＤ）カメラ１００を含む。具体的には、カメラ１００は、ＣＣＤチップが望ましくない光線に曝されるのを防止するのを助けるようにＣＣＤチップを遮蔽しているので、該ＣＣＤチップはセル６６内の物体から反射された光線だけに実質的に曝されることになる。ＣＣＤカメラ１００は当該技術では公知であり、例示的な実施形態において、カメラ１００はＰＣベースのフレーム取込みボード１０２とプロセッサ１０４とに接続されている。画像取込みボード１０２及びプロセッサ１０４は、当該技術では公知である。プロセッサ１０４は、市販の形状マッピングプログラムを実行するように構成されている。例示的な実施形態において、このような検査を行うのに使用される装置及びソフトウエアには、Robot Vision Systems, Inc.（ＲＶＳＩ）から市販されている「曇天用照明器」のような高度に均一な照明光源、Sony Electronic Inc.から市販されている１０２４×１０２４ピクセル配列を備えた１０ビット・デジタルＣＣＤカメラ、Matrox Electronic Systems Ltd.，から市販されているコンパチブル・フレーム取り込みボード、及びMatrox Electronic Systems Ltd.，から市販されている、画像分析を行ない部分／形状の偏差を求めるためのInspector Software（登録商標）が含まれる。
【００１４】
使用に際して、最初に測定セル６６が半透明な流体で満たされる。１つの実施形態において、半透明な流体は希釈されたインディア・インクである。次いで、測定される表面形状を有する物体、すなわち例示的な実施形態では表面形状６２を備えた翼形状物体６４が、光学的に均一な皮膜で被覆される。１つの実施形態において、皮膜は、物体６４上にスプレーされる。別の実施形態では、光学的に均一なテープが翼形状物体６４に貼り付けられる。
【００１５】
次に、物体６４は、表面形状６２がセルの前方表面８４を通して見えるように測定セルの空洞８０内に挿入される。更に、同一の光学的に均一な皮膜で被覆された基準表面９０が、該表面９０がセルの前方表面８４に最も近接した表面形状６２の端縁とほぼ並行になるように、セル６６内に挿入される。別の実施形態において、被覆されていないブレードが、セル６６が流体で満たされる前に最初の反射基準して使用される。基準表面９０は、光線の強さ及び流体の希釈度の変動に対してシステム６０を補正するのを助ける較正用表面を提供する。
【００１６】
次に、光源７０が作動され、光線がビームスプリッタ７４を通して翼形状物体６４及び基準表面９０に向けて導かれる。表面６２及び表面９０の各々が照明されると、流体は光線を吸収しかつ該光線を散乱させる。一般的に、表面形状６２とセルの前方表面８４との間にある流体が多いほど散乱は増大し、表面形状６２はより見えにくくなるので、表面形状６２から反射される光線はより少なくなる。例えば、物体６４が白色の光学的に均一な皮膜で被覆されかつ半透明な流体が暗い場合には、翼形状物体６４と表面８４との間の流体層の厚さが増すにつれて、表面形状６２はより暗く見え、ついには流体層の背後に隠れてしまうことになる。
【００１７】
画像取得サブシステム７２が、表面形状６２及び基準表面９０から反射された光線を受ける。より具体的には、基準表面９０と表面形状６２との間の距離は、半透明な流体を通して見える各物体の明るさとして表わされる。画像取得サブシステム７２は、ＣＣＤカメラ１００及びその関連する検出アレイによって反射光線を捕捉する。より具体的には、光線はグレースケール画像にデジタル化され、この時、該画像の個々のピクセル値は表面６２と表面９０との間の差異として表現されることができる。基準表面９０の形状は既知であり、また該表面９０は表面形状６２に対して固定されているので、物体６４の電解加工即ちＥＣＭプロセスで使用される電極の整列評価と同様に、表面形状６２の輪郭の実測値を求めることができる。別の実施形態において、グレースケール画像は、表面形状６２の形状マップ又は色彩マップを生成するために使用される。その結果、光学システム６０は、ＣＣＤカメラ１００を使用して１つのフレームを捕捉している時間のうちに翼形状物体６４の全側面画像を生成することを可能にする。
【００１８】
上記の光学システムは、コスト効果がありかつ高い信頼性がある。光学システムは、適時な方法で視野内にある全表面のマップを生成するのを助ける。更に、半透明な流体を使用することにより、表面形状をマッピングするための比較的安価で信頼性のある方法を提供する。
【００１９】
本発明を多くの具体的な実施形態に関して説明してきたが、本発明が特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲内の変更で実施できることは、当業者には明らかであろう。なお、特許請求の範囲に記載された符号は、理解容易のためであってなんら発明の技術的範囲を実施例に限縮するものではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】 ガスタービンエンジンのブレード翼形部の斜視図。
【図２】 図１に示すブレード翼形部のような翼形状物体の表面形状を測定するための光学システムの概略図。
【図３】 図２に示す光学システム内で使用することができる測定セルの例示的な断面図。
【符号の説明】
６０ 光学システム
６２ 表面形状
６４ 翼形状物体
６６ 測定セル
７０ 光源
７２ 画像取得サブシステム
７４ ビームスプリッタ
７６ レンズ
８０ 空洞
９０ 基準表面
９４ 第２のレンズ
１００ ＣＣＤカメラ
１０２ フレーム取込みボード
１０４ プロセッサ

Claims (9)

1. 光学システム（６０）を使用して物体（６４）の表面形状（６２）を測定するための方法であって、
   測定セル（６６）内に前記物体を位置決めする段階と、
   前記セルを半透明の流体で満たす段階と、
   前記測定セル内の前記物体に向けて光線を透過する段階と、
   前記物体の表面の照度を測定する段階と、
   前記表面の照度に基づいて前記物体の画像を生成する段階と、
   を含むことを特徴とする方法。
2. 測定セル（６６）内に前記物体を位置決めする前記段階が、前記セル内に形成され、測定される前記物体の表面形状（６２）にほぼ類似した形状を有する少なくとも１つの壁面（８２）を有する空洞（８０）内に前記物体を位置決めする段階を更に含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記測定セル（６６）内に前記物体を位置決めするのに先だって、測定される前記物体（６４）の表面（６２）を光学的に均一な皮膜で被覆する段階を更に含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
4. 測定される前記物体（６４）の表面（６２）を被覆する前記段階が、前記物体の表面の反射率を制御するのを助けるように前記物体の表面を被覆する段階を更に含むことを特徴とする、請求項３に記載の方法。
5. 翼形状物体（６４）の表面形状（６２）を測定するための光学システム（６０）であって、
   前記翼形状物体を内部に受け入れる大きさにされた空洞を有し、半透明な流体で満たされた測定セル（６６）と、
   該測定セルに向けて光線を照射して透過させるための光源（７０）と、
   前記翼形状物体の照度を測定するための画像取得装置（７２）と、
   を含み、
   該画像取得装置が、前記翼形状物体の照度に基づいて該翼形状物体の表面の画像を生成するように構成されている、
   ことを特徴とする光学システム。
6. 前記測定セルの空洞（８０）が、該空洞を形成し、前記翼形状物体（６４）の表面（６２）の形状の輪郭とほぼ類似した輪郭を有する少なくとも１つの壁面（８２）を更に含むことを特徴とする、請求項５に記載の光学システム（６０）。
7. 前記光源（７０）と前記測定セル（６６）との間にビームスプリッタ（７４）を更に含むことを特徴とする、請求項５又は６に記載の光学システム（６０）。
8. 前記ビームスプリッタ（７４）は、光線が前記翼形状物体（６４）の表面（６２）に対してほぼ直角になるように、前記測定セル（６６）に向けて光線を導くように構成されていることを特徴とする、請求項７に記載の光学システム（６０）。
9. 前記測定セル（６６）が基準表面（９０）を更に含むことを特徴とする、請求項５乃至８のいずれかに記載の光学システム（６０）。

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