JP4464106B2 - 機械部品の湾曲の大きな領域を測定するためのスペースカービング - Google Patents

Description

本発明は、複雑な部品形状を有するタービンブレードなどの部品の前縁部の位置を規定するためのライトゲージング技法に関する。

ブレードの数多くの性能特性はその前縁部の形状によって決まるため、前縁部の輪郭形状を正確に識別することは重要である。しかし、ブレードの輪郭形状は複雑であるので、正確な測定値を得ることは困難であると共に、長い時間を必要とする。例えば、タッチプローブ及びその他の接触型計器を使用してブレードの輪郭形状のハードゲージングを実行することが可能である。しかし、これは時間のかかる作業であり、生産ラインプロセスに相当に大きなコストを追加することになる。

これに代わる試験方法はライトゲージング技法を含む。例えば、被検体を固定装置上に装着し、部品を構造化レーザー光によって照明することにより、被検体の形状を測定することが可能である。すなわち、レーザー光を被検体の表面に向け、被検体の表面に沿って互いにほぼ平行に走る複数の光の縞のパターンを生成するのである。光の縞の経路は部品の形状特徴に従って変化する。部品を回転させることにより、一連の画像を収集し、周知の３角測量技法を採用する適切なアルゴリズムを使用してそれらの画像を処理することができる。画像処理により、３次元（３Ｄ）空間で測定点の位置を規定することができる。

部品の輪郭形状が相対的に平坦である場合、又は輪郭形状における湾曲がそれほど顕著ではない場合、上記の手続きは十分に機能する。しかし、タービンブレードのようなエーロフォイルの場合には、その前縁部の形状は相対的に複雑であり、上記の技法を使用して前縁部の形状を正確に規定するのは困難であることがわかっている。従来、現実の被検体からリアルな３Ｄモデルを作成するために、「スペースカービング」として知られる技法が使用されてきた。例えば、非特許文献１を参照。以前のスペースカービング技法によれば、慣例として被検体全体を複製していたが、本発明はタービンブレードの形状全体を複製するのではなく、ブレードの輪郭形状と部品に関する１組の合否判定基準との正確な比較を実行できるように、前縁部の形状のみを正確に判定することを指向している。
「Automatic 3D Model Construction for Turn‐Table Sequences」（Fitzgibbon他、Robotics Research Group、Department of Engineering Science、University of Oxford）

簡単に言えば、本発明は、複雑な部品形状を有するタービンブレードなどの部品の前縁部の輪郭形状を判定することに関する。部品は固定装置上に装着され、被検体から既知の距離に配置されたカメラを使用して被検体の画像を撮影する。被検体の外側輪郭が光の一部を遮断するように被検体を背面から照明し、部品のシルエット画像を作成する。次に、被検体を回転させ、異なる部品シルエットにより新たな画像を撮影する。十分な数の画像が収集されるまで、このプロセスを繰り返す。次に、部品の前縁部の輪郭形状が規定されるように、スペースカービング技法を使用してそれらの画像を処理する。

別の実施例では、ブレードを固定装置上に装着し、部品から既知の距離に、部品に関して定義された向きで複数台のカメラを配置する。この場合にも部品を背面から照明する。各々のカメラからブレードの画像を撮影する。部品の前縁部の輪郭形状を得るために、スペースカービング技法を使用してそれらの画像を処理する。

本発明の上記の目的、特徴、利点及びその他の目的、特徴、利点並びに本発明の現時点で好ましい実施例は、添付の図面と関連させて以下の説明を読むことにより更に明白になるであろう。

明細書の一部を形成する添付の図面において、いくつかの図を通して同じ図中符号は同じ部分を指示する。

以下の詳細な説明は本発明を例示するだけであり、本発明を限定するものではない。以下の説明が当業者による本発明の作成及び利用を可能にすることは明白であり、また、本発明は、現時点で本発明を実施する最良の態様であると考えられているものを含めて、本発明のいくつかの実施例、適応形態、変形、代替例及び利用形態を説明している。

図１を参照すると、タービンブレード、すなわちエーロフォイルなどの部品Ｐは固定装置Ｂ上に装着されている。エーロフォイルは複雑な３次元部品形状を有する。使用中、ブレードの性能特性はエーロフォイルの前縁部Ｅの輪郭形状により著しく大きく左右される。先に述べた通り、前縁部の輪郭形状はハードゲージング技法を使用して正確に判定できるが、これは費用がかかり、長い時間を要する方法である。従って、本発明に従ってライトゲージング技法、特にスペースカービングを使用することにより、部品に関する次元情報を正確且つ迅速に収集する方法が提供される。この情報が得られたならば、それを部品のモデルの情報と比較して、部品が受け入れ可能であるか又は部品を拒絶しなければならないかを判定する。

本発明の方法によれば、エーロフォイルを光源Ｓにより背面から照明する。光源は光線を投射し、光線は可視光の円錐Ｃを形成する。部品Ｐの外側輪郭Ｔ（図３Ａを参照）は、エーロフォイルの反対側の正面から見たときに、投射された光の一部を遮断する。部品をいくつかの異なる視角から見ると、一連の遮断画像を作成することができる。本発明に従って、それらの画像をスペースカービングアルゴリズムを使用して処理することにより、部品の前縁部の正確な近似を展開できる。その後、得られた前縁部値を部品のパラメトリックモデルの値と比較することにより、エーロフォイルのアクセプタビリティが容易に判定される。

図２を参照すると、部品Ｐは先に述べたように固定装置Ｂ上に装着されている。固定装置Ｂは、エーロフォイルを所望の向きに配置できるように移動自在の固定装置であるのが好ましい。光源Ｓは部品の一方の側に配置され、撮影手段Ｉは部品の反対側に配置されているので、部品は光源と撮影手段との間に位置することになる。その結果、部品は光源から発射される光の一部を遮断し、遮断された光は部品の外側輪郭Ｔを生成する。図２に示すような配列では、光スペクトルの可視部分で動作するカメラであるのが好ましい撮影手段Ｉにより部品の第１の画像が撮影される。これは図３Ａに示す画像である。画像は処理及び解析のためにプロセッサＲに供給される。

第１の画像が撮影された後、部品を第２の好ましい向きに位置決めするために固定装置Ｂを移動させる。この新たな位置にあるとき、撮影手段により部品の新たな画像が撮影される。部品は移動しているので、カメラにより図３ＢにＴ'で示す新たな外側輪郭が捕捉され、この画像は画像処理のためにプロセッサＲに提供される。更に部品を別の好ましい向きに位置決めするために固定装置Ｂを再び移動させ、撮影手段により背面照明された部品の新たな画像を撮影する。この画像は図３Ｃに示すように更に別の外側輪郭Ｔ"を示す。この第３の画像も処理のためにプロセッサＲへ送信される。

プロセッサＲにより採用されているスペースカービングアルゴリズムを使用して部品の前縁部Ｅを正確に定義できるように、処理のために十分な数の画像が収集されるまで、上記の過程は繰り返し実行される。通常、３つの画像はこの目的のための必要最低限の数であるが、前縁部の輪郭形状の複雑さの程度に応じて６〜７つあるいは１０つまでの画像が必要になるであろう。必要な数の画像が収集されたならば、プロセッサＲは部品の前縁部Ｅの正確な表現である合成画像を生成する。この合成画像は後に部品の合否判定の目的で使用される。部品の前縁部の合否判定特性を都合よくプロセッサに格納しておくことが可能であるので、プロセッサはその画像処理の一部として合否判定を実行できる。

再び図２を参照すると、本発明の方法の別の実施例も示されている。この場合、撮影手段Ｉは１台のカメラではなく、図示される３台のカメラ（１台は実線、他の２台は想像線で示されている）のような複数のカメラを含む。各々のカメラは、一般に、部品Ｐに関して１つの定義された向きを有するように部品Ｐに関して被検体の同じ側（すなわち、光源とは反対の側）にある。この実施例では、各々のカメラは、例えば、図３Ａ〜図３Ｃに示す表現に対応する部品の別個の画像を捕捉する。画像はそれぞれプロセッサＲに供給されて、プロセッサにより採用されているスペースカービングアルゴリズムに従って処理される。

図２には３台のカメラＩが示されているが、先に部品の前縁部の正確な表現を得るために必要とされる画像の数に関して述べたように、撮影手段Ｉは更に別のカメラを使用しても良い。各々のカメラは処理を実行するのに適切な画像を捕捉するように部品に関して位置決めされる。

最後に、プロセッサＲが試験される部品ごとに展開される前縁部情報を保持することは本発明の特徴である。この情報を後に使用して統計解析を実行するか、又は部品の設計、製造及び試験に有用な他の情報を提供することができる。

以上の説明を考慮すると、本発明のいくつかの目的が達成され且つ他の有利な結果が得られることがわかるであろう。

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。

複雑な部品輪郭形状を有し、前縁部の形状を判定すべきであるエーロフォイルなどの被検体を示す図。 前縁部の形状を判定するためにスペースカービング技法を使用する処理のためにエーロフォイルの画像を獲得する試験用セットアップを示す図。 光源により背面から証明されたときに得られる画像の輪郭形状をそれぞれ示す図。 光源により背面から証明されたときに得られる画像の輪郭形状をそれぞれ示す図。 光源により背面から証明されたときに得られる画像の輪郭形状をそれぞれ示す図。

符号の説明

Ｂ…固定装置、Ｅ…（部品の）前縁部、Ｉ…撮影手段、Ｐ…部品、Ｒ…プロセッサ、Ｓ…光源、Ｔ、Ｔ'、Ｔ"…（部品の）外側輪郭

Claims (9)

1. 被検体（Ｐ）の前縁部（Ｅ）を判定する方法において、
   被検体（Ｐ）を所望の位置に装着する過程と、
   被検体の一方の側に光源（Ｓ）を位置決めし、被検体の反対側に位置決めされた撮影手段（Ｉ）により被検体及びその前縁部を撮影する過程と、
   被検体（Ｐ）が前記光源（Ｓ）からの光の一部を遮断し且つ光の遮断された部分が前縁部（Ｅ）を含めた被検体の外側輪郭（Ｔ）を規定するように、被検体（Ｐ）を前記光源（Ｓ）によって照明する過程と、
   前記撮影手段（Ｉ）によって被検体（Ｐ）の画像を収集する過程と、
   被検体（Ｐ）を新たな位置へ移動し、被検体（Ｐ）を照明する過程及び前記撮影手段によって被検体の画像を収集する過程を繰り返す過程と、
   被検体の前縁部の正確な測定を実行できるように前縁部の輪郭形状を確認するために、スペースカービング技法を使用して画像を処理する過程と、
   被検体（Ｐ）が受け入れ可能な部品であるか否かを判定するために被検体の前縁部測定値を基準と比較する過程と
   を含むことを特徴とする方法。
2. 前縁部の輪郭形状を判定するために、被検体（Ｐ）の少なくとも３つの別個の画像が収集され、処理される請求項１記載の方法。
3. プロセッサ（Ｒ）により、試験される被検体ごとに前縁部測定値を保持する過程を更に含む請求項１又は２に記載の方法。
4. 被検体（Ｐ）の前縁部（Ｅ）を判定する方法において、
   被検体（Ｐ）を所望の位置に装着する過程と、
   被検体の一方の側に光源（Ｓ）を位置決めし、被検体の反対側に複数の撮影手段（Ｉ）を位置決めする過程と、
   被検体（Ｐ）が前記光源（Ｓ）からの光の一部を遮断し且つ光の遮断された部分が前縁部（Ｅ）を含めた被検体の外側輪郭（Ｔ）を規定するように、被検体（Ｐ）を前記光源（Ｓ）によって照明する過程と、
   それぞれの撮影手段（Ｉ）によって被検体（Ｐ）の画像を収集する過程と、
   被検体（Ｐ）の前縁部（Ｅ）の正確な測定を実行できるように前縁部（Ｅ）の輪郭形状（Ｔ）を確認するために、スペースカービング技法を使用してそれぞれの画像を処理する過程と、
   被検体（Ｐ）が受け入れ可能な部品であるか否かを判定するために被検体の前縁部測定値を基準と比較する過程と
   を含むことを特徴とする方法。
5. 前記撮影手段（Ｉ）は少なくとも３台のカメラを含む請求項４記載の方法。
6. プロセッサ（Ｒ）により、試験される被検体ごとに前縁部測定値を保持する過程を更に含む請求項４又は５に記載の方法。
7. 被検体（Ｐ）の前縁部（Ｅ）を判定する装置において、
   被検体（Ｐ）が装着される固定装置（Ｂ）と、
   被検体（Ｐ）の一方の側に位置決めされる光源（Ｓ）と、
   前記光源（Ｓ）が被検体を照明し、被検体が前記光源（Ｓ）からの光の一部を遮断し、光の遮断された部分が被検体（Ｐ）の前縁部を含めた被検体の外側輪郭（Ｔ）を規定し、被検体（Ｐ）が新たな位置へ順次移動され、それぞれの位置で前縁部（Ｅ）を含めた被検体（Ｐ）の外側輪郭（Ｔ）の画像が収集されるように、被検体（Ｐ）の反対側に位置決めされ、被検体（Ｐ）及びその前縁部（Ｅ）の画像を収集するカメラ（Ｉ）と、
   エーロフォイルの前縁部の正確な測定を実行できるようにエーロフォイルの前縁部の輪郭形状を確認するために、スペースカービング技法を使用してそれぞれの画像を処理するプロセッサ（Ｒ）とを具備し、
   前記プロセッサ（Ｒ）は、エーロフォイル（Ｐ）が受け入れ可能な被検体であるか否かを判定するために、エーロフォイル（Ｐ）の前縁部測定値を基準と比較することを特徴とする装置。
8. 被検体（Ｐ）の前縁部（Ｅ）を判定する装置において、
   被検体（Ｐ）が装着される固定装置（Ｂ）と、
   被検体（Ｐ）の一方の側に位置決めされる光源（Ｓ）と、
   前記光源（Ｓ）が被検体を照明し、被検体が前記光源（Ｓ）からの光の一部を遮断し、光の遮断された部分が被検体（Ｐ）の前縁部を含めた被検体の外側輪郭（Ｔ）を規定するように、被検体（Ｐ）の反対側に互いに離間された関係で位置決めされ、被検体（Ｐ）及びその前縁部（Ｅ）のそれぞれ対応する画像を収集する複数のカメラ（Ｉ）と、
   エーロフォイルの前縁部の正確な測定を実行できるようにエーロフォイルの前縁部の輪郭形状を確認するために、スペースカービング技法を使用してそれぞれの画像を処理するプロセッサ（Ｒ）とを具備し、
   前記プロセッサ（Ｒ）は、エーロフォイル（Ｐ）が受け入れ可能な被検体であるか否かを判定するために、エーロフォイル（Ｐ）の前縁部測定値を基準と比較することを特徴とする装置。
9. 前記プロセッサ（Ｒ）は、試験される被検体ごとに前縁部測定値を保持することを特徴とする請求項７又は８に記載の装置。

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