JP4695792B2

JP4695792B2 - 構造部分の非破壊壁厚検査方法

Info

Publication number: JP4695792B2
Application number: JP2001272040A
Authority: JP
Inventors: クノルプラルフ; ヴィトキンディミトリ
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2000-09-07
Filing date: 2001-09-07
Publication date: 2011-06-08
Anticipated expiration: 2021-09-07
Also published as: US6618689B2; EP1186855A3; US20020095267A1; JP2002139315A; EP1186855A2; DE10044169A1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、構造部分の非破壊壁厚検査方法であって、構造部分または構造部分の表面がコンピュータ制御でほぼ完全に無接触で測定されて、ディジタルデータにより記述される形式の構造部分の非破壊壁厚検査方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば装置部分（シリンダヘッド、軸等）または動力装置（例えばタービン羽根）のような機械的および熱的に負荷された構造部分は、最小壁厚の維持を検査しなければならない。このような構造部分のための検査指示において、構造部分のどの個所でも下回ることが許されない壁厚のための最小値が表示される。例えばシリンダヘッドにおける壁厚は目下のところ、全ての個所に近づきやすくするために、構造部分をのこぎりにより細分することにより検査し、特別な計器により手動の検査をおこなっている。構造部分の破壊と並んで、この方法の主なる欠点は、構造部分の座標系に対する欠陥のある基準に基づく、欠陥から（薄い壁）欠陥の原因（例えば、構造部分が鋳造部分である場合の砂コアのずれ）への逆推論が困難である点である。
【０００３】
ＢＩＲ社、ＳＭＳ社、Ａｒａｃｏｒ社等により、構造部分の非破壊検査のためのコンピュータ断層撮影システムが開発されている。コンピュータ断層撮影は、コンピュータ上に個々に表示することの出来る、構造部分の２次元のグレー値断面像のスタックを提供する。これらのシステムには、その他、個々の２次元のグレー値断面像における選択された壁厚の検査のためのシステムソフトウエアがある。検査は使用者と対話形式でおこなわれる、即ち、完全な検査は自動的には不可能である。この方法の主な欠点は、実際の壁厚が２次元の断面像よりも小さくなる、なぜなら断面は、一般的に壁に対して垂直に位置していないからである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、あらゆる実際に生じる壁厚の確実な自動的な検出と、構造部分若しくは臨界的な壁厚の迅速な検査を可能にする構造部分の非破壊壁厚検査方法を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
この課題は、請求項１に記載の特徴要件により解決される。
【０００６】
【発明の実施の形態】
各表面点から、ほぼ垂直に材料内へ、対向する表面における表面点を探索することにより、確実にどこでも最小の材料厚さを検出する。
【０００７】
ほぼ垂直の意味は、本明細書では、まず垂直に材料内に入って、対向する表面の目標点を探索して検出してその後で、目標点の周囲の所定の公差範囲内で、別の点を選択して、出発点に対するそれらの点の間隔を決める。最小間隔が、それぞれの材料厚さを表示する。
【０００８】
探索のこの形式は、確かに実際の材料厚さを直ちに提供するものではない。例えば、構造部分が、互いに対向する側において、異なって湾曲した表面によって制限されている場合には、探索が、一方の側から最小の材料厚さを提供できないことが生じる。この場合、正しい材料厚さをしかし、他方の側のある表面点から得ることが出来る、なぜなら全ての表面点のための計算が実施されるからである。従って、表面点に対する実際の材料厚さは、この表面点からあるいはどこか別の表面点から、最初とみなされる表面点の方向への最小値である。
【０００９】
本発明の方法は、全自動で実施することが出来る。使用者は、構造部分を検査するために、壁厚の１つもしくは複数の制限値を入力しなければならない。視覚的表示、例えば、スクリーンにおいて、壁厚が１つまたは複数の制限値を下回る及び／または上回ることが計算された全ての表面点が浮かびあがる。例えば、スクリーン上の３次元の構造部分の黒―白―表示において、壁厚が所定の最小値よりも小さいかあるいは壁厚が上限値及び下限値時の間にあるような個所は色で印をつけることが出来る。特に、表示された構造部分が透明かあるいはスクリーン上に回転可能である場合、使用者は、構造部分が限界的な壁厚を有する何らかの範囲を有しているかどうか非常に簡単に認識することが出来る。
【００１０】
構造部分を表示する３次元の座標系は、構造部分の測定データが、測定後に残る、例えばデカルト座標または円柱座標であるのが有利である。統一的な座標系は、発見された欠陥（例えば薄い壁）から欠陥の原因（例えば鋳造部分の場合の砂中子のずれ）への得られた逆推論を可能にする。
【００１１】
３次元の構造部分の測定は、光学的な３−Ｄ−座標測定技術（例えば、レーザスキャナ、テーププロジェクションーセンサー等）または断層撮影測定器（例えばＸ線―コンピュータ断層撮影）によりおこなわれる。測定器の適当な選択により、可能な内部構造を含む構造部分は完全に測定できる。結果は、以下の形式の１つにある構造部分のディジタルな記述である。
【００１２】
１．構造部分あるいは３次元のボクセルデータセットによる３次元のグレー値断面像のスタック（ボクセルは、この容積部材における構造部分の密度のための尺度であるグレー値を有する最小の容積部材である）。
【００１３】
２．構造部分の表面を記載する密度の高い点影。
【００１４】
３．構造部分の表面を記載する三角形網目結合（三角測量）。
【００１５】
これら３つの場合のいずれも、構造部分の壁厚の自動的な解析を構成する構造部分の実際の状態のディジタルの記述を有している。
【００１６】
第１の場合、例えば、構造部分の表面におけるボクセルのグレー値が一般的に一方の値から他方の値へ飛躍的に変化しないことを利用して、ボクセルデータセットから構造部分の表面点を計算する。即ち、表面点として、例えばグレー値を有するボクセルの中心点をとる。この場合、グレー値は、構造部分の材料のグレー値と、材料が存在しない範囲のグレー値との間の所定の範囲にある。Ｉｓｏ−グレー値―面上または付近に位置するこれらの点が、密度の高い点影を形成する。
【００１７】
構造部分が、３次元のグレー値断面像のスタックにより記載されている場合には、グレー値断面像のピクセルに類似の上述の計算を実施して、３次元の座標系内で得られた表面点の位置を記載することが出来る。あるいは、まずグレー値断面像を１つにまとめて、各ボクセルが、使用された座標系内の小さな容積に相当してかつ所属のグレー値を有している３次元のボクセルデータセットを得る。このために、例えばＭＡＴＥＲＩＡＬＩＳＥ社のソフトウエアMIMICSあるいはＶＯＬＵＭＥＧＲＡＰＨＩＣＳ社のソフトウエアVG STUDIO MAXのような商業ソフトウエアモジュールが既に存在する。
【００１８】
各表面点のために、各表面点の付近の別の表面点による補償方法により、局部的な接平面が検出される。別の構造部分表面を探索する方向は、それぞれ局部的な接面上の局部的な法線、即ち、材料内へ向う接平面の法線ベクトルである。
【００１９】
使用された測定技術のよる構造部分の表面を、密度の高い点影により記載されている第２の場合には、同様に各表面点に対して、補償方法により、その局部的な法線が接平面の法線ベクトルによる与えらられる局部的な接平面が検出される。
【００２０】
使用された測定技術のよる構造部分の表面を、三角形網目結合により記載された第３の場合、３角のいずれかの点を、特に３角形の重心といった構造部分の表面点としてとることが出来る。この場合、局部的な法線、即ち、各表面点のための探索方向は、例えば相応する３角形の法線ベクトルによりあたえらる。
【００２１】
【実施例】
本発明の別の構成要件と利点は、以下に記載の実施例と図面に基づいて説明する。
【００２２】
図１において、Ｘ線管２は、Ｘ線４を被検査構造部分６を通して検出器８に放射する。構造部分６は、マニピュレータ１０をにより回転可能ならびに上下運動可能である。構造部分６を完全に透射した後で、コンピュータ断層撮影の図示されていないコンピュタが、約１０００のグレイ値断面像のスタックを提供する。グレイ値断面像は、例えば０．５ｍｍの間隔で互いに平行な水平面内に位置してそれぞれ例えば０．２ｍｍｘ０．２ｍｍの解像力を有している。グレイ値は、例えば０(黒、空気)と２５５（白、材料）との間の範囲にある。図２は、構造部分の多数の２次元グレイ値断面像の１つを示している。この２次元グレイ値断面像は、暗色の背景上の明色の範囲として浮き上がっている。
【００２３】
全てのグレイ値像を１つにまとめると、三次元のボクセルデータセットが得られる。上記の例では、デカルト座標内のボクセルは、０．２ｍｍｘ０．２ｍｍｘ０．５ｍｍの体積に相当しかつ０と２５５との間の範囲のグレー値を有している。
【００２４】
材料と空気との境界に位置するボクセルは、例えばこのボクセルの中心点として選択することのできる点として表示される。これらの点は一緒に、構造部分の表面を記述する密接した点影を形成している。
【００２５】
図３は、壁厚検査を実施する構造部分１２の断面図である。表面点１４に属する壁厚は、局部的な法線１６を垂直に材料に引くことにより検出される。表面点１４と、局部的な法線１６を構造部分１２から引いた個所との間の間隔が、この個所の壁厚である。
【００２６】
局部的な法線は、構造部分の表面を記述する点影の場合、例えば、点影の各点に対して、周囲の点による局部的な接平面を計算することにより得られる。計算された接平面を、この個所の実際の接平面に出来るだけ正確に対応させるためには、周囲の点に基づく補償計算をおこなう。局部的な接平面上の法線は、局部的な法線１６である。
【００２７】
図３からわかるように、壁厚計算は、対向面に対する間隔２０との例えば表面点１８のような数個の表面点のための法線形成により、最小間隔を提供していない。しかしながら、構造部分の反対側の点２４に対する計算をすると、この個所における最小値を得ることが出来る。構造部分の最小壁厚を検査するためには、壁厚として、局部的な法線１６に沿った間隔をとり、間隔が下回れば十分である。所定の限界内で変動している壁厚が表示されている場合には、しかしあいまいさを避けなければならない。そのような場合には、表面点１８を通過するより長い間隔の長さ、上記実施例において間隔２０を除去する。
【００２８】
構造部分の表面が、上記実施例のような密度の高い点影により記述されていなくて、三角形網目結合により記載する場合の局部的な壁厚の検知を以下に詳細に記載する。
【００２９】
図４は、３−D―座標測定技術により検出する構造部分の２つの対向する表面２６と２８を示している。３−D―座標測定技術は、表面２６と２８を描く三角測量または三角形網目結合を提供する。構造部分の材料は、表面２６と２８との間に延びている。
【００３０】
まず、各三角形の重心を計算する。順々に、各三角形と各三角形の３つの隣接する三角形に対して、重心を通る局部的な表面法線を計算する。隣接の三角形を計算に入れることが、局部的な表面の欠陥または測定誤差を補償するために有利である。粗い網目の三角網目結合の場合には、それぞれ各三角形の局部的な表面法線を計算すれば十分である。
【００３１】
局部的な表面法線上に、それぞれ１つの法線ベクトル３０が位置している。法線ベクトル３０は、重心ｓから構造部分の材料に向って示されている。法線ベクトル３０に沿って変化する線分は、長さＡを有している。即ち、重心ｓにおいては、Ａ＝０である。
【００３２】
この実施例では、壁厚が、下側の限界値Aminと上側の限界値Amaxとの間に位置している構造部分の個所が探索される。下側の限界値Aminと上側の限界値Amaxとは、本発明の方法を実施する前に使用者によって入力される。その他、使用者は、表面法線の中心として、間隔Aminと間隔Amaxとの間で、表面２６から別の構造部分表面（図４の表面２８）へ探索される円筒の直径である探索公差を入力する。
【００３３】
探索範囲３２は、図４に示すように、AminとAmaxとの間の長さにわたって延びる、直径ｔを有する円筒である。表面２８上の、探索範囲３２内にある三角形の全ての重心または頂点並びに表面２６上の出発三角形の重心ｓからの全ての重心または頂点が検索されて記憶される。これらの値の最小値が、表面２６と２８との間の探索された壁厚である。
【００３４】
全ての三角形が、上記記載のように解析された後に、構造部分または構造部分の興味ある部分は例えばCAD−プログラムにより遠近法でスクリーン上に表示される。視覚的な表示において、それぞれ探索範囲３２内に位置する全ての表面点は、構造部分の色とコントラストを示す色で表示される。即ち、AminとAmaxとの間の壁厚を有する構造部分の範囲は、例えば、CAD−プログラムにより可能なように遠近法の表示を仮想に回転することにより、強調されて表示されてより詳細に見ることが出来る。
【００３５】
検索された範囲をスクリーン上に表示する色は、自動的に局部的な壁厚と関連して選択することが出来る。壁厚が、探索された範囲内で変化している場合には、虹色における各色が壁厚を表わす。各色に属する壁厚が、同様にスクリーン上に表示された色スペクトルに沿う数値として表示されるので、使用者は、ただちに相応する数値を認識するとが出来る。
【００３６】
上記記載の視覚的な表示と並んで、CAD−プログラムは、例えば、所定の目標位置からの検索された範囲の万一のずれを数値で表示できるような、多数の他の有効な情報を提供できる。
【００３７】
上記記載の非破壊壁厚検査のための重要な方法ステップは、まとめて第５図に示されている。
【００３８】
方法ステップｓ１では、構造部分または構造部分の表面がコンピュータ制御でほぼ完全に無接触で測定されて、記憶されたディジタルデータにより記述される。方法ステップｓ２では、使用者は、例えば上記記載のパラメータｔ、Amin、Amaxのような所望の探索パラメータを入力する。方法ステップｓ３において、自動的に、構造部分をほぼ完全に記述する、構造部分の多数の表面点が、３次元の座標系において計算される。方法ステップｓ４において、各表面点から、表面点において構造部分の表面に対して垂直に材料に向って延びる方向で、少なくとも１つの対向する表面点が探索される。方法ステップｓ５において、表面点における構造部分の壁厚が、表面点と、少なくとも１つの対向する表面点との間の間隔として検出する。最後に、方法ステップＳ５において、構造部分が視覚的に表示される。視覚的な表示において、壁厚が探索パラメータの相当するか若しくは何らかの形式で探索パラメータからずれている表面点が強調されて表示される。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、構造部分を検査するためのコンピュータ断層撮影の原理図である。
【図２】図２は、構造部分の多数の２次元グレイ値断面像の１つを示す図である。
【図３】図３は、壁厚検査を実施する構造部分の断面図である。
【図４】図４は、構造部分を描く三角網点の基づく探索法を説明するための斜視図である。
【図５】図５は、非破壊壁厚検査の主要な方法行程を説明するための系統図。
【符号の説明】
２Ｘ線管
４Ｘ線
６被検査構造部分
８検出器
１０マニピュレータ
１２構造部分
１４表面点
１６法線
１８表面点
２０間隔
２６表面
２８表面
３０法線ベクトル
Ｓ重心

Claims

構造部分をコンピュータ制御により非接触で測定して、ディジタルデータを表示する非破壊壁厚検査方法であって、
ａ）前記構造部分に設定された表面点の３次元座標を求め、
ｂ）前記設定された各表面点から、該表面点が載置している表面の法線方向に、少なくとも１つの対向する表面点を探索し、
ｃ）前記少なくとも１つの対向する表面点から所定距離以内に位置する複数の表面点を抽出し、該抽出された複数の表面点と、前記設定された表面点との間隔をそれぞれ算出し、該算出した間隔の最小値を特定して、当該最小値を前記設定された表面点の壁厚値とし、
ｄ）前記設定された表面点を、前記壁厚値と関連付けて３次元座標系上に表示し、前記壁厚値が１つまたは複数の閾値を下回る及び／又は上回る表面点を強調して表示することを特徴とする
非破壊壁厚検査方法。
前記壁厚値をグレー値に置き換えて、当該のグレー値によって前記設定された表面点を表示することを特徴とする、
請求項１記載の非破壊壁厚検査方法。
前記設定された表面点を３次元座標系上に点影として表示することを特徴とする、
請求項１記載の非破壊壁厚検査方法。
前記設定された表面点を３次元座標系上に三角形の頂点として表示することを特徴とする、
請求項１記載の非破壊壁厚検査方法。