JP4959930B2 - 内部表面幾何形状を再構成する方法 - Google Patents

内部表面幾何形状を再構成する方法 Download PDF

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Description

本発明は一般に、非破壊検査方法及びシステムに関し、より具体的には、対象物の内部特徴を再構成する非破壊検査方法及びシステムに関する。

リバースエンジニアは製品設計及び製造における重要な取組みである。従来の製品設計とは異なり、リバースエンジニアは主に、物理的モデルを工学的設計概念又はデジタル・モデルに展開することを中心とする。通常のリバースエンジニアプロセスは、4つの主要なステップを含む。第1のステップは、内部及び外部特徴の双方を測定し、物理的部品のデジタル表示を取得することである。データ収集後、データの後処理が必要となるが、これは、異なる測定システム又は視野方向からのデータの位置合わせ、異常値の検出及び排除、ノイズのフィルタ処理、及び検査データの平滑化を含む。処理されたデータに基づいて幾何形状特徴が抽出される。最後に、抽出された幾何形状表示に基づいて立体モデルが生成される。

測定データの精度は最終モデルの品質に直接影響するので、適正な測定法を選択し効果的な測定方策を確立することが重要である。物理的部品のデジタル表示を取得するための接触型及び非接触型の様々な方法が存在する。接触型方法は、精度は高いが、煩雑で時間を要する。非接触型方法は一般的に、接触型方法よりもはるかに迅速である。光学計測学などの非接触型方法は、外部特徴を測定するのに広く用いられている。

機械部品の外部構造を測定する多くの方法がある。座標計測機器(CMM)、レーザー・スキャナ、又は他の光学測定方法が、こうした情報を取得するのに好適である。しかしながら、部品の内部構造の測定は、内部構造への接触ができないことから非常に困難である。現在のところ、内部構造測定に2つの一般的な方法が主に使用されている。1つは、部品を薄片毎に切断し、次に各薄片を測定して内部特徴を求めることを含む破壊的方法であり、もう1つの方法は、非破壊的方法であり、部品を測定するための産業用コンピュータ断層(CT)機械などの非侵入的技術を用いる。これらの手順の両方に欠点がある。破壊的方法は、測定前に部品を変形し、且つ詳細な内部構造を取り込むことができない。更に、部品は再利用可能ではなく、集約的労力を必要とする。CTは非破壊的測定方法であるが、その測定誤差は大きく(ほとんどのシステムで5ミルより大きい)、この精度の低さが最終的なモデルに不正確さをもたらす可能性がある。
特表2003−505692号公報 特表2003−512596号公報

従って、非破壊的方法を用いた高精度の内部構造測定が望まれる。

要約すると、本発明の1つの態様において、部品20の内部表面幾何形状10を再構成する方法は、部品についての厚さマップ30を部品の外表面データ40と位置合わせする段階を含む。厚さマップは多数の厚さデータ32を有する。内表面データ12は、厚さマップ30及び外表面データ40を用いて生成され、内部表面幾何形状を再構成する。

本発明の別の実施形態によれば、部品20の内部表面幾何形状10を再構成する検査方法は、部品20の外表面データ40を取得する段階と、撮像装置50を用いて部品20の画像シーケンスを収集する段階と、この画像シーケンスからの部品の厚さマップ30を生成する段階とを含む。厚さマップ30は、複数の厚さデータ32を含む。厚さマップ30は外表面データ40と位置合わせされ、一連の内表面データ12は、厚さマップ30及び外表面データ40を用いて生成される。

本発明の更に別の実施形態によれば、部品20の内部表面幾何形状10を再構成する検査システム90は、既知の幾何形状及び既知の寸法を有するアーチファクト60を含む。取付装置58は、アーチファクトを部品に対して位置付けし、撮像装置50は、部品及びアーチファクトの厚さデータ30を取得する。

本発明のこれら及び他の特徴、態様、並びに利点は、全体を通じて同じ構成要素は同じ記号で表される添付図を参照にしながら以下の詳細な説明を読めばより理解されるであろう。

例えばタービンブレードなどの部品20の内部キャビティに対応する、内部表面形状10を再構成する方法の実施形態の概略図が図1に示されている。部品の特定位置における部品20の厚さを表す厚さマップ30からの情報、及び部品20の外表面形状を表す外表面データ40は、部品の内部表面形状10を生成するように組み合わされる。一般に、厚さマップ30は、部品の特定位置における厚さを表す一連の厚さデータ32要素である。厚さマップ30を外表面データ40と位置合わせするには、この2つを正確に整合させる必要があり、再構成される内部表面形状10を表すように論理的に配置された一連の内表面データ要素12が生成される。

本明細書で用いられる用語「外表面データ」は、対象物の表面外形を表すデータを意味し、従って3次元(3D)である。通常、外表面データは、接触型又は非接触型プロファイル生成方法のいずれかにより取得され、対象物のデジタル表示を形成するデジタル形式とすることができる。外表面データは、とりわけ光学計測、レーザー走査、座標計測機器(CMM)測定、及び本明細書で企図される全てのこうした技法などの方法を用いて取得することができる。これら及び他の測定システムには、接触プローブ、点スキャナ、線スキャナ、及び領域スキャナが含まれる。外表面データはまた、CAD又は対象物に関する他の同様の情報から取得することもできる。

本議論の目的において、対象物の「厚み」とは、中空又は半中空の対象物に関連する前壁又は表面厚みのことを意味する。本明細書で用いられる用語「前壁」は、対象物の熱画像を収集するのに用いられる撮像装置に面する対象物の壁を意味し、図2を参照して下記に説明される。本明細書で用いられる用語「厚さデータ」は、特定位置における対象物の厚さを表すデータを意味する。本明細書では、厚さデータは本質的に2次元(2D)である点に留意されたい。更に、一連の厚さデータは、論理的に組み合わされて対象物の厚さを表す2D「厚さマップ」を形成する。厚さデータ及びこれに由来する厚さマップは、通常、とりわけ熱イメージングなどの非破壊的内部イメージング法によりデジタル形式で取得することができる。熱イメージングは、固体の表面温度が固体を通る熱流を表すという前提を用いる。熱イメージング法の1つである赤外線(IR)熱イメージングは、内部構造に関する情報を集めるために、対象物の表面温度の変化を観測する。高出力閃光ランプ(イリノイ州シカゴ所在のSpeedotron, Corp.によって製造されたものなど)、ハロゲン・ランプ、又はアーク・ランプを用いて、短時間に材料の表面にエネルギー源が作動される。こうしたランプからのエネルギーは表面で吸収され、熱は材料の熱特性に応じた速度で材料を通じて伝導される。本議論の目的において「ランプ」は、とりわけ閃光ランプ、ハロゲン・ランプ、アーク・ランプなどの、対象物を照射するエネルギー源を含むように理解されるであろう。赤外線カメラは経時的なサンプル表面の温度減衰を取り込み、この情報から対象物の厚さ、材料特性、及び特定の欠陥の存在を求めることができる。実施例は、厚さデータを生成するためのIR熱イメージングに関するものであるが、本明細書では例えば超音波、コンピュータ断層撮影などの他の技術の使用が企図される。

本明細書で用いられる「位置合わせ」は、厚さマップからの対応するデータ要素を対象物の外表面データにマッピングすることを意味する。位置合わせ処理により対象物の内部幾何形状の再構成が得られる。

図2を参照すると、内部特徴再構成システム90の実施形態が示される。内部幾何形状10を有する部品20は、アーチファクト60と共に配置され、アーチファクト60及び部品20とが固定の位置関係を有するようにする。例えば8つの高出力ランプなどのランプセット48は、部品20の表面及びアーチファクト60を短時間照射するのに用いられる。座標系80を有する撮像装置50は、部品20及びアーチファクト60に面して位置付けられ、部品及びアーチファクトの熱画像を収集する。撮像装置50は通常、部品20及びアーチファクト60の熱画像を連続して取り込む赤外線カメラである。図2の例示的な実施形態において、ランプ48及び撮像装置50は、カメラと、閃光ランプ点火及び撮像装置操作を制御するランプ制御モジュール34とに電気的に接続されている。この例示的な実施形態において、カメラ及びランプ制御モジュール34は、連続する熱画像をコンピュータ36に提供し、コンピュータはこれらの熱画像を処理することにより厚さデータ32を生成するように構成される。コンピュータ36はまた、例えば外表面データモニタ54又はCAD図面から外表面データ40を受け取る。部品20及びアーチファクト60双方に対応する厚さデータ32は撮像装置50によって取り込まれ、結果として得られた厚さマップ30は、部品20及びアーチファクト60に対応する領域を含み、これらは各々、厚さマップ30の部品領域82及びアーチファクト領域84と呼ばれ、図5から図7を参照して詳細に記述されることが本明細書から理解される。

本明細書で用いられる用語「コンピュータ」は、特定の命令セットに応答するプログラム可能な装置を意味する。ほとんどのコンピュータは通常、コンピュータが少なくとも一時的にデータ及びプログラムを格納することができるメモリと、コンピュータが大量のデータを永久に保持可能な大容量記憶装置(一般的な大容量記憶装置はディスク・ドライブ及びテープ・ドライブを含む)と、データ及び命令をコンピュータに入力する、例えばキーボード又はマウスなどの入力デバイスと、例えばディスプレイ、スクリーン、又はプリンタ、或いはコンピュータが実行することを人が閲覧可能な他の装置などの出力装置と、命令を実行する構成要素である中央演算処理装置(CPU)とを含む。

図2の例示的な実施形態において、コンピュータ36は、カメラ及びランプ制御モジュール34並びに外表面データモニタ54に電気的に接続される。コンピュータ36は、内部表面形状10の再構成のための部品20の内表面データ12を生成するために、厚さデータ32から厚さマップ30を生成し、厚さマップ30を外表面データ40へ位置合わせするように構成される。コンピュータ36は更に、厚さマップ30のアーチファクト領域を3Dポイント群に外挿し、3Dポイント群をアーチファクト外表面データ42に最良適合させ、座標変換マトリクスを生成するように構成される。外表面データ発生器54は、上述のように、座標計測機器(CMM)、レーザー・スキャナ、光計測器又は他の光学測定機器を含むことができる。更に本発明の幾つかの実施形態において、カメラ及びランプ制御モジュール34は、コンピュータ36内に含めることができる。更に、システム90は取付装置を含むことができ、これは図2には示されず、図3を参照して以下に記述される。

図3は、本発明の1つの実施形態による、部品20とアーチファクト60の配置の斜視図を示す。撮像装置(図3には図示せず)の座標系80が図3に表される。アーチファクト60及び部品20は、1つの(少なくとも1つを意味する)取付装置58によって関係付けられて配置される。例示的な取付装置58は堅固な機械的構造であり、部品20とアーチファクト60との間の実質的に固定位置の関係を維持することが可能である。例えば、アーチファクト60は、その上に部品20が取り付けられる基部56に沿って一方向に移動自在な取付装置58上に装着することができる。部品とアーチファクトとの間の適正な配置が決定されると、取付装置58の移動はロック46を用いて制限される。この方法はまた、精密取付と呼ぶことができる。しかしながら、アーチファクトと部品との間の固定配置関係を維持する他の方法を用いることができ、このような方法は本発明の範囲内にある。

図4は、例示的なアーチファクト60を個別の図で示す。アーチファクト60は、少なくとも1つのランド62を有し、これは実施的に平面であり、アーチファクトの1つの表面を形成する。アーチファクト60はまた、少なくとも1つのウェッジ68を有し、これは実質的に平面であり、ある角度でランド62と交差する。アーチファクト60は更に、アーチファクト60の穴70などのキャビティを含む。図示される例示的なアーチファクト60は、実質的に平行な相対面をそれぞれ形成する2つのランド62、72を有する。2つのウェッジ68、78は、ランド62、72にある角度で交差し、互いにはほぼ直角に交差する。しかしながら、本明細書ではウェッジ間の他の相対配置が企図される。点74(x、y)及び76(x、y)が、t及びtで表されたそれぞれの厚さと共にアーチファクト上に示される。穴70は貫通孔であり、軸(図示せず)と共にランド面62、72に実質的に直交する。穴70は、アーチファクト60を撮像装置と整列させるのに役立つ。アーチファクト60は、精密機械加工によって良く知られた幾何形状を有することができ、これによりアーチファクト60の幾何形状データを取得することができる。或いは、アーチファクトの幾何形状データは、アーチファクト60の幾何形状が未知である場合、アーチファクトの測定を実行することにより取得することができる。アーチファクトの幾何形状データが外表面データ42を含むことは本明細書で明らかである。この論議の目的において、用語「幾何形状データ」と「アーチファクトの外表面データ」は等価的に用いられる。

部品20の内部表面形状を再構成する例示的な方法は、図2及び図3を参照して説明される。図3に表されるように、例えば、アーチファクト60は、部品20に対する方向付けにより配置され、基準面64(基準特徴部)は部品20上で選択される。図3の例示的な実施形態において、アーチファクト60は、前述のように精密取付装置を用いて部品20に取り付けられ、このようにして、アーチファクト60及び部品20(及びこれに由来する基準面)の間の相対運動が制限される。更に、この例示的な実施形態において、アーチファクト60の正面図は、穴70を用いて、撮像装置50の視軸に直交するように整列される。より具体的な実施形態によれば、アーチファクト60は、ランド62が撮像装置52に面するように位置付けられ、より具体的には、撮像装置50の視線は、アーチファクトのランド62面に直交する。この方法は更に、基準面64に対するアーチファクト60の位置24を実質的に正確に測定することを含む。他の実施形態において取付装置58が既知である場合には、部品20に対するアーチファクト60の位置付けを既知とすることができる。測定は、当該技術で周知である例えば定盤、ダイヤル目盛、座標計測機器(CMM)又は光学スキャナなどの様々な測定装置によって行うことができる。

より具体的には、部品20の内部表面形状を再構成する例示的な方法は、撮像装置50を用いて部品20及びアーチファクト60の画像シーケンスを収集する段階と、画像シーケンスから部品20及びアーチファクト60の厚さマップ30を生成する段階とを含む。部品20に対するアーチファクト60の方向付けは、画像が収集される間実質的に同じままである。更に、撮像装置50の座標系80に対するアーチファクト60の方向付けにより、部品20に関するアーチファクト60の方向付けが既知であるので、撮像装置50の座標系80に対する部品20の方向付けが得られる。

本発明の他の実施形態において、上述されたものと同様の付加的なアーチファクト及び基準面を組み込むことができ、或いは、同じアーチファクトを、以下に述べるように異なる視点からのイメージングを容易にするように異なる方向付けで再配置することができる。

上述のように、図2の配置は正確に決定される。更に、図2に示される部品20の内部表面形状を再構成する例示的な方法は、画像シーケンスを収集する段階の前に部品20及びアーチファクト60を照射する段階を含む。この例示的な実施形態において、撮像装置50は赤外線(「IR」)カメラ50であり、厚さマップ30はIR厚さマップである。例えば、部品20及びアーチファクト60は、熱源として閃光ランプ48を用いて照射することができる。通常、エネルギーは、0.001から0.010秒程度の短時間で与えられ、このエネルギーは部品及びアーチファクトの表面で吸収される。また、部品及びアーチファクトを加熱する他の方法も本発明の範囲内にある。撮像装置50は、サンプルの表面の経時的な温度減衰を取り込み、この情報から、サンプルの厚さ、材料特性、及び特定の欠陥の存在を判断することが可能である。更に具体的には、画像シーケンスを形成する何百もの画像、場合によっては2000程度の画像が、過渡的な熱プロセスの履歴を反映するよう記録される。画像シーケンスの各画像は、部品又はアーチファクトの表面の各可視ポイントで温度減衰を取り込み、ここでの減衰はまた、他の要素よりも部品又はアーチファクトの内表面に依存する。画像シーケンスは、部品20全体を網羅するように、部品20の幾つかの視野に対して収集することができる。更に、別のアーチファクト60を新たな位置で使用して視野を変えることができ、部品20(又は撮像装置50)を、撮像装置(部品)に対して移動させることができる。或いは、同じアーチファクト60を新たな位置に移動して、部品/撮像装置を撮像装置/部品に対して移動することができる。有利なことに、異なる視野の画像シーケンスを取得することにより、部品の実質的な包括的範囲が構築される。画像シーケンスを分析することにより、部品又はアーチファクトの下部構造に関する厚さ情報が得られる。

厚さマップ30は、既知の技術を用いる画像シーケンスから生成される。例示的な厚さデータ32である、ポイント(x、y)の組及びそれぞれのポイントにおける対応する厚さが図5に示される。厚さデータ32の論理的同化は、図5に表されるように部品20及びアーチファクト60における厚さマップ30を生成する。

前述のように、部品20の外表面データ40は、外表面データモニタ54から取得することができる。アーチファクトの外表面データ42は幾何形状データから既知であり、或いは、外表面データモニタ54を用いて取得することができる。有利なことに、例示的な方法は、部品及びアーチファクトの厚さマップと外表面データ、及びこれらのそれぞれの方向付けの知識を用いて部品20の内部表面幾何形状を再構成する。

より具体的な実施形態によれば、以下のようにアーチファクトから座標変換マトリクスが取得される。図6に示されるように、2D厚さマップ30のアーチファクト領域84及びアーチファクトの3D外表面データ42から、アーチファクトの3Dポイント群86が取得される。撮像装置50がアーチファクト60の前面(ランド62)に垂直に方向付けられるので、このプロセスは、アーチファクト60の面を表す2D平面に直角の平面に沿った厚さ距離によって厚さマップ84の2Dポイントを外挿することで達成される。このようにして取得されたアーチファクト3Dポイント群86は、図7に示されるように、外表面データ42を含むアーチファクトの正確な既知の3D幾何形状データ上にマッピングされる。座標変換マトリクスは、アーチファクトの外表面データ42とのポイント群86の「最良適合」において求められる。概念的には、座標変換マトリクスは、アーチファクトの(アーチファクト幾何形状データから取得される)正確な外表面データ42をアーチファクトの実験的に取得されるポイント群86に関連付ける。具体的には、座標変換マトリクスは、アーチファクトの実験データ86座標系とアーチファクトの既知の幾何形状データで用いられる座標系との間の並進及び回転の変化を関連付ける方程式の係数である一連の数字からなり、その結果、この変換マトリクスが部品のポイント群82の各ポイントに適用される時には、各ポイントは、撮像装置システムの座標系で適正な位置(最良適合)に各ポイントを再方向付けするような方法で移行することができる。これにより部品の厚さマップ82が、正確に外表面データに整列される。最良適合は幾つかの方法を用いて数学的に達成することができる。1つの例示的な方法は、ポイント群間の位置合わせを用いるICP(逐次最近傍点)アルゴリズムなどのアルゴリズムに基づいている。このような方法は、両ポイント群の共通領域を認識する必要があるが、これは時間がかかり困難である可能性がある。最小二乗最小化に基づく別の位置合わせ方法は、共通領域の識別は回避されるが、局所最適化問題が用いる可能性がある。この別の位置合わせ方法は、ポイント群86と幾何形状データの概略整列と、アーチファクトポイント群86の全ポイントを幾何形状データの最近傍面への投影と、対応する投影点を見つけることとを含む。

厚さマップ30内のアーチファクト2Dポイント群領域84とアーチファクト外表面データ42との間の座標変換は、部品2Dポイント群領域82と部品外表面データ40との間の変換と同じである。従って、このようにして取得される座標変換マトリクスを用いて、厚さマップ30の部品領域82の平面の再方向付けを有利に行うことができ、より具体的には、部品領域82は、部品20の外表面データ40に正確に方向付けられる。方向付けが完了すると、部品領域82に対応する厚さデータ要素は、部品表面上に投影される。次いで、厚さデータ要素82は、厚さマップ30に位置合わせされる厚さ値に応じて外挿される。これにより、内部特徴を表す部品20の3D内表面データ12が得られる。このようにして取得される3D内表面データ12は、論理的には同化されて部品の内部表面幾何形状10が得られる。

本発明の特定の特徴のみを図示し説明してきたが、当業者であれば多くの修正及び変更を行うことができるであろう。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。

厚さマップ及び外表面データを用いた部品の内部表面幾何形状の再構成の概略図。 部品の内部表面幾何形状を再構成する装置の概略図。 例示的な部品、基部、取付装置、及びアーチファクト組立体の斜視図。 例示的なアーチファクトの複数の図。 部品及びアーチファクトの例示的な厚さマップ。 部品の例示的な外表面データ及びアーチファクトの例示的な外表面データと、外表面データ上に投影されたアーチファクトの厚さデータ。 外表面データ上に最良適合されるアーチファクトの厚さ値及び外表面データで位置合わせされる部品の厚さマップ。

符号の説明

10 内部表面形状
12 内表面データ
20 部品
30 厚さマップ
32 厚さデータ
40 外表面データ

Claims (9)

  1. 中空部品(20)の内部表面幾何形状(10)を再構成する方法であって、
    前記部品(20)の画像シーケンスを収集する段階と、
    前記画像シーケンスから前記部品の厚さマップ(30)を生成する段階と、
    前記部品についての複数の厚さデータ(32)を含む厚さマップ(30)を該部品の表面外形を表す複数の外表面データ(40)に位置合わせする段階と、
    前記厚さマップ(30)と前記外表面データ(40)とを用いて複数の内表面データ(12)を生成する段階と、
    み、前記収集段階と生成段階が前記位置合わせ段階の前に実行される、方法。
  2. 前記部品(20)に対して少なくとも1つのアーチファクト(60)を方向付ける段階と、
    撮像装置(50)の座標系(80)に対する前記アーチファクト(60)の方向付けを求める段階と、
    を更に含み、
    前記画像が前記部品(20)と前記アーチファクト(60)のものであり、前記画像シーケンスが前記撮像装置を用いて収集され、前記部品に対する前記アーチファクトの方向付けが、前記収集段階中に実質的に同じままであることを特徴とする請求項に記載の方法。
  3. 前記アーチファクトが既知の幾何形状を有することを特徴とする請求項に記載の方法。
  4. 前記撮像装置(50)の座標系(80)に対する前記アーチファクト(60)の方向付けが、前記撮像装置(50)の座標系(80)に対する前記部品(20)の方向付けを与え、前記位置合わせ段階が、前記撮像装置の座標系に対する前記部品の方向付けを用いてそれぞれの外表面データ(40)に前記厚さデータ(32)を位置合わせする段階を含む請求項に記載の方法。
  5. 前記画像シーケンスから、前記アーチファクト(60)のアーチファクト厚さマップ(35)を生成する段階を更に含み、前記撮像装置(50)の座標系(80)に対する前記アーチファクトの方向付けを求める段階が、前記アーチファクト厚さマップ及び該アーチファクトの複数の外表面データ(42)を用いる段階を含む請求項に記載の方法。
  6. 前記少なくとも1つのアーチファクト(60)の各々の方向付けが、
    前記部品の少なくとも1つの基準面(64)を選択する段階と、
    前記少なくとも1つの基準面で前記アーチファクトを前記部品(20)へ取り付ける段階と、
    を含む請求項に記載の方法。
  7. 前記少なくとも1つの基準面(64)の各々に対する前記アーチファクト(60)の位置(24)を決定する段階を更に含み、前記決定段階が前記少なくとも1つのアーチファクト(60)の各々について実行されることを特徴とする請求項に記載の方法。
  8. 前記撮像装置(50)が、赤外線(「IR」)カメラ(50)を含み、前記方法が、前記画像シーケンスを収集する段階の前に前記部品(20)と前記アーチファクト(60)を照射する段階を更に含み、前記厚さマップ(30)がIR厚さマップであることを特徴とする請求項に記載の方法。
  9. 前記収集段階が、前記部品(20)の複数の視野についてのイメージを収集する段階を含む請求項に記載の方法。
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