JP6227647B2 - ブレードプリフォームの非破壊試験方法 - Google Patents

Description

本発明は、例えば、タービンエンジンファンブレードのプリフォームなどの織りプリフォームの非破壊試験方法に関する。

現在、ファンブレードは、プリフォームを織った後にプリフォームに樹脂を注入することによって製造されている。樹脂を注入する前に、織りプリフォームの特定のパラメータ、例えば、繊維密度や繊維の配向などをチェックすることが重要である。

そのためには、ブレードの圧力側もしくは吸気側などのブレードの外表面に格子を形成することが既知である。この格子は、第１および第２の交絡されたマーカー糸を使用して形成される。

格子の交点の位置を決定するために、織りプリフォームは、プリフォームに面する水平面に平行な面内を移動することができるレーザを担持するアームに対向して配置される。操作者は、レーザが交点を照射するように格子のさまざまな交点上でレーザを連続して移動させる。したがって、レーザの位置、ひいては、交点の位置は連続して記録される。

測定された交点の実位置から、例えば、第１および第２のトレーサ糸の格子によって画定されたプリフォームのさまざまな部位における繊維量に関する情報を導き出すことができる。その後、これらの値は理論値と比較され、織りが正確に行われているか、また織りの後の作業、例えば、プリフォームの縁部の切断、および非破壊試験作業の前の作業がプリフォームの形状に影響を及ぼしているかを判断することができる。

しかし、この技術は、非常に長い検査時間を要し、操作者によって手動で実行されるレーザ照準に左右されるので信頼性がないことが分かった。さらに、この技術は、レーザの移動面に実質的に平行な面以外の交点位置を測定することは不可能であり、レーザの軸に沿った交点の位置を考慮することができないので、三次元空間において平坦でなく高度に湾曲した織りファンブレードプリフォームには適さない。

本発明は、上述のタイプのプリフォームの自動非破壊試験を可能にすることによって、上記問題に対して単純かつ経済的な解決策を提供する。

上述の目的を達成するために、本発明は、タービンエンジン部品を製造するための織りプリフォームであり、第２のマーカー糸と交絡された複数の第１のマーカー糸を備え、第１の糸および第２の糸はプリフォームの糸とは異なる光反射特性を有し、第１の糸および第２の糸がプリフォームの所定の部位に表面格子を形成するようにプリフォームの糸と織り合わされた織りプリフォームの自動非破壊試験方法であって、連続して
（ａ）第１および第２のマーカー糸の格子が、格子に照準が合わせられ互いに角度を成す光軸を有する少なくとも２つの画像センサに対向して位置するように、プリフォームを所定位置に配置するステップと、
（ｂ）プリフォームの所定部位を照射して、それぞれの画像センサを使用して、第１および第２のマーカー糸の格子の画像を取得するステップと、
（ｃ）それぞれの画像に対して、第１のマーカー糸と第２のマーカー糸との交点の画像の基準フレームの座標を決定するステップと、
（ｄ）画像センサによって得られたそれぞれの画像の対象交点の座標を使用して、かつかつセンサの実空間位置およびそれぞれの軸の空間配向を使用して、三角測量計算によって、プリフォーム上の第１および第２のマーカー糸のそれぞれの交点の実空間位置を推定するステップと、
（ｅ）第１のマーカー糸と第２のマーカー糸との交点の実位置をこれらの同じ交点の三次元理論位置と比較するステップと
から成る自動非破壊試験方法を提案する。

本発明によれば、第１および第２のマーカー糸はプリフォームの糸とは異なる光反射特性を有し、本発明の方法のステップｂで撮影された画像のコントラスト差によって第１および第２のマーカー糸をプリフォームの糸と明確に区別することができる。

先行技術とは異なり、プリフォームは、２つの画像センサに対向して所定位置にプリフォームを位置決めするために支持体上に配置される。その後、本発明の方法は、プリフォームの格子の複数の画像を撮影するステップと、その画像から第１および第２のマーカー糸によって形成された格子の交点位置を操作者による手動の調整ではなく自動的に導き出すステップとから成り、このことにより、測定値の精度および再現性が向上する。

最後に、互いに角度を成す光軸を有する２つの画像センサを使用することにより、三角測量法を使用してそれぞれの交点の３つの空間座標Ｘ、Ｙ、Ｚを導き出すことができる。これは、先行技術では不可能なことであった。

本発明の好ましい実施形態では、ステップｃは、
それぞれの画像において、第１および第２のマーカー糸の可視部分に相当する部位の輪郭を決定するステップと、
それぞれの画像に対して、第１のマーカー糸に位置合わせされた上記部位を含む画像領域および第２のマーカー糸に位置合わせされた上記部位を含む画像領域をそれぞれ決定するステップと、
それぞれの上記画像領域において、第１および第２のマーカー糸の可視部分に相当するさまざまな部位の中心または重心の座標（ｘ_ｉ，ｙ_ｉ）を決定して、最適にこれらの座標（ｘ_ｉ，ｙ_ｉ）を通るＮＵＲＢＳ曲線などの数学的曲線を生成するステップと、
第１のマーカー糸に沿って延びる数学的曲線と第２のマーカー糸に沿って延びる数学的曲線との交点の座標を決定するステップと
から成る。

本発明の一実施形態によれば、第１および第２のマーカー糸の可視部分に相当する部位の輪郭は、部位の形状および画像の残りの部分と比較した光反射レベルに応じて、動的閾値法によって決定される。

本発明の一実施形態では、第１および第２のマーカー糸のそれぞれの可視部分の中心は、それぞれの可視部分を楕円に適合させることによって決定される。したがって、マーカー糸の可視部分は全て実質的に楕円形を有することが推測される。これは、第１および第２のマーカー糸をプリフォームの糸と織り合わせることにより、プリフォームの糸の上下にマーカー糸が交互に通過するためである。

好ましくは、ステップｂおよびステップｃはｎ回繰り返され、次のステップ、すなわち、ステップｄおよびステップｅは、それぞれの交点座標の測定値の必要な精度基準を計算することによって開始される。

本発明の一実施形態では、精度基準は、それぞれの画像内のそれぞれの交点座標における標準偏差計算から成り、ステップｂおよびステップｃの後のステップは、所定の閾値未満の標準偏差に対して開始される。

本発明の一実施形態では、数字ｎは１０以上である。

タービンエンジンの場合、プリフォームは、ファンブレードプリフォームとしてもよく、第１および第２のマーカー糸の格子は、ブレードの凸面もしくは凹面に形成可能である。

本発明の別の特徴によれば、プリフォームは炭素繊維糸で織られ、マーカー糸はガラス繊維糸と炭素繊維糸との組み合わせによって作成され、ガラス繊維糸は炭素繊維糸より明るい色を有する。

有利には、プリフォームは、プリフォームを所定位置で支持するのに適した支持体に取り付けられ、その後、光線を吸収する壁を有しプリフォームを照射する手段を収容するチャンバ内部に配置された画像センサに対向して移動される。

本発明の一実施形態では、画像センサは、１０メガピクセルの解像度および約８．５ｍｍの焦点距離を有する。

本発明の他の利点および特徴は、非限定的な例として添付図面を参照しながら後述する以下の説明を読めば明らかになるであろう。

本発明の方法を実施するための非破壊試験装置の概略斜視図である。 所定位置で支持体に取り付けられた織りファンブレードプリフォームの概略斜視図である。 図１の装置のチャンバ内部の概略図である。 本発明の方法の主なステップを示した図である。 プリフォームの画像に施されるさまざまな数学的処理作業を示した図であり、取得された画像の概略図であって、反射要素が黒および逆の白で現れるように見やすくするためにコントラストが意図的に反転された図である。 プリフォームの画像に施されるさまざまな数学的処理作業を示した図であり、取得された画像の概略図であって、反射要素が黒および逆の白で現れるように見やすくするためにコントラストが意図的に反転された図である。 プリフォームの画像に施されるさまざまな数学的処理作業を示した図であり、取得された画像の概略図であって、反射要素が黒および逆の白で現れるように見やすくするためにコントラストが意図的に反転された図である。 プリフォームの画像に施されるさまざまな数学的処理作業を示した図であり、取得された画像の概略図であって、反射要素が黒および逆の白で現れるように見やすくするためにコントラストが意図的に反転された図である。 プリフォームの画像に施されるさまざまな数学的処理作業を示した図であり、取得された画像の概略図であって、反射要素が黒および逆の白で現れるように見やすくするためにコントラストが意図的に反転された図である。 プリフォームの画像に施されるさまざまな数学的処理作業を示した図であり、取得された画像の概略図であって、反射要素が黒および逆の白で現れるように見やすくするためにコントラストが意図的に反転された図である。 プリフォームの画像に施されるさまざまな数学的処理作業を示した図であり、取得された画像の概略図であって、反射要素が黒および逆の白で現れるように見やすくするためにコントラストが意図的に反転された図である。 プリフォームの画像に施されるさまざまな数学的処理作業を示した図であり、取得された画像の概略図であって、反射要素が黒および逆の白で現れるように見やすくするためにコントラストが意図的に反転された図である。 プリフォームの画像に施されるさまざまな数学的処理作業を示した図であり、取得された画像の概略図であって、反射要素が黒および逆の白で現れるように見やすくするためにコントラストが意図的に反転された図である。

図１は、本発明の文脈において提案されている織りファンブレードプリフォームの非破壊試験方法を実施するための装置の概略図である。装置１０は、平行六面体の形状のチャンバ１４と、チャンバ１４の外側にある第１の位置とチャンバ１４の内側にある第２の位置（図３）との間で水平方向１８に可動なプレート１６とを担持するフレーム１２を備える。可動プレート１６は、ブレードプリフォーム２２が所定位置で配置される支持体２０を担持する。チャンバ１４は、水平方向１８に垂直な方向２６に並進移動可能なパネル２４であって、プレート１６がチャンバ１４の中に入るように移動される際に開口するパネル２４を備える（図１）。

図２は、織りブレードプリフォームの支持体２０を示した図である。この支持体は、支持体２０上の所定位置にプリフォームを位置決めすることができるように寸法決めされ分布された複数の突出部２８を備える。支持体の突出部は一定の可撓性を有するブレードプリフォーム２２が変形するのを防ぐので、変形していない状態で三次元で適合されたブレードプリフォーム２２において確実に非破壊試験が実行されることになる。

ブレードプリフォーム２２は、第２のマーカー糸３２と交絡され、ファンブレードプリフォームの凸面でプリフォームの糸と織り合わされることで格子を形成する複数の第１のマーカー糸３０を備える。第１および第２のマーカー糸３０、３２はプリフォームの糸とは異なる光反射特性を有することで、プリフォームの糸に対して第１および第２のマーカー糸の格子を明確に視認できるようにする。図示されている例では、マーカー糸３０、３２は白色で、プリフォームの糸は黒色である。

図３は、互いに既知の間隔で離間されて支持体３８に取り付けられた少なくとも２つの画像センサ３４、３６と、互いに既知の角度を成す光軸４０、４２とを備えた撮像手段が収容されているチャンバ１４内部の支持体２０およびプリフォーム２２を示している。ブレードプリフォーム２２は、２つの画像センサ３０、３８が第１および第２のマーカー糸３０、３２の格子に照準を合わせるように支持体２０上に配置される。チャンバ１４はさらに、プリフォーム２２の格子を照射する手段４４を収容する。

図１に示されるように、チャンバ１４は、支持体２０、プリフォーム２２、またはチャンバ内部の任意の他の要素、例えば、画像センサ３４、３６によって壁に向かって反射される光線を通さずに吸収する壁を備える。このようにして、ブレードプリフォーム２２に放出される光の強度を適切に制御することができ、チャンバの壁への反射が制限される。外側から入射する光も制限される。

以下の説明では、本発明の非破壊試験方法の一連の主な段階を示した図４を参照しながら、さらに続いて、画像センサを使用して撮影された画像に施される処理作業の画像を示した図５〜図１３を参照しながら本発明について説明する。

第１のステップ４６では、操作者は、プリフォームを支持体２０上に画像センサ３４、３６に対向して既知の所定位置に位置決めする。

第２のステップ４８では、次に、本発明の方法は、照射手段を使用してプリフォームの第１および第２のマーカー糸３０、３２の格子を照射すること、およびそれぞれの画像センサ３４、３６を使用して該格子の画像を撮影することから成る。

第３のステップ５０では、本発明の方法は、それぞれの画像の基準フレーム内の第１のマーカー糸３０と第２のマーカー糸３２との交点を決定することから成る。そのためには、センサ３４、３６を使用して撮影された画像に対して複数の数学的処理作業が施される。これらの数学的処理作業について、図５〜図１３を参照しながら後述する。

まず、それぞれの画像に対して、画像上の基準点５６から格子を含む作業領域５８（図５）が決定される。これらの画像上の基準点は、支持体２０上に形成された光反射部材を使用して形成される。

各画像のそれぞれの作業領域５６に、画像のノイズおよび低周波成分を抑制するためのフィルタが適用されることにより、画像の背景に対する第１および第２のマーカー糸３０、３２の可視部分のコントラストを上げることができる。このタイプの数学的モルフォロジーによるフィルタリングは、当業者に周知であり、ここでは特に説明する必要がない。

第１および第２のマーカー糸の可視部分に相当する部位の輪郭５７、５９は、可視部分６０、６２の形状および画像の残りの部分に対する可視部分６０、６２の光反射レベルに応じて、動的閾値法によって決定される（図６）。当業者に既知であるこのタイプの閾値法は、所与の形状、輪郭、および画像の背景に対する階調レベルに応じて画像のピクセルを分離することから成る。さらに、このタイプのフィルタは、マーカー糸のピクセルの識別周波数およびその階調レベルに基づいている。

特に、第１および第２のマーカー糸３０、３２をプリフォームの糸と織り合わせることにより、プリフォームの糸の上下にマーカー糸が交互に通過するので、第１および第２のマーカー糸３０、３２の可視部分６０、６２、すなわち、プリフォームの糸の上に位置する部分はほぼ楕円形になり、この情報は、それぞれの画像内の第１および第２のマーカー糸の可視部分を検出するための識別パラメータとして使用される。

その後、マーカー糸３０、３２のそれぞれの可視部分６０、６２に対して、楕円の中心の座標ｘ_ｉ、ｙ_ｉを決定することができる。

次に、第１のマーカー糸３０に位置合わせされたマーカー糸の可視部分を含む画像領域６４（図７）および第２のマーカー糸３２に位置合わせされた可視部分を含む領域６６（図８）が決定される。

次に、このようにして定められたそれぞれの領域６４、６６において、この領域６４、６６に属する可視部分の中心に相当する座標ｘ_ｉ、ｙ_ｉを最適に通るＮＵＲＢＳ曲線などの数学的曲線が決定される。図９は、第１のマーカー糸３０に沿って配向された領域６４において得られた数学的曲線７０を示しており、図１０は、第２のマーカー糸３２に沿って配向された領域６６において得られた数学的曲線７２を示している。

次に、数学的曲線の曲率収差を除去するために数学的曲線７０、７２の平滑化が行われ（図１１および図１２）、その後、第１のマーカー糸３０に沿って延びる数学的曲線と第２のマーカー糸３２に沿って延びる数学的曲線との交点７４が決定される（図１３）。これらの交点は、第１のセンサ３４を使用して得られた画像の基準フレーム内の所与の交点Ｉに対してＩ（ｘ_センサ１、ｙ_センサ１）で、および第２のセンサ３６を使用して得られた画像の基準フレーム内の同じ交点に対してＩ（ｘ_センサ２、ｙ_センサ２）で表される。

したがって、それぞれの画像センサを使用して得られたそれぞれの画像に対して、センサ３４、３６に関連する画像の基準フレーム内の第１のマーカー糸３０と第２のマーカー糸３２との全ての交点の座標が分かる。

第４のステップ５２では、本発明の方法は、第１のセンサを使用して得られた画像内の点の座標ｘ_センサ１、ｙ_センサ１、第２のセンサを使用して得られた画像内の点の座標ｘ_センサ２、ｙ_センサ２およびセンサ３４、３６の実空間位置とそれぞれの軸４０、４２の空間配向を使用して、三角測量計算によって、それぞれの交点Ｉの実空間座標Ｘ、Ｙ、Ｚを推定することから成る（図４）。

最後に、第５のステップ５４では、第１のマーカー糸３０と第２のマーカー糸３２の交点の実位置がデータベースに含まれるこれらの同じ交点の三次元理論位置と比較され、このことにより、プリフォーム２２が正確に織られているか否かを推定することができる。

本発明の特定の実施形態では、本発明の第３のステップ５０は、第１の画像センサ３４を使用して得られたｎ枚の画像および第２の画像センサ３６を使用して得られたｎ枚の画像において実行される。したがって、第１および第２のマーカー糸の格子の所与の交点Ｉに対して、２ｎ組の点座標ｘ_ｉ，ｊ、ｙ_ｉ，ｊが得られる。この場合、ｉはセンサｊを使用して撮られたｉ番目の画像に相当し、ｉは１〜ｎであり、ｊは第１の画像センサを識別する値１および第２の画像センサを識別する値２をとる。

第１のセットのｎ組の点ｘ_ｉ，１、ｙ_ｉ，１は、第１のセンサ３４を使用して得られた画像の基準フレーム内の格子の点Ｉの座標に相当し、第２のセットのｎ組の点ｘ_ｉ，２、ｙ_ｉ，２は、第２のセンサ３６を使用して得られた画像の基準フレーム内の格子の点Ｉの座標に相当する。

第１のカメラを使用して測定されたそれぞれの点Ｉに対して、値ｘ_ｉ，１間の標準偏差が第１の所定の閾値未満であること、および値ｙ_ｉ，１間の標準偏差が第２の所定の閾値未満であることがチェックされる。

同じ作業が、第２のカメラを使用して得られた点Ｉの座標ｘ_ｉ，２、ｙ_ｉ，２で実施される。

第１の閾値および第２の閾値は等しく、例えば、０．７５ピクセルとしてもよい。特定の実施形態の装置では、１ピクセルは約０．２ｍｍに相当する。

画像の枚数ｎは、有利には、１０以上である。

本発明の一実施形態では、照射手段４４は発光ダイオードであり、その光強度は第１および第２のマーカー糸３０、３２とプリフォームの糸とのコントラストを最適化するように較正される。

画像センサ３４、３６は、例えば、１０メガピクセルの解像度および約８．５ｍｍの焦点距離を有するＣＣＤもしくはＣＭＯＳタイプの光検出器マトリクスを備えたカメラである。

第１および第２のマーカー糸３０、３２は、例えば、ガラス繊維糸と炭素繊維糸との組み合わせによって製造される。プリフォームは、例えば、炭素繊維糸を織り合わせることによって製造される。ガラス繊維糸は、炭素繊維糸より明るい色を有する。

本発明の変形形態では、３つ以上のいくつかの画像センサを使用することができ、それぞれのセンサの軸は他のセンサの軸と非ゼロの角度を成し、センサの軸はプリフォームの格子の方向に向けられる。複数のセンサを使用することは、画像が複数の異なる視野角で撮られることにより、プリフォーム上の第１のマーカー糸と第２のマーカー糸との交点の検出の精度を高める。

本発明の方法は、上述したような表面格子を有する任意のタイプの織りプリフォームの非破壊試験に使用することが可能であり、ファンブレードのプリフォームに限定されない。特に、ブレード間プラットフォームもしくはケーシングを製造するのに使用されるプリフォームなどのプリフォームと共に使用することが可能である。

Claims (11)

1. タービンエンジン部品を製造するための織りプリフォーム（２２）であり、第２のマーカー糸（３２）と交絡された複数の第１のマーカー糸（３０）を備え、第１の糸および第２の糸（３０、３２）はプリフォームの糸とは異なる光反射特性を有し、第１の糸および第２の糸がプリフォーム（２２）の所定の部位に表面格子を形成するようにプリフォームの糸と織り合わされた織りプリフォームの自動非破壊試験方法であって、連続して、
   （ａ）第１および第２のマーカー糸（３０、３２）の格子が、格子に照準が合わせられ互いに角度を成す光軸（４０、４２）を有する少なくとも２つの画像センサ（３４、３６）に対向して位置するように、プリフォーム（２２）を所定位置に配置するステップと、
   （ｂ）プリフォーム（２２）の所定部位を照射して、それぞれの画像センサ（３４、３６）を使用して、第１および第２のマーカー糸（３０、３２）の格子の画像を取得するステップと、
   （ｃ）それぞれの画像に対して、第１および第２のマーカー糸（３０、３２）の交点の画像の基準フレームの座標を決定するステップと、
   （ｄ）画像センサ（３４、３６）を使用して得られたそれぞれの画像の対象交点の座標を使用して、かつセンサ（３４、３６）の実空間位置およびそれぞれの軸（４０、４２）の空間配向を使用して、三角測量計算によってプリフォーム（２２）上の第１および第２のマーカー糸（３０、３２）のそれぞれの交点の実空間位置を推定するステップと、
   （ｅ）第１および第２のマーカー糸（３０、３２）の交点の実位置をこれらの同じ交点の三次元理論位置と比較するステップと
   から成る、自動非破壊試験方法。
2. ステップｃが、
   それぞれの画像において、第１および第２のマーカー糸（３０、３２）の可視部分に相当する部位の輪郭（５７、５９）を決定するステップと、
   それぞれの画像に対して、第１のマーカー糸（３０）に沿って並んだ上記部位を含む画像領域（６４、６６）および第２のマーカー糸（３２）に沿って並んだ上記部位を含む画像領域を決定するステップと、
   それぞれの上記画像領域（６４、６６）において、第１および第２のマーカー糸（３０、３２）の可視部分に相当するさまざまな部位の重心座標（ｘ_ｉ，ｙ_ｉ）を決定して、最適にこれらの座標（ｘ_ｉ，ｙ_ｉ）を通るＮＵＲＢＳ曲線などの数学的曲線（７０、７２）を形成するステップと、
   第１のマーカー糸（３０）に沿って延びる数学的曲線（７０）と第２のマーカー糸（３２）に沿って延びる数学的曲線（７２）との交点の座標を決定するステップと
   から成ることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 第１および第２のマーカー糸の可視部分（６０、６２）に相当する部位の輪郭（５７、５９）が、部位の形状および画像の残りの部分と比較した光反射レベルに応じて、動的閾値法によって決定されることを特徴とする、請求項２に記載の方法。
4. 第１および第２のマーカー糸（３０、３２）のそれぞれの可視部分（６０、６２）の中心が、それぞれの可視部分を楕円に適合させることによって決定されることを特徴とする、請求項２または請求項３のいずれか一項に記載の方法。
5. ステップｂおよびステップｃがｎ回繰り返されること、および次のステップは、それぞれの交点座標の測定値の必要な精度基準を計算することによって開始されることを特徴とする、請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の方法。
6. 精度基準が、それぞれの画像内のそれぞれの交点の座標における標準偏差計算から成り、ステップｂおよびステップｃの後のステップは、所定の閾値未満の標準偏差に対して開始されることを特徴とする、請求項５に記載の方法。
7. 数字ｎが１０より大きいことを特徴とする、請求項５または請求項６のいずれか一項に記載の方法。
8. プリフォーム（２２）が、ファンブレードプリフォームであること、および第１および第２のマーカー糸（３０、３２）の格子は、ブレードの凸面もしくは凹面に形成されることを特徴とする、請求項１〜請求項７のいずれか一項に記載の方法。
9. プリフォームが炭素繊維糸で織られること、およびマーカー糸（３０、３２）はガラス繊維糸と炭素繊維糸との組み合わせによって作成され、ガラス繊維糸は炭素繊維糸より明るい色を有することを特徴とする、請求項７に記載の方法。
10. プリフォーム（２２）が、プリフォーム（２２）を所定位置で支持するのに適した支持体（２０）に取り付けられ、その後、光線を吸収する壁を有しプリフォームを照射する手段（４４）を収容するチャンバ内部に配置された画像センサ（３４、３６）に対向して移動されることを特徴とする、請求項１〜請求項９のいずれか一項に記載の方法。
11. 画像センサ（３４、３６）が、１０メガピクセルの解像度および約８．５ｍｍの焦点距離を有するＣＣＤもしくはＣＭＯＳタイプの光検出器マトリクスを備えたカメラであることを特徴とする、請求項１〜請求項１０のいずれか一項に記載の方法。

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