(57)【要約】【課題】断熱コーティングによって少なくとも部分的に閉塞した表面上の開口部を有する孔の位置および角度方向を特定する自動化された装置および方法を提供する。【解決手段】レーザスポット投射器（４０）、レーザスポットセンサ（４２）、メモリ装置（４８）およびプロセッサ（５０）を含む走査装置（１０）が提供される。少なくとも１つの孔（１２）を含む領域（２４）において、レーザビーム（４４）が物品の表面（１６）に投射され、スポットセンサ（４８）が反射光（４６）を受信する。走査領域（２４）を表す一連の点（５２）が、メモリ装置（４８）にポイントクラウド（５４）として保存され、領域（２４）における各々の孔の位置および角度方向を計算するために処理される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの基準を含む物品の表面上に閉塞した開口部を有する１つまたは複数の孔の位置および角度方向の特定方法であって、
多軸制御装置、レーザスポット投射器、レーザスポットセンサ、メモリ装置、およびプロセッサを含む走査装置を提供する提供ステップと、
前記制御装置によって前記の投射器とセンサとを前記物品に対して移動させながら、前記レーザスポット投射器からレーザビームを投射するとともに前記スポットセンサによってレーザの反射光を受信することで前記１つまたは複数の孔を含む前記表面の領域を走査する走査ステップと、
前記少なくとも１つの基準に関連して測定された走査領域を表すポイントクラウドとして、前記メモリ装置にデジタル式の点を保存する保存ステップと、
前記プロセッサによって前記ポイントクラウドを処理し、前記少なくとも１つの基準に関連して前記１つまたは複数の孔の位置および角度方向を特定する処理ステップと、を含むことを特徴とする１つまたは複数の孔の位置および角度方向の特定方法。
【請求項２】
処理ステップは、前記ポイントクラウドをフィルタリングして該ポイントクラウド内の他の全ての点から所定距離より離れている点を除去し、前記表面を表すポイントクラウドを残すことをさらに含むことを特徴とする請求項１記載の１つまたは複数の孔の位置および角度方向の特定方法。
【請求項３】
処理ステップは、前記１つまたは複数の孔を表すポイントクラウドを分離するために、走査領域を表すポイントクラウドから表面を表すポイントクラウドを取り除くことをさらに含むことを特徴とする請求項２記載の１つまたは複数の孔の位置および角度方向の特定方法。
【請求項４】
処理ステップは、前記１つまたは複数の孔を表すポイントクラウドから単一の孔をそれぞれ表す１つまたは複数の個別のポイントクラウドを分離することをさらに含むことを特徴とする請求項３記載の１つまたは複数の孔の位置および角度方向の特定方法。
【請求項５】
処理ステップは、個別のポイントクラウドから孔プロファイルをそれぞれ生成することをさらに含むことを特徴とする請求項４記載の１つまたは複数の孔の位置および角度方向の特定方法。
【請求項６】
処理ステップは、表面および個別の孔プロファイルの両方を表すポイントクラウドから点を抽出して、各々の孔の開口部を表す交差部プロファイルを生成することをさらに含むことを特徴とする請求項５記載の１つまたは複数の孔の位置および角度方向の特定方法。
【請求項７】
処理ステップは、前記交差部プロファイルから孔中心および孔プロファイル軸を計算して、各々の孔の孔形状を生成することをさらに含むことを特徴とする請求項６記載の１つまたは複数の孔の位置および角度方向の特定方法。
【請求項８】
処理ステップは、前記少なくとも１つの基準に関連して、前記孔形状から各々の孔の位置および角度方向を計算して前記メモリ装置に保存することをさらに含むことを特徴とする請求項７記載の
【請求項９】
コーティング物品の表面上に設けられた閉塞した開口部を有する孔の修復方法であって、
レーザビーム、レーザスポットセンサ、データメモリ、およびプロセッサを含む走査装置を提供し、
前記物品の孔を含む表面の領域を前記レーザビームで走査するとともに、前記スポットセンサでレーザの反射光を受信し、
走査領域を表す一連の座標をポイントクラウドデータとしてデータメモリに保存し、
前記ポイントクラウドデータを処理して、前記領域における前記孔の空間的位置および角度方向を特定し、
前記領域における孔の空間的位置および角度配置に従って位置決めおよび方向づけられた拡孔装置で穴を広げることを含むことを特徴とする孔の修復方法。
【請求項１０】
処理ステップは、前記ポイントクラウドをフィルタリングして該ポイントクラウド内の他の全ての点から所定距離より離れている点を除去し、前記表面を表すポイントクラウドを残すことをさらに含むことを特徴とする請求項９記載の孔の修復方法。
【請求項１１】
処理ステップは、前記１つまたは複数の孔を表すポイントクラウドを分離するために、走査領域を表すポイントクラウドから表面を表すポイントクラウドを取り除くことをさらに含むことを特徴とする請求項１０記載の孔の修復方法。
【請求項１２】
処理ステップは、前記領域の１つまたは複数の孔を表すポイントクラウドから単一の孔をそれぞれ表す１つまたは複数の個別のポイントクラウドを分離することをさらに含むことを特徴とする請求項１１記載の孔の修復方法。
【請求項１３】
処理ステップは、個別のポイントクラウドから個別の孔プロファイルをそれぞれ生成することをさらに含むことを特徴とする請求項１２記載の孔の修復方法。
【請求項１４】
処理ステップは、表面および個別の孔プロファイルの両方を表すポイントクラウドから点を抽出して、各々の孔の開口部を表す交差部プロファイルを生成することをさらに含むことを特徴とする請求項１３記載の孔の修復方法。
【請求項１５】
処理ステップは、前記交差部プロファイルから孔中心および孔プロファイル軸を計算して、各々の孔の孔形状を生成することをさらに含むことを特徴とする請求項１４記載の孔の修復方法。
【請求項１６】
処理ステップは、前記少なくとも１つの基準に関連して、前記孔形状から各々の孔の位置および角度方向を計算することをさらに含むことを特徴とする請求項１５記載の孔の修復方法。
【請求項１７】
物品の表面上に閉塞した開口部を有する１つまたは複数の孔の位置および角度方向の特定装置であって、
孔を含む表面の領域にレーザビームを投射するレーザスポット投射器と、
前記表面からのレーザの反射光を受信するレーザスポットセンサと、
前記のレーザおよびセンサを前記表面に沿って移動させる多軸制御装置と、
前記のセンサおよび移動手段からの点をポイントクラウドの形式で保存するメモリ装置と、
前記ポイントクラウドを処理し、各々の孔について空間的位置および角度方向を計算するプロセッサと、を有することを特徴とする１つまたは複数の孔の位置および角度方向の特定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスタービンエンジン部品に関し、特に、このような部品の表面に閉塞した開口部を含む孔の位置および角度方向を特定する装置および方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンエンジンの多くの内部部品は、その母材の融点を超えるガス温度にさらされる。このため、タービンロータブレード、タービンステータベーン、燃焼器ライナ、シュラウドセグメントなどの内部部品は、耐久性を改善するために熱的に保護する必要がある。典型的に、内部通路がこれらの部品の内部に低温空気を導いてその温度を減少させる。低温空気は、一連の小孔を通って部品から流出し、部品の外側面を囲む保護フィルムを形成する。一般にフィルム冷却孔と呼ばれるこれらの孔は、必要な箇所のみに低温空気を配分するような寸法、位置、および角度方向で設けられる。このようなの表面は、一般に断熱性の断熱コーティング（ＴＢＣ）によってさらに保護されている。典型的に、最新のコーティングは、金属製のボンド層とセラミック製のトップ層とを含む。フィルム冷却および断熱コーティングを使用しても、徐々に劣化して最後には完全に修復または交換が必要となる部品もある。典型的に、１つまたはそれ以上の認定された修理によって、部品交換の何分の１かのコストで劣化部品を新品同様の状態に修復できる。
【０００３】
従来の劣化部品の修復は、化学的および／または機械的な手段による断熱コーティングの除去によって始まる。コーティングが除去されると、部品の傷が点検され、使用不能であればスクラップにされる。傷が使用可能な限度内にあれば、傷の領域および多数のフィルム冷却孔が、本出願人によるライセンスの下で市販されているターボフィックス（ＴＵＲＢＯＦＩＸ）（登録商標）拡散ろう付け修理プロセスを使用して塞がれる。このターボフィックス拡散ろう付け面は、新しいコーティングが施される前に研磨によりブレンディングされる。部品がコーティングされた後、各々のフィルム冷却孔はレーザ、アブレイシブ・ウォーター・ジェットまたは他の適切な穴あけ手段を用いて再度穴あけされる。
【０００４】
コーティングを除去するとともに新しいコーティングを施すだけで新品同様に修復される部品もある。残念ながら、新しいコーティングを施すことにより、元のフィルム冷却孔の開口部が部分的または完全に塞がってしまう。僅かな閉塞でさえも、部品表面のフィルム冷却に悪影響を与えうる。このような場合には、フィルム冷却孔がコーティングで部分的または完全に塞がったとしても、その位置および角度方向を正確に特定することができれば、レーザ、アブレイシブ・ウォーター・ジェットおよび他の適切な穴あけ手段を用いて開口部からコーティングを取り除くことができる。新しいコーティングを施してからフィルム冷却孔を広げることにより、時間がかかるターボフィックス拡散ろう付けの修理ステップが不要となる。部品修復の時間やコストのいかなる減少も、ガスタービンエンジンの作業者には非常に有益である。
【０００５】
閉塞した開口部を有するフィルム冷却孔の位置および角度方向を特定することに関しては多くの課題がある。第一に、孔の直径が非常に小さく、典型的に０．０２０インチ（約０．５０８ｍｍ）より小さいことが挙げられる。第二に、孔の開口部が０．００２〜０．０２０インチ（約０．０５０８〜０．５０８ｍｍ）の厚さを有するコーティングによって少なくとも部分的に塞がれていることがある。第三に、孔の開口部が複雑な三次元の面に設けられており、この面が高温での長期動作により部品ごとに僅かに異なる可能性があることが挙げられる。
【０００６】
フィルム冷却孔の位置を特定する１つの方法は、手動式の視覚装置を使用する。この方法では、ビデオモニタに孔の開口部の二次元拡大画像を映す視覚装置のカメラを通して各々の孔を見ることによって孔の位置を手作業で特定する。この方法は労働集約的であり、作業者は孔の上部からの二次元画像のみを見るので、孔の角度方向が正確に特定されない。
【０００７】
フィルム冷却孔の位置を点検する他の方法は、照射装置を使用する。この方法では、孔の列が内部キャビティから照射される。外部のビデオカメラがモニタへの表示および基準輝度との比較のために輝度データを収集する。この点検方法は、適切な寸法の孔が存在しているかどうかを特定するには有用であるが、孔の正確な位置および角度方向を確認できない。また、この方法は、コーティングにより部分的または完全に塞がった孔には実行できない。
【特許文献１】米国特許出願第１１／１７００２５号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
フィルム冷却孔を点検するさらに他の方法は、赤外放射計装置を使用する。この方法では、部品の中空通路内に高温空気と低温空気が交互に導かれるとともに冷却孔から流出可能とされる。画像化赤外放射計が、加熱および冷却のサイクルにおいて一連の画像を生成する。この方法は、孔の存在を点検するためには有用であるが、その正確な位置と角度方向を確認できない。
【０００９】
従って、断熱コーティングによって少なくとも部分的に閉塞した表面上の開口部を有する孔の位置および角度方向を特定する自動化された装置および方法が求められている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明では、少なくとも部分的に閉塞した開口部を物品の表面に有する孔の位置および角度方向の両方を特定できる装置および方法が提供される。本発明の方法では、レーザスポット投射器およびレーザスポットセンサを含む走査装置と、メモリ装置と、プロセッサと、が提供される。孔を含む物品の表面領域にレーザビームが投射され、スポットセンサが反射光を受信する。走査領域を表す一連の点がポイントクラウドとしてメモリ装置に保存される。ポイントクラウドは、続いて、１つまたは複数の既存の物品基準に関連して、上記の領域における各々の孔の位置および角度方向を計算するために処理される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
図１に示すように、本発明の実施例によるレーザ走査装置１０は、図２に示す典型的な物品１８の表面１６に閉塞した開口部１４を有する１つまたは複数の孔１２の位置および角度方向を特定するために使用される。図示の例では、物品１８はガスタービンエンジンの内部で使用されるベーンである。固定された固定具２０が、１つまたは複数の既存の物品基準線（ｄａｔｕｍ）２２に従って物品１８を正確に位置決めする。孔１２および開口部１４を含む表面１６の領域２４は、装置１０に対して最大限さらされるように方向づけられる。結果的に得られる孔１２の位置および角度方向は、１つまたは複数の物品基準線２２に関連して計算および保存されるので、正確な固定具２０の使用が非常に重要である。
【００１２】
機械加工、測定および他の作業における正確な位置決めのために業界全体で一般的に使用される多軸制御装置２６によって、固定具２０と物品１８とが支持される。制御装置２６は、コンピュータ３６からの指示に従ってＸ軸３２とＹ軸３４のそれぞれに沿って横送り台３０を線形に駆動するサーボ２８を含む。横送り台３０がＸ−Ｙ平面内のみで線形に移動するので、Ｚ軸３８内での移動は一定となる。制御装置２６は、物品を固定具２０から取り外すことを要さずに表面１６へのアクセスを可能にする。
【００１３】
レーザスポット投射器４０とレーザスポットセンサ４２とが、互いに近接して横送り台３０の１つに取り付けられる。典型的に５０ミクロン以下である小径のレーザビーム４４が、スポット投射器４０から表面１６に向かって投射され、センサ４２が表面１６から反射する反射光４６を受信する。反射光４６がセンサ４２と接触する位置を測定することにより、表面１６からスポット投射器４０までのＺ軸３８距離が三角測量により計算される。Ｚ軸３８距離は、表面１６の形状（ｔｏｐｏｌｏｇｙ）の変化に応じて変化する。例示的な装置１０では、ケヤンス（Ｋｅｙａｎｃｅ）のＬＶシリーズのレーザスポット投射器４０およびスポットセンサ４２を使用した。
【００１４】
コンピュータ３６は、メモリ装置４８とプロセッサ５０とを含み、ケーブルによって制御装置２６に接続されている。コンピュータ３６は、サーボ２８によって横送り台３０をＸ−Ｙ平面に沿って配置するよう制御装置２６に指示する。投射器４０およびセンサ４２は横送り台３０の１つに取り付けられるので、横送り台３０が物品１８を横切るときにレーザビーム４４が表面１６を走査する。走査線密度すなわちＸ軸３２およびＹ軸３４の一定の走査位置（または走査線）の間の距離は、表面１６の所望の解像度を得るために増加または減少させることができる。プロセッサ５０は、Ｃ＋＋または他の適切なプログラミング言語を用いてプログラミング可能である。
【００１５】
表面１６の走査時に、センサ４２は、メモリ装置４８へのアナログ電圧として較正されたＺ軸距離を出力する。対応する瞬間的なＸ軸３２およびＹ軸３４の距離は、横送り台３０を駆動するサーボ２８により生成される。これらの３つのデータ供給源、つまりサーボ２８からのＸ軸３２およびＹ軸３４の距離と、スポットセンサ４２からの較正されたＺ軸３８距離は、高速ＰＣデータバスを使用して連続的に捕捉されて一連の点５２としてメモリ装置４８に保存される。
【００１６】
図３は、装置１０を使用して少なくとも部分的に閉塞した開口部１４を表面１６上に有する１つまたは複数の孔の位置および角度方向を特定する一連の方法ステップ１００を示している。
【００１７】
まず、方法のステップ１０１を参照すると、最大数の孔１２および開口部１４が装置１０による走査にさらされるように物品が方向づけられる。全ての孔１２および開口部１４が走査時に確実に捕捉されるように、表面１６と孔１２との交差面積の最大部分が装置にさらされることが重要である。最適な向きは、実験または物品１８のコンピュータ支援設計（ＣＡＤ）ファイルがあればこれより定められる。
【００１８】
次に、図３のステップ１０２および図４，図４Ａの例を参照すると、上述の装置１０を使用して、露出面１６の形状がポイントクラウド（点群）５４として知られる多数の個々のデジタル座標点５２を得るように走査される。ポイントクラウド５４は、レーザビーム４４の迷光の反射や装置１０のノイズによって発生する範囲外および無関係の点を全て除去するようにフィルタにかけられる。ポイントクラウド５４は、メモリ装置４８に保存されてプロセッサ５０によってさらに処理される。
【００１９】
ポイントクラウド５４の処理は、図３のステップ１０３でポイントクラウド５４を分割する表面片５６の最適数を計算することで始まる。表面片５６の最適数は、走査線密度、孔領域２４における所望の解像度、および許容される計算時間に基づく。ポイントクラウド５４は、最大の曲率を有する表面１６において、最小の曲率を有する表面１６よりも多くの表面片５６に分割される。このステップの重要性は、残る方法ステップが以下で詳細に説明されると明らかになるであろう。
【００２０】
各々の表面片５６における点５２は、図３のステップ１０４において個々に解析され、表面１６を表す点５２が特定される。表面１６を構成する点５２が、全ての隣接する点５２から特定距離より近くにあれば、これらの点は表面１６に属する。上記の特定距離は、表面１６の曲率および走査線密度に基づく。表面１６を表す点５２は、予測可能なパターンに従い、表面の他の点５２からほぼ一定の距離にある。孔１２または開口部１４に属する点５２は、表面１６上にあるどの点５２からもより大きな距離だけ離れているので、このステップは重要である。孔１２または開口部１４を表す点５２は、表面１６に属さないので容易に識別して表面１６から取り除くことができる。
【００２１】
この時点で表面片５６は表面１６を表す点５２のみを含んでおり、図３のステップ１０５では、続いて孔１２および開口部１４を表す点５２が単一の群として分離される。表面１６を表す点５２は、ポイントクラウド５４からデジタル式に取り除かれ、孔１２および開口部１４のみを表し、表面１６を表さない孔クラウド５８（図４，図４Ａ参照）を明らかにする。孔クラウド５８は、図３のステップ１０６において、孔１２の間のＸ軸およびＹ軸の公称距離に基づいて個々の孔クラウド６０にさらに分割される。実際には、孔クラウド５８の個々の孔クラウド６０への分割は、孔の間の距離のために容易である。
【００２２】
この時点で各々の孔１２および開口部１４は個別の孔クラウド６０によって定められており、図３のステップ１０７では、続いて孔プロファイル６２（図５）が計算される。典型的に、断熱コーティングは開口部１４の一部のみを塞ぐので、孔１２の内部を表す点５２が処理可能である。円錐や円筒などのあらゆる円錐形状では、最低限の数の点５２で全形状が定められる。個々の孔クラウド６０において、一般的であるように多くの点５２が利用可能であれば、最も適したアルゴリズムを使用してさらに正確な孔１２の寸法が計算される。他の形状づけられた孔１２の形状（図示省略）では、個々の孔クラウド６０が、対応するテンプレートの寸法と比較され、最適なアルゴリズムを使用して孔プロファイル６２が生成される。
【００２３】
孔プロファイル６２が得られると、図３のステップ１０８で表面１６上の開口部１４の交差部プロファイル６４が計算される。各々の孔プロファイル６２および表面１６の点５２が比較され、表面を表す最も近接する点５２が抽出される。抽出された点５２から開口部１４と表面１６との交差部を表す交差部プロファイル６４が生成される。
【００２４】
図３のステップ１０９において、孔プロファイル６２と交差部プロファイル６４から実際の孔１２の表現が生成される。円形の孔１２は、表面１６で終端となる円筒として表現される。例が図５に最もよく示されている。孔の中心６６、孔の軸６８、および孔プロファイル６２は、メモリ装置４８に保存され、後にレーザ、アブレイシブ・ウォーター・ジェットまたは他の適切な拡孔装置によって使用される。
【００２５】
孔の中心６６、孔の軸６８、および孔プロファイル６２は、１つまたはそれ以上の既存の基準線２２に関連して計算および保存されるので、拡孔装置がこのことを考慮することが大切である。よって、基準線２２と拡孔装置の座標系とを関連づける同様の固定具２０を使用する必要がある。
【００２６】
本発明の装置および方法の実施例は、タービン部品の閉塞したフィルム冷却孔に関して説明したが、閉塞した孔を有する他の物品でも同様に有効であることが理解されよう。例えば、穿孔後に塗装された多孔物品で有効である。従って、本発明は、請求項の広い範囲に含まれる代替物、改良、および変更を含むものである。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の実施例によるレーザ走査装置の概略的な斜視図である。
【図２】断熱コーティングで閉塞した複数の孔を含む領域を有する典型的なガスタービンベーンの斜視図である。
【図３】本発明の方法による種々のステップを示すフローチャートである。
【図４】図２の領域の一部を示す走査されたポイントクラウドの部分概略図である。
【図４Ａ】図４の走査されたポイントクラウドの部分説明図である。
【図５】図２の領域の一部に含まれる孔の位置および角度方向を示す部分説明図である。
【符号の説明】
【００２８】
１０…レーザ走査装置
１６…表面
１８…物品
２０…固定具
２２…物品基準線
２６…多軸制御装置
２８…サーボ
３０…横送り台
３２…Ｘ軸
３４…Ｙ軸
３６…コンピュータ
３８…Ｚ軸
４０…レーザスポット投射器
４２…レーザスポットセンサ
４４…レーザビーム
４６…反射光
４８…メモリ装置
５０…プロセッサ
【図１】
2007009908.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図４Ａ】
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【図５】
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