エンジンの非破壊試験を行うシステム及び方法

【課題】アセンブリ内での部品の非破壊試験を行うシステムを提供する。
【解決手段】システムは、ディスプレイ及びメモリを有するコンピュータを含み、コンピュータは、アセンブリの少なくとも一部分の画像から点群を抽出するステップ（１０２）と、抽出した点群をＣＡＤ座標系に登録するステップ（１０４）と、同じＣＡＤ座標系を用いる、アセンブリのＣＡＤモデルの表面から選択距離より離れている、画像の点群の中の点を特定するステップ（１０６）と、特定した点を用いて、アセンブリ内の異常の存在を検出するステップとを行うように構成されている。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書の分野は、主に、エンジンの非破壊試験に関し、特に、組み立て済みエンジンの異常検出に関する。
【背景技術】
【０００２】
エンジン、例えば、ターボシャフトエンジンは、複数の部品を組み合わせてエンジンになる。個々の部品の異常、部品同士の位置関係の精度不足、エンジン内の異物の存在などは全て、エンジン性能の低下及び／又はエンジンの適正動作の阻害の原因になりうる。それら複数の個々の部品を、それぞれが部品仕様に適合するように決定することは可能であるが、一度組み立てると、それらが設計通りの位置関係になっていない可能性がある。
【０００３】
例えば、放射線透過写真、超音波、アコースティックエミッションなどの、１つ又は複数の既知の手法を用いて、エンジン内での部品の非破壊試験を行うことが可能である。さらに、コンピュータ断層撮影を行うと、試験中のエンジンの断面を表示することが可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第５，８４８，１１５号
【特許文献２】米国特許第７，１４９，３３９Ｂ２号
【特許文献３】米国特許第７，０９５，２２１Ｂ２号
【特許文献４】米国特許第６，９６８，７３０Ｂ２号
【特許文献５】米国特許第６，６８３，６４１Ｂ１号
【特許文献６】米国特許第６，２８５，４４９Ｂ１号
【特許文献７】米国特許第６，０４１，１３２号
【特許文献８】米国特許第５，３４５，５１４号
【特許文献９】米国特許第５，１１１，０４８号
【特許文献１０】米国特許出願公開第２００７／０１６０２８２Ａ１号
【特許文献１１】欧州特許第０８７５７５１Ａ１号
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
一態様では、アセンブリ内での部品の非破壊試験の方法を提供する。本方法は、アセンブリの少なくとも一部分の画像を生成するステップと、その画像から点群を抽出するステップと、その点群をＣＡＤ座標系に登録するステップと、同じＣＡＤ座標系を用いる、対応するＣＡＤモデルの表面から選択距離より離れている、画像の点群の中の点を特定するステップとを含む。本方法はさらに、特定した点を用いて、アセンブリ内の異常の存在を検出するステップを含む。
【０００６】
別の態様では、アセンブリ内での部品の非破壊試験を行うシステムを提供する。本システムは、ディスプレイ及びメモリを有するコンピュータを含む。コンピュータは、アセンブリの少なくとも一部分の画像から点群を抽出するステップと、その点群をＣＡＤ座標系に登録するステップとを行うように構成される。コンピュータはさらに、同じＣＡＤ座標系を用いる、エンジンのＣＡＤモデルの表面から選択距離より離れている、画像の点群の中の点を特定するステップと、特定した点を用いて、アセンブリ内の異常の存在を検出するステップとを行うように構成される。
【０００７】
さらに別の態様では、アセンブリの少なくとも一部分の画像から点群を抽出するステップをコンピュータに命令するように構成された命令が記録されている機械可読媒体を提供する。これらの命令は、抽出した点群をＣＡＤ座標系に登録するステップと、同じＣＡＤ座標系を用いる、エンジンのＣＡＤモデルの表面から選択距離より離れている、画像の点群の中の点を特定するステップとをコンピュータに命令するように構成される。これらの命令はさらに、特定した点を用いて、アセンブリ内の異常の存在を検出するステップをコンピュータに命令するように構成される。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】アセンブリの非破壊試験に用いる装置のブロック図である。
【図２】アセンブリの非破壊試験を行うシステムのブロック図である。
【図３】アセンブリの非破壊試験の方法のフローチャートである。
【図４】試験中のアセンブリから点群を抽出する方法のフローチャートである。
【図５】本明細書に記載のシステム及び方法を用いて生成された３Ｄ画像の一例である。
【図６】エンジンの一部分の二次元画像の一例である。
【図７】図６に示した画像の第１の部分の拡大図である。
【図８】図６に示した画像の第２の部分の拡大図である。
【図９】エンジン部品のＣＡＤモデルである。
【図１０】本明細書に記載のシステム及び方法を用いて、図９に示したエンジン部品から生成された点群である。
【図１１】図１０に示した点群と、図９に示したＣＡＤモデルから生成された点群との比較である。
【図１２】試験中のエンジン部品において検出された異常の画像である。
【図１３】二次元の点群の作成方法を示す図である。
【図１４】組み立て済みエンジンの一部分を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
本明細書に記載の各種実施形態は、非破壊試験の方法を含み、特に、エンジンの非破壊試験の方法を含む。各種実施形態の技術的効果は、組み立て済みエンジン内の異常を検出することを含む。異常としては、エンジン部品間の距離のばらつき、エンジン内の部品位置のばらつき、エンジン内の異物の存在などが考えられる。各種実施形態の別の技術的効果は、エンジンが期待通りの性能を発揮しない場合のトラブルシューティングサポートを提供することを含む。本明細書に記載の各構成を用いることにより、設計者の意図通りに組み立てられることが確定したエンジンを生産することが可能になることを理解されたい。
【００１０】
本明細書に記載のいくつかの実施形態では、設計にはない形体の境界を含む、全ての部品境界を示すコンピュータ断層撮影（ＣＴ）三次元（３Ｄ）モデルから、点群を抽出する。エンジンのＣＡＤモデルがあれば、ＣＴ３Ｄモデルを用いて、当該エンジンのＣＡＤモデルから、その点データを差し引いて、異常があれば、その異常だけを分離することが可能である。点群の作成のための閾値及び公差を手動で選択することが可能である。このように、本明細書に記載の各種構成の技術的効果は、組み立て済みエンジンの内部の異常の画像を作成することを含む。本明細書に記載のいくつかの構成の別の技術的効果は、そのような異常を認識及び特定することである。具体的には、Ｘ線ＣＴシステム（例えば）から、完全な点集合のデータを取得する。この点群を、ＣＡＤモデルに登録する。任意のＣＡＤ表面から指定距離内にある点を除去することによって、その点群を減らす。残った点を、異常として識別する。
【００１１】
図１は、エンジンの非破壊試験を行う装置１０のブロック図である。例示的実施形態では、装置１０は、ディスプレイ１４（例えば、電子ディスプレイ又はプリンタであって良い）及びメモリ１６を有するコンピュータ１２を含む。コンピュータ１２はさらに、１つ又は複数の入力装置１８（例えば、キーボード、マウス、タッチスクリーン、ライトペンなど）、並びに、命令、データ及び／又は画像データの供給又は読み込みが可能な１つ又は複数の媒体装置２０（例えば、ハードディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、フロッピー（登録商標）ディスクドライブ、ＣＤ−ＲＷ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＷ、ＤＶＤ＋ＲＷ、フラッシュメモリなど）を含んで良い。いくつかの構成では、コンピュータ１２は、ネットワーク（図１に図示せず）に接続され、このネットワークを介して、命令、データ又は画素データを受信及び／又は送信することが可能である。
【００１２】
図２は、アセンブリの非破壊試験を行うシステム４０のブロック図である。システム４０について、本明細書では、アセンブリ（例えば、ターボシャフトエンジン）の非破壊試験に使用するものとして説明する。システム４０は、本明細書ではエンジンに適用されているが、複数の部品を含む任意のタイプのアセンブリの試験に用いることが可能である。例示的実施形態では、システム４０は、放射源（例えば、Ｘ線ヘッド５０）、スライスコリメータ５２及びコンピュータ断層撮影（ＣＴ）検出器（例えば、Ｘ線ＣＴ検出器５４）を含む。システム４０はさらに、回転台５６を含み、試験対象のエンジン又はエンジンの一部分を回転台５６に載せ、Ｘ線ヘッド５０で生成されるＸ線の存在下で回転させる。
【００１３】
図３は、アセンブリの非破壊試験の方法のフローチャート９０である。本方法について、本明細書では、エンジン（例えば、ターボシャフトエンジン）の非破壊試験の方法として説明する。本方法は、本明細書ではエンジンに適用されているが、複数の部品を含む任意のタイプのアセンブリの試験に用いることが可能である。本例示的実施形態では、非破壊試験装置１０及びシステム４０は、図３に示す方法を実行するように構成される。本例示的実施形態では、（図１の）コンピュータ１２は、例えば（図１の）媒体２２に記録されている命令を介して、エンジンの少なくとも一部分の画像を生成する１００ように構成される。いくつかの構成では、エンジンの少なくとも一部分の画像を生成するステップは、エンジンのコンピュータ断層撮影（ＣＴ）画像を生成するステップを含む。ＣＴ画像は、例えば、ヘリカルスキャン容積画像であって良い。本例示的実施形態では、画像を生成するステップ１００は、エンジンの一部分の３Ｄ画像を生成するステップを含む。他の実施形態では、画像を生成するステップ１００は、エンジンの一部分の二次元画像を生成するステップを含んで良い。
【００１４】
本例示的実施形態では、本方法はさらに、画像から点群を抽出するステップ１０２（例えば、組み立て済みエンジンの少なくとも一部分の画像から点群を抽出する１０２ように装置１０を構成するステップ）を含む。本方法はさらに、抽出した点群をＣＡＤ座標系に登録するステップ１０４と、同じＣＡＤ座標系を用いる、エンジンの一部分のＣＡＤモデルの表面から選択距離より離れている、画像の点群の中の点を特定するステップ１０６とを含む。特定した点は、エンジン内の異常の存在を検出するステップ１０８に用いる。本方法はさらに、エンジン内で検出された異常の画像をオペレータに提示する１１０ようにコンピュータ１２を構成するステップを含んで良い。さらに、いくつかの構成では、（図１の）装置１０は、点群の抽出のための（例えば、キーボード１８から入力する）可変閾値と、選択距離の選択のための公差とを表すデータを受け取る１１２ように、さらに構成される。
【００１５】
いくつかの実施形態では、点群をＣＡＤ座標系に登録するステップ１０４と、同じＣＡＤ座標系を用いる、エンジンの一部分のＣＡＤモデルの表面から選択距離より離れている、画像の点群の中の点を特定するステップ１０６と、特定した点を用いて、エンジン内の異常の存在を検出するステップ１０８とを（図１の）コンピュータ１２に命令するように構成された命令が記録されている（図１の）機械可読媒体２２を提供する。
【００１６】
図４は、試験中のアセンブリから点群を抽出する方法のフローチャート２００を示す。本例示的実施形態では、本方法は、ＣＡＤマスターモデルの所定の初期方向と一致する初期方向にアセンブリをクロック制御するステップ２１０を含む。アセンブリをクロック制御するステップ２１０により、アセンブリの走査時に生成される画像と、メモリ（例えば、図１のメモリ１６）に記憶された、アセンブリのＣＡＤモデルとを位置合わせすることが容易になる。本方法はさらに、放射線検出器がアセンブリの近傍に位置する間にアセンブリに放射線を当てるステップ２１２と、アセンブリを回転させるステップ２１４とを含む。例えば、（図２の）Ｘ線ヘッド５０は、アセンブリにＸ線を当てる２１２ように構成される。本方法はさらに、ＣＴ断面を再構築して、アセンブリを表す点群を形成するステップ２１６を含む。
【００１７】
図５は、本明細書に記載のシステム及び方法を用いて生成された３Ｄ画像３００の一例である。本例示的実施形態では、本明細書に記載のシステム及び方法を用いて解析可能な寸法の一例として、先端隙間３１０を採り上げる。図６は、エンジン３２２の一部分の二次元画像３２０の一例である。図７は、画像３２０の（図６の）第１の部分３３２の拡大図である。エンジン３２２は、複数のタービン翼（例えば、タービン翼３３４及び３３６）を含む。先端隙間３３８は、タービン翼３３４の先端３４０と、先端封止部３４２との間の距離である。図８は、画像３２０の（図６の）第２の部分３５０の拡大図である。第２の部分３５０は、（図６の）エンジン３２２内の封止隙間３５２を示す。封止隙間３５２及び（図７の）先端隙間３３８は、エンジン３２２の部品間で定義される隙間の例である。
【００１８】
図９は、エンジン部品のＣＡＤモデル４００の一例である。図１０は、本明細書に記載のシステム及び方法を用いて、（図９の）ＣＡＤモデル４００に示されたエンジン部品の第１のサンプルから生成された点群４１０である。図１１は、本明細書に記載のシステム及び方法を用いて、（図９の）ＣＡＤモデル４００に示されたエンジン部品の第２のサンプルから生成された点群４２０である。図１２は、エンジン部品の第２のサンプルにおいて検出された異常４２２の画像である。
【００１９】
具体的には、（図９の）ＣＡＤモデル４００は、複雑な航空機部品のＣＡＤ図面である。（図１０の）点群４１０は、（図９の）ＣＡＤモデル４００の部品の第１のサンプルの３Ｄ画像から抽出した。点群４１０をＣＡＤモデル４００と比較すると、第１のサンプルには異常がないことが分かる。これに対し、（図１１の）点群画像４２０は、（図９の）ＣＡＤモデル４００の部品の第２のサンプルの３Ｄ画像から抽出したものであり、第２のサンプルに異常４２２が含まれることを示している。ＣＡＤモデル４００の全ての表面から所定距離より近くにある点を除去すると、図１２に示した、残った点が異常４２２を示す。
【００２０】
図１３は、二次元の点群の作成方法を示す。本方法は、第３の（垂直方向の）次元に拡張すれば３Ｄ画像に対応可能であるが、簡単にするため二次元で示した。ｘ方向及びｙ方向（３Ｄではｚ方向も用いる）を表す直交グリッド４６０を、部品の画像４６２（この例では不規則形状の画像として示した）に重ね合わせる。点群は、コントラストをなす領域４６６、４６８の境界とグリッド４６０との交点に対応する点４６４の集合として決定される。
【００２１】
図１４は、組み立て済みエンジンの一部分の画像５００を示す。本例示的実施形態では、本明細書に記載のシステム及び方法を用いて、試験中のアセンブリの少なくとも一部分の画像５００を生成する１００（図３）ように、コンピュータ、例えば、（図１の）コンピュータ１２を構成する。さらに、アセンブリの一部分を隔離するように（例えば、ギヤ集合５１０を隔離するように）コンピュータ１２を構成する。ギヤ集合５１０は、第１のギヤ５１２、第２のギヤ５１４、第３のギヤ５１６、第４のギヤ５１８、第５のギヤ５２０及び第６のギヤ５２２を含む。画像５００を生成し１００（図３）、これをＣＡＤモデルと比較することにより、アセンブリの個々の部品（すなわち、第１、第２、第３、第４、第５及び第６のギヤ５１２、５１４、５１６、５１８、５２０及び５２２）の異常を検出することだけでなく、個々の部品同士の位置関係の異常、アセンブリ内における個々の部品の位置の異常、並びにアセンブリ内の異物の存在を検出することが容易になる。
【００２２】
具体的には、本例示的実施形態において、本明細書に記載のシステム及び方法により、第１のギヤ５１２と第２のギヤ５１４との位置関係が、ギヤ集合５１０のＣＡＤモデルに示された第１のギヤ５１２と第２のギヤ５１４との位置関係に一致するかどうかを判定することが容易になる。さらに、本明細書に記載のシステム及び方法により、アセンブリ内の異物の存在を検出すること、例えば、ギヤ集合５１０を動作させる前に除去しないと第１、第２、第３、第４、第５又は第６のギヤ５１２、５１４、５１６、５１８、５２０又は５２２を損傷するおそれがある金属の加工くずを検出することが容易になる。
【００２３】
本明細書に記載のシステム及び方法は、組み立て済みの航空機エンジンの中の異常を検出することに用いることができ、例えば、先端隙間の検査、静翼の組立調整、エンジン内のセンサ配置などに用いることができるが、これらに限定されない。（図６の）エンジン中心線５３０を通る様々な角度の断面を切り取ることにより、回転部品の真直度又は振れを評価することが可能である。本明細書に記載のシステム及び方法は、エンジンの完全な３Ｄモデルを生成し、その３Ｄモデルから複数の幾何学的形体を抽出することが可能である。本明細書に記載のシステム及び方法は、航空機エンジンに特に好適であるが、用途は航空機エンジンに限定されず、航空関連ではない、他のタイプのエンジン並びにアセンブリの試験に用いることもできる。本明細書に記載のシステム及び方法により、高品質の複雑なアセンブリを、信頼性が高く、コスト効率が良い方式で生産することが容易になる。
【００２４】
本明細書は、実施例を用いることにより、最良の態様を含めて本発明を開示し、さらに、当業者が、任意の装置又はシステムを作成及び使用して、組み込まれている任意の方法を実行することを含めて、本発明を実施できるようにしている。本発明の特許性のある範囲は、特許請求の範囲により定義され、当業者が想到する他の実施例を含むことが可能である。このような他の実施例は、特許請求の範囲の文言と相違しない構成要素を有するか、特許請求の範囲の文言と実質的に相違のない同等の構成要素を含むのであれば、特許請求の範囲に入るものとする。
【符号の説明】
【００２５】
１０装置
１２コンピュータ
１４ディスプレイ
１６メモリ
１８入力装置
２０媒体装置
２２媒体
４０システム
５０Ｘ線ヘッド
５２スライスコリメータ
５４コンピュータ断層撮影（ＣＴ）検出器
５６回転台
９０フローチャート
１００アセンブリの少なくとも一部の画像を生成する
１０２画像の点群を抽出する
１０４点群をＣＡＤ座標系に登録する
１０６同じＣＡＤ座標系を用いる、対応するＣＡＤモデルの表面から選択距離より離れている、画像の点群の中の点を特定する
１０８特定した点を用いて、アセンブリ内の異常の存在を検出する
１１０アセンブリ内で検出された異常の画像を提示する
１１２可変閾値を表すデータを受け取る
２００フローチャート
２１０アセンブリを、ＣＡＤマスターモデルと同じ構成にクロック制御する
２１２放射線検出器がアセンブリの近傍に位置する間にアセンブリに放射線を当てる
２１４アセンブリを回転させる
２１６コンピュータ断層撮影断面を再構築して、アセンブリを表す点群を形成する
３００３Ｄ画像
３１０先端隙間
３２０二次元画像
３２２エンジン
３３４タービン翼
３３６タービン翼
３３８先端隙間
３４０先端
３４２先端封止部
３５０第２の部分
３５２封止隙間
４００ＣＡＤモデル
４１０点群
４２０点群
４２２異常
４６０直交グリッド
４６２画像
４６４点
４６６コントラストをなす領域
４６８コントラストをなす領域
５００画像
５１０ギヤ集合
５１２第１のギヤ
５１４第２のギヤ
５１６第３のギヤ
５１８第４のギヤ
５２０第５のギヤ
５２２第６のギヤ
５３０エンジン中心線

【特許請求の範囲】
【請求項１】
アセンブリ内での部品の非破壊試験を行うシステム（４０）であって、前記システム（４０）は、ディスプレイ（１４）及びメモリ（１６）を有するコンピュータ（１２）を備え、前記コンピュータ（１２）は、
前記アセンブリの少なくとも一部分の画像から点群（４１０、４２０）を抽出するステップ（１０２）と、
前記点群をＣＡＤ座標系に登録するステップ（１０４）と、
同じＣＡＤ座標系を用いる、前記アセンブリのＣＡＤモデル（４００）の表面から選択距離より離れている、前記画像の前記点群の中の点を特定するステップ（１０６）と、
前記特定した点（４６４）を用いて、前記アセンブリ内の異常の存在を検出するステップとを行うように構成された、システム（４０）。
【請求項２】
前記コンピュータ（１２）はさらに、前記アセンブリ内の異常の画像をオペレータに提示するように構成された、請求項１に記載のシステム（４０）。
【請求項３】
前記アセンブリの前記一部分は、複数の部品を含む、請求項１または３に記載のシステム（４０）。
【請求項４】
前記ＣＡＤモデル（４００）の表面から前記選択距離より離れている、前記画像の前記点群（４１０、４２０）の中の点は、前記複数の部品同士の間隔の異常を表す、請求項３に記載のシステム（４０）。
【請求項５】
異常の存在は、部品のサイズの異常の存在、２つの部品の間隔の異常の存在、異物の存在、及び前記アセンブリ内での部品の位置の異常の存在のうちの少なくとも１つを含む、請求項１乃至４のいずれか１項に記載のシステム（４０）。
【請求項６】
前記点群（４１０、４２０）の抽出のための可変閾値と、前記選択距離の選択のための公差とを表すデータを受け取るようにさらに構成された、請求項１乃至５のいずれか１項に記載のシステム（４０）。
【請求項７】
アセンブリの少なくとも一部分の画像から点群（４１０、４２０）を抽出するステップと、
前記点群をＣＡＤ座標系に登録するステップと、
同じＣＡＤ座標系を用いる、前記アセンブリのＣＡＤモデル（４００）の表面から選択距離より離れている、前記画像の前記点群の中の点を特定するステップと、
前記特定した点（４６４）を用いて、前記アセンブリ内の異常の存在を検出するステップとをコンピュータ（１２）に命令するように構成された命令が記録されている機械可読媒体（２２）。
【請求項８】
前記アセンブリの少なくとも一部分の前記画像から点群（４１０、４２０）を抽出するために、前記命令は、組み合わされて前記アセンブリになる複数の部品の前記画像から前記点群を抽出するステップを前記コンピュータ（１２）に命令するように構成された命令を含む、請求項７に記載の機械可読媒体（２２）。
【請求項９】
前記特定した点（４６４）を用いるために、前記命令は、部品のサイズの異常の存在、２つの部品の間隔の異常の存在、異物の存在、及び前記アセンブリ内での部品の位置の異常の存在のうちの少なくとも１つを特定するステップを前記コンピュータ（１２）に命令するように構成された命令を含む、請求項８に記載の機械可読媒体（２２）。
【請求項１０】
検出された異常をディスプレイ（１４）でオペレータに提示するステップを前記コンピュータ（１２）に命令するように構成された命令が記録されている、請求項７乃至９のいずれか１項に記載の機械可読媒体（２２）。

【図１】