专利名称：用于检查涡轮机翼片上孔的位置的系统和方法
技术领域：
本发明一般地涉及用于检查制造的物品的系统和方法，且更特定地涉及用于确定制造的物品上的孔特征部的位置的系统和方法。
背景技术：
在燃气涡轮发动机中，燃料在压缩空气内燃烧以加速高密度的空气且产生推力，推力又用于分别使涡轮机轴转动和驱动飞行器。在燃烧过程期间，空气被加热到超高温以加速空气来产生推力。因此，在燃烧过程下游的涡轮机的叶片经受超高温。为便于冷却叶片，许多涡轮机叶片合并了内部冷却通道的复杂系统，压缩机放气或其他冷却流体被引导进入内部冷却通道内以冷却叶片。冷却空气通过布置为使得叶片的外表面被冷却的孔系统离开叶片，且然后与废气的剩余一起排出发动机。
在一些涡轮机叶片实施例中，离开孔在叶片的多种面上布置为特定的样式，以造成表面冷却膜。表面冷却膜造成了冷却空气的层，它将翼片与燃烧过程的热燃气隔离。为保证表面冷却膜恰当地形成，多种成形的离开孔在叶片表面上被精确地定位且以多种角度钻出。因此，在制造后，必需检查叶片以保证孔被恰当地定位。目前的检查系统要求以枪管的视野来检查每个冷却孔，这典型地要求使用五轴计算机数控(CNC)机器用于移动探头。因为CNC机器的原因，这样的系统是十分昂贵的且占用生产设施内的大量地面空间。例如，因为也必需在每个叶片上单独地检查多达八个孔，对单个叶片的检查可能需要长达十分钟。因此，需要改进的方法和系统用于快速地和精确地确定孔和其他特征部在涡轮机叶片表面上的位置。
发明内容
本发明致力于用于确定物体外部上的多个特征部的位置的检查系统。检查系统包括固定物、摄像机、计算机和软件。固定物固定物体且包括多个安放点(nest point)，用于与物体外部上的特定位置匹配，固定物还包括位于相对于安放点的特定位置且在物体的最佳平面内的参考点。摄像机定位为垂直于物体的最佳平面且获得多个特征部和参考点的视频成像。计算机与摄像机通信且收集视频成像。软件基于视频成像确定了特征部相对于参考点的实际位置。
图1示出了本发明的检查系统的前视图。
图2示出了用在本发明的检查系统内的叶片固定物。
图3示出了图1的检查系统的顶视图，示出了摄像机的布局。
图4示出了涡轮机叶片的顶部的图，示出了叶片的最佳平面。
图5示出了定位在图2的固定物内的涡轮机叶片的压力侧的部分剖视图。
图6示出了当从固定物内的压力侧最佳平面观察时，涡轮机叶片的压力侧的部分剖视示意图。
图7示出了使用本发明获得的冷却孔的视频图像，带有分配的参考位置。
具体实施例方式
图1示出了本发明的检查系统10的前视图。检查系统10利用视频成像系统快速地且精确地确定了目标物体内的多个特征部的位置。检查系统10包括摄像机12A至12C、LED光源13A至13C、固定物14、监视器16、计算机18和软件19。摄像机12A至12C和固定物14定位在壳体22内的台面20上。固定物14使用多个在台面20上相对于摄像机12A至12C特定地定向的安放点固定了目标物体，例如涡轮机叶片24。监视器16和其他用户接口设备以用户友好的位置定位在壳体22内且与计算机18连接，计算机18定位在壳体22内的台面20下方。计算机18包括软件19，软件19包括视频成像和数据处理软件，用于由叶片24的视频图像确定涡轮机叶片24上的例如冷却孔的特征部相对于固定物14上的参考点的位置。光源13A至13C被引导向叶片24，以在视频图像中产生叶片24及其特征部之间的对比度。检查系统10构造为用于使用单个的视频图像来确定涡轮机叶片24上的多个孔的位置。因此，通过使用来自多个摄像机的多个视频图像，可以在单个过程中检查整个多面物体或涡轮机叶片。
图2示出了将叶片24以相对于摄像机12A至12C的特定的定向保持在台面20上的固定物14。固定物14和摄像机12A至12C的位置被定制以检查涡轮机叶片24的一个特定的型号或样式。如前文中所解释，涡轮机叶片包括在叶片的不同面上的冷却孔，内部冷却空气通过冷却孔出来以冷却叶片的外表面。特定地，涡轮机叶片典型地具有凸面(吸力侧)、凹面(压力侧)和径向向外的面(顶侧)，冷却孔位于它们上。叶片24安装在固定物14内以将叶片24保持在摄像机12A至12C的视域内，使得可以观察到在叶片24的面上的多种冷却孔，且使得摄像机12A至12C每次以相同的方式观察叶片24。固定物14包括在叶片24的面上的特定安放点上夹紧在叶片24上的夹钳。因此，叶片24每次安装在固定物14上时，叶片24上的任何位置总与固定物14上的特定的参考点相关联。固定物14包括平台26、侧支承件28、第一直立支承件30和第二直立支承件32，压力侧参考孔34、吸力侧参考孔36、顶侧参考孔38和安放点40至50位于其上。固定物14也包括夹具52、按钮54、夹56和支承件58，它们提供了用于固定叶片24的装置。
按钮54被旋转以通过例如带螺纹的横移机构来移动夹具52相对于第二直立支承件32的位置。夹具34的夹56被向上旋转以接收叶片24，且然后向下旋转回且与按钮54一起横移以将叶片24固定到安放点40至50处。位于第二直立支承件32上的安放点40形成了用于与叶片平台接触的倒圆的点。位于第二直立支承件32上的安放点42包括与叶片24的吸力侧接触的倒圆的点。安放点44至50包括与叶片24在前缘处接触的直线边缘，使得点44和点48在吸力侧上且点46和点50在压力侧上。典型地，六个安放点用于涡轮机叶片，以保证叶片恰当地就位在固定物内。叶片24安装在固定物14内，使得它在叶片24的表面上的精确的位置处接触每个安放点40至50。一旦就位，则以例如1/1000”的塞规检查叶片24的位置，以证实叶片24恰当地就位在固定物14内。因此，叶片24和其他相同地成形的叶片将每次相同地安放在固定物14内。
固定物14也包括参考点34、36和38，它们在固定物14上的位置相对于安放点40至50是已知的。参考点34位于第一直立支承件30上，使得它能与叶片24的吸力侧一起被观察到。参考点36位于第一直立支承件30上，使得它能与叶片24的压力侧一起被观察到。参考点38位于第二直立支承件32上，使得它能与叶片24的顶侧一起被观察到。因此，一旦叶片24固定或安放在固定物14内，则叶片24相对于参考点的定向是已知的。
典型地，参考点包括在固定物14内的孔，因为它们产生了与叶片24的表面的高度的对比度，且因此可以容易地在视频图像中检测到。然而，也可以使用在摄像机12A至12C内在它们和叶片24的表面之间产生对比度的其他指示器，例如凹陷或色标。在另一个实施例中，参考点34至38包括压配到钢的固定物孔内的0.125”的定位销。定位销包括黑色的阳极化涂层，以产生与叶片24和固定物14的足够的对比度。
典型的，一个参考孔用于每个摄像机，或叶片24的要求摄像机的每个面。每个冷却孔的位置然后可以绘制在相对坐标系上，例如基于参考点34、36和38的一个或多个。将固定物14考虑到摄像机12A至12C而定位在台面20上，使得参考孔的每个和所有的冷却孔被至少一个摄像机观察到。因此，使用来自相对地少的精确地定位的摄像机的多个视频图像，系统10可以确定每个特征部或冷却孔相对于参考点的位置。
图3示出了本发明的检查系统10的顶视图。为确定冷却孔在吸力侧、压力侧和顶侧上的位置，典型地使用了三个摄像机。然而在其他的实施例中，对于具有更多或更少的带孔的面的其复杂性更高或更低的零件，可以使用更多或更少的摄像机。固定物14将叶片24保持在摄像机12A至12C的视线内，使得摄像机12A至12C分别观察到顶侧、压力侧和吸力侧的每个的最佳平面。
最佳平面限定了其中冷却孔的每个从单个的有利点，即单个的摄像机可见的平面。最佳平面的个数基于确定叶片24上的每个特征部的位置所要求的平面的最少个数选择。优选地，对于涡轮机叶片，使用三个最佳平面。每个摄像机典型地聚焦在对于叶片24的凸面、凹面和径向向外的面的一个的最佳平面上，使得该摄像机具有在该侧面上的每个冷却孔的视线。每个摄像机的视线设定为垂直于它的各最佳平面，且典型地参考点或孔设定为与最佳平面平行。摄像机12A设定为观察对于尖端侧的最佳平面，该最佳平面一般地平行于台面20。摄像机12B设定为观察叶片24的压力侧的最佳平面。摄像机12C设定为观察叶片24的吸力侧的最佳平面。因此，它们共同地观察所有位于叶片24上的冷却孔60。
摄像机12A至12C不需要具有对于每个孔的直接的枪管视线；它们仅需要至少具有在它们被设定位观察的最佳平面内的每个孔的倾斜的视野。通过将叶片24安放在固定物14内，摄像机12A至12C具有在叶片14上的每个冷却孔的视线，且每次将看到冷却孔的相同的倾斜视野。因此，冷却孔和参考孔之间的距离也将每次相同。优选地，使用定焦摄像机，使得能将整个最佳平面置于焦点内。
固定物14和摄像机12A至12C在壳体22内固定在台面20，所以系统10将获得装载在固定物14内的各个和每个叶片(它与叶片24相同)的几乎相同的图像。使用任何合适的安装装置将摄像机12A至12C和固定物14固定到台面20，使得它们一旦设定到位则不可移动。摄像机12A至12C和固定物14可以可移除地接附到台面20，使得它们每次能以完全相同的定向和构造被替换。
图4示出了涡轮机叶片24的尖端侧，示出了最佳平面和冷却孔60的多种位置。摄像机12B设定为观察对于叶片24的压力侧的最佳平面62，且摄像机12C设定为观察对于叶片24的吸力侧的最佳平面64。对于叶片24的顶侧的最佳平面一般地平行于台面20且平行于图5的平面。参考孔38以及冷却孔60的每个在顶侧最佳平面内被看到。因此，摄像机12A在单一图像内拍摄参考孔38和多个冷却孔60。与叶片24的总尺寸和冷却孔的每个的设计位置和叶片24的其他特征或参数相关的坐标载入计算机18内。计算机18的软件19然后根据摄像机12A计算对于每个冷却孔60距参考孔38的距离的实际坐标，用于与实际坐标对比。可以使用任何类型的坐标系或网格参考系统，例如(x，y)坐标对系统。
图5示出了定位在固定物14内的叶片24的压力侧。叶片24包括多个在叶片24的压力侧表面上一般地以列和行的方式布置的冷却孔60。夹具52将叶片24保持在固定物14内。叶片24以固定物14安放在安放点40至50处。固定物14接受叶片24，使得叶片24仅以一个方式接触所有的安放点40至50。固定物14上的参考孔34、36和38相对于安放点40至50的位置被精确地设计且在制造固定物14期间被仔细地定位。因此，无论何时叶片24或其他具体的叶片安装在固定物14内，叶片24相对于安放点40至50的位置将总是相同的。因此冷却孔60的位置将与参考孔34、36和38相关；且每次叶片24被以相同的方式装载在固定物14内时在摄像机12A至12C的视野内。
图6示出了当沿压力侧最佳平面62观看时涡轮机叶片24的压力侧的部分剖视示意图。最佳平面62包括压力侧参考孔36和压力侧上的多个冷却孔60，例如冷却孔66。叶片24的根部或底部被切去以示出冷却通道68，冷却通道68允许冷却流体进入到叶片24内。冷却孔66允许冷却流体的一些从叶片24逃逸且冷却压力侧表面。固定物14在安放点40至50处夹在叶片24上(如通过图6中示出参考面指示)。在参考孔36和冷却孔66之间的距离d1应在每次将完成的叶片24安装在系统10内时相同。距离d1取决于三个因素1)叶片24被恰当地与安放点40至50配合；2)摄像机12B具有对叶片24的相同的视线；和3)冷却孔66在相同的点定位在叶片24上。因素1和因素2取决于系统10，该系统10被设定为使得这些因素对于可接受的公差水平是可复现的。因素3取决于用于制造叶片24的制造过程的可复现性，这正是系统10被设计用来检查的。例如，在制造叶片24中使用的加工技术必须每次在可接受的公差内在叶片24上钻孔或另外产生冷却孔60。压力侧冷却孔60包括多种精确地确定的形状，且以精确的模式布置，以实现对叶片表面的完全的冷却覆盖。因此，需要的是对于冷却孔的每个确定且证实它相对于叶片24的精确的位置和形状，这可以使用叶片24的视频图像实现。
图7示出了带有分配的参考位置72的冷却孔66的视频图像70。软件19通过计算机18和摄像机12B获得叶片24的视频图像70。软件19包括视频成像和数据处理软件，它们联合使用来确定冷却孔在参考坐标系内的位置。参考坐标系可以被参考点34至38的一个或多个切断(key off)。
成像软件以图形方式拍摄参考点和多个冷却孔的至少一个的位置，如在图6中示出。视频图像70从定位为垂直于最佳平面62的摄像机12B的观点示出了冷却孔66的开口的视图。从此观点看，孔66具有特定的形状。软件19检测孔66和叶片24的表面之间的视觉差或对比度差，且沿对比度边界分配一系列点74，它们与形状的外周重合。软件也以类似的方法确定了参考孔34至38的位置。因此，系统10能确定冷却孔形状的位置，以及叶片24的可被摄像机12A至12C检测到的任何其他特征部的位置，用于与设计孔形状和位置的数据库进行比较。一旦冷却孔66的形状被点74确定，则可基于此形状确定用于确定冷却孔66的位置的坐标位置。数据处理软件基于每个冷却孔的基于形状计算的形心确定坐标位置。例如，在一个实施例中，可以计算点74的形状的中心质量且将其用作用来确定孔的位置的点。如果确定的形心不与设计的形心匹配，则孔处于错误的位置或孔具有错误的形状。坐标位置是基于所选择的参考坐标系由参考点确定的。
软件19将点74分配到孔66的能力取决于摄像机12B检测叶片24和孔66的对比度差的能力。虽然系统10将在任何照明条件下运行，但系统10将相同的坐标分配到孔66的可重复性取决于对比度，对比度与围绕系统10的照明有关。系统10在类似的照明情形中将产生类似的结果。光源13A至13C包括在系统10内，以在每次使用系统10时造成类似的照明条件。光源13A至13C通过将用于获得视频图像70的照明情形标准化而增强了系统10的可重复性。光源13A至13C优选地是LED光，它最小化了环境照明的影响，且降低了所产生的眩光的量。
因为软件19可以确定对于点74的任何形状的边界层，软件19可将坐标位置分配到每个冷却孔，而不考虑摄像机是否具有对孔的直线视野或倾斜视野。只要在孔和叶片表面之间存在足够的对比度，软件19就可以基于摄像机观察的此孔的形状确定对于孔的坐标位置。因此，软件19可以确定对于每个冷却孔的位置而不具有冷却孔的枪管视野。因此，系统10能以单一的视频图像确定多个特征部或冷却孔的位置，因为冷却孔的任何倾斜的视野将满足确定孔的位置。
确定的坐标对和形状可以与来自输入到计算机18内的设计参数的坐标和形状进行比较，且相对于相同的参考坐标系进行比较。包括对于每个孔的形状和位置坐标的设计参数能数学地确定且输入到计算机18内，或能从其上特征部和冷却孔已知为处于正确的位置的参考叶片获得。设计孔位置和形状被标准化到其中当固定到系统10的固定物14内时摄像机将观察它们的观点。因此，关键的是叶片24以精确的、已知的定向安装在固定物14内，且摄像机12A至12C被定位来以精确的、已知的定向观察叶片24。因此，由于将叶片24在安放点40-50处固定固定物14内，在叶片24的表面上的每个点的位置，包括多个冷却孔60的位置可以与每个参考点34至38相关。
虽然本发明已参考优选实施例描述，本领域普通技术领域将认识到可以在形式和细节上进行变化而不离开本发明的精神和范围。
权利要求
1.一种用于确定物体外部上的多个特征部的位置的检查系统，该检查系统包括用于固定物体的固定物，其包括多个用于与物体外部上的特定位置匹配的安放点；和位于相对于安放点的特定位置且在物体的最佳平面内的参考点；定位为垂直于物体的最佳平面的用于获得多个特征部和参考点的视频图像的摄像机；与摄像机通信用于收集视频图像的计算机；和用于基于视频图像确定特征部相对于参考点的实际位置的软件。
2.根据权利要求1所述的检查系统，其中摄像机是定焦摄像机。
3.根据权利要求1所述的检查系统，且进一步包括LED光源，用于增强物体和特征部之间的对比度。
4.根据权利要求1所述的检查系统，其中最佳平面包括相对于物体的外部的平面，其中在物体外部上的多个特征部的多个从单一的有利点可见。
5.根据权利要求4所述的检查系统，其中摄像机固定在单一的有利点处，使得摄像机从已知的定向观察特征部和参考点。
6.根据权利要求1所述的检查系统，且进一步包括多个对于物体的最佳平面；多个在固定物上的参考点；和对于每个最佳平面提供的摄像机，使得它拍摄参考点的至少一个。
7.根据权利要求1所述的检查系统，其中参考点包括在固定物上的圆形的孔。
8.根据权利要求7所述的检查系统，其中平行于孔的前部的平面平行于最佳平面。
9.根据权利要求1所述的检查系统，其中软件包括对于特征部的每个的标准化到摄像机的最佳平面的视野的设计参数，且软件将特征部的设计参数与特征部的实际参数进行比较。
10.根据权利要求9所述的检查系统，其中软件确定以参考点为参考的在坐标系上的实际参数和设计参数的位置。
11.根据权利要求9所述的检查系统，其中参数包括位置和形状。
12.根据权利要求1所述的检查系统，其中软件确定如从最佳平面可见的围绕每个特征部的外周的多个点，以限定形状；确定形状的形心；将相对于参考点的坐标位置分配到形心；和将坐标位置与对于形状的设计坐标位置进行比较。
13.根据权利要求1所述的检查系统，其中物体包括用于燃气涡轮发动机的叶片，且特征部包括位于叶片的面上的冷却孔。
14.一种用于确定物体上的多个特征部的位置的方法，该方法包括在固定物中定位物体，使得固定物与物体在特定的安放点处匹配；定位在固定物上相对于安放点且在物体的最佳平面内的参考点；沿物体的最佳平面定位摄像机，使得摄像机具有在最佳平面内的多个特征部和参考点的视野；拍摄物体的视频图像，视频图像包括多个特征部和参考点；进行视频图像的软件分析以确定多个特征部相对于参考点的实际位置。
15.根据权利要求14所述的方法，且进一步包括在物体处照射光源的步骤，以产生物体和特征部之间的对比度。
16.根据权利要求14所述的方法，其中最佳平面包括相对于物体的外部的平面，其中物体的外部上的多个特征部从单一的有利点可见。
17.根据权利要求16所述的方法，其中摄像机固定在单一有利点处，使得摄像机从已知的定向观察特征部和参考点。
18.根据权利要求14所述的方法，其中定位参考点的步骤包括将固定物内的圆形孔定位在平行于最佳平面的平面内。
19.根据权利要求14所述的方法，且进一步包括将对于特征部的每个的实际位置与其标准化到摄像机的最佳平面视野内的设计位置进行比较的步骤。
20.根据权利要求14所述的系统，且进一步包括确定如从最佳平面可见的围绕每个特征部的外周的多个点，以限定形状；确定形状的形心；将相对于参考点的坐标位置分配到形心；和将坐标位置与对于形状的参考坐标位置比较。
21.根据权利要求14所述的方法，其中物体包括用于燃气涡轮发动机的叶片且特征部包括位于叶片的面上的冷却孔。
22.根据权利要求14所述的方法，其中软件分析确定了每个特征部的形状，用于与特征部的设计形状进行比较。
全文摘要
用于确定物体外部上的多个特征部的位置的检查系统包括固定物、摄像机、计算机和软件。固定物固定物体且包括多个安放点，用于与物体外部上的特定位置匹配，固定物还包括位于相对于安放点的特定位置且在物体的最佳平面内的参考点。摄像机定位为垂直于物体的最佳平面且获得多个特征部和参考点的视频成像。计算机与摄像机通信且收集视频成像。软件基于视频成像确定了特征部相对于参考点的实际参数。
文档编号G01C11/00GK101051001SQ20071009207
公开日2007年10月10日 申请日期2007年4月6日 优先权日2006年4月7日
发明者J·M·库南凯尔 申请人:联合工艺公司