专利名称：用于内部特征重构的方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明一般来说涉及用于非破坏性检查的方法和系统，更加具体地说，本发明涉及用于重构一个目标的内部特征的非破坏性检查的方法和系统。
背景技术：
逆向工程在产品设计和制造中是一种重要的处理方法。与传统的产品设计不同，逆向工程主要致力于把物理模型转变为工程设计概念或数字模型。一个典型的逆向工程过程包括4个主要的步骤。第一步是测量内部和外部特征这两者，获得物理部件的数字表示。在获得这些数据后，需要进行数据的后处理，后处理包括登记来自不同测量系统或观察方向的数据、检测并消除不相干因素、滤除噪声、和平滑检查数据。根据处理过的数据提取几何特征。最后，根据提取的几何表示，产生实际的模型。
因为测量数据的精度直接影响最终模型的质量，所以重要的是选择正确的测量方法和建立有效的测量策略。要获得一个物理部件的数字表示，可以有各种各样的方法，接触方法和非接触方法。接触方法的精度高，但繁琐耗时。非接触方法通常比接触方法快得多。非接触方法如光学方法广泛用于测量外部特征。
测量一个机械部件的外部特征的方法有许多。坐标测量设备(CMM)、激光扫描仪、或者其它的光学测量方法都适用于获得这样的信息。但是由于内部结构的不可接近性，测量部件的内部结构是极其困难的。当前，主要使用两种广泛使用的方法来测量内部结构。一种是破坏性方法，包括先将部件一片一片地切开，然后测量每一片以确定内部特征；另一种方法是非破坏性方法，使用非破坏性技术(如工业上计算机控制的层析X射线摄影(CT)设备)来测量所说的部件。这两种方法都有缺点。破坏性方法先使部件变形而后才能进行测量，并且不能获取详细的内部结构。此外，这个部件不能重复使用，并且涉及繁重的劳动强度。虽然CT是一种非破坏性的测量方法，但它的测量误差很大(大多数系统中大于5密耳)，这种低的精度可导致最终模型的不精确。
因此期望，使用非破坏性方法的高精度方法测量内部结构。
发明内容
简单地说，按照本发明的一个方面，重构部件20的内部表面几何形状10的方法包括配准部件的厚度图30与部件20的外部表面数据40。厚度图具有一系列厚度数据32。使用厚度图30和外部表面数据40产生内部表面数据12，以便重构内部表面几何形状。
按照本发明的另一个实施例，重构部件20的内部表面几何形状10的检查方法包括获得部件20的外部表面数据40、使用成像仪50收集部件20的图像序列、从这个图像序列产生部件的厚度图30。厚度图30包括多个厚度数据32。将厚度图30与外部表面数据40配准，使用厚度图30和外部表面数据40产生一组内部表面数据12。
按照本发明的下一个实施例，重构部件20的内部表面几何形状10的检查系统90包括具有已知几何条件和已知尺寸的人工参照物(artifact)60。固定装置58相对于部件定位这个人工参照物，成像仪50获得部件和人工参照物的厚度数据30。
当参照附图阅读下面的详细描述时，本发明的这些和其它特征、方面、和优点都将变得更好理解，在所有的附图中相同的符号代表相同的部件，其中图1是使用厚度图和外部表面数据重构内部表面几何形状的示意表示；图2示意图地表示用于重构一个部件的内部表面几何形状的设备；图3是一个典型的部件、基座、固定装置、和人工参照物的透视图；图4表示一个典型的人工参照物的多个视图；图5表示用于部件和人工参照物的典型厚度图；图6表示部件的典型外部表面数据和人工参照物的典型外部表面数据，人工参照物的厚度数据投影在它的外部表面数据上；和图7表示人工参照物的按最佳的方式拟合到它的外部表面数据上的厚度数据，部件的厚度图与它的外部表面数据配准。
具体实施例方式
图1中表示的是用于重构与一个部件20(如涡轮机的叶片)的内腔对应的内部表面几何形状10的方法实施例的示意图。对于来自代表部件上具体位置的部件20的厚度的厚度图30的信息和代表部件20的外部表面断面分布的外部表面数据40的信息进行组合，以产生部件的内部表面几何形状10。在一般情况下，厚度图是代表部件上特定位置的厚度的一组厚度数据32的元素。配准厚度图30与外部表面数据40，要求在二者之间准确地配准，从而才能得到一组内部表面数据元素12，在逻辑上对于内部表面数据12进行安排，使其可代表重构的内部表面几何形状10。
如这里所用的，术语“外部表面数据“意指代表一个物理目标的表面断面分布的数据，因此是3维的(3D)。在典型情况下，外部表面数据可以是一种数字格式，所说的数字格式或者从接触方法或者从非接触断面分布产生方法中获得，并且形成物理目标的数字表示。外部表面数据可使用多种方法得到，其中包括例如光学测量、激光扫描、坐标测量设备(CMM)的测量，期望所有这些技术都可在这里使用。这些和其它的测量系统包括接触式探针、点扫描仪、线扫描仪、区域扫描仪。外部表面数据还可以从CAD或者有关物理目标的其它类似的信息中获得。
出于这里讨论的需要，目标的“厚度“指的是中空的或者半中空的目标的范围内的前壁厚度或者表面厚度。如这里所用的，前壁指的是面对用来收集目标的热图像的成像仪的目标的壁，下面参照附图2讨论所说的前壁。如这里所用的，术语“厚度数据“指的是代表物理目标在特定位置的厚度的数据。在这里可能要说明的是，厚度数据在本质上是两维的(2D)。进而，一组厚度数据的逻辑组合用于形成代表物理目标的厚度的2维厚度图。在一般情况下，从非破坏性方法的内部成像技术，如其中的热成像技术，可以按照数字格式获得厚度数据，因此可获得厚度图。热成像采用的根据是固体的表面温度代表通过固体的热流量。热成像技术之一是红外(IR)成像，它观察目标的表面温度变化，以便收集有关它的内部结构的信息。使用高功率闪光灯(例如，由芝加哥I11的Speedotron公司制造的)、卤素灯、或弧光灯在短的时间周期内提供材料表面的能源。在所说的表面吸收来自这些灯的能量，热量以一定的速率通过所说的材料传递，所说的速率与所说材料的热性质相关联。出于这里的讨论的需要，所说的“灯”将被认为包括用于照射目标的能源，例如其中包括闪光灯、卤素灯、弧光灯。红外照相机俘获在采样表面上温度随时间的衰减，并且从这个信息可以确定目标的厚度、材料的性质、和某种缺陷的存在。虽然这些实例涉及的是用于产生厚度数据的红外热成像，但这里还可期望使用其它的技术，如超声、计算机控制的断层X射线摄影。
如这里所用的，术语“配准”指的是，来自厚度图的对应数据元素与物理目标的外部表面数据的一一对应的映射关系。配准过程导致物理目标的内部几何形状的重构。
现在参照附图2，描述内部特征重构系统90的实施例。具有一定内部几何形状10的部件20与一个人工参照物60一起定位，从而使人工参照物60和部件20具有一个固定的位置关系。使用一组灯48如8个高功率灯在短的时间周期照射部件20和人工参照物60的表面。把具有座标80的成像仪50定位成面对部件20和人工参照物60，以收集所说的部件和人工参照物的热图像。成像仪50在一般情况下是红外照相机，红外照相机随后捕获部件20和人工参照物60的热图像。对于图2的典型实施例，灯48和成像仪50与一个照相机和灯的控制模块34进行电连接，所说的控制模块34用于控制闪光灯点火和成像仪操作。对于这个典型的实施例，照相机和灯控制模块34向计算机36提供热图像序列，对于计算机进行配置，使其可通过处理这些热图像产生厚度数据32。计算机36例如还从外部表面数据监视器54或者从CAD(计算机辅助设计)图接收外部表面数据40。这里可以认为，通过成像仪50可以获得对应于部件20和人工参照物60这两者的厚度数据32，因此，最终的厚度图30包括与部件20和人工参照物60对应的区域，这些区域分别被称之为厚度图30的部件区82和人工参照物区84，下面还要参照附图5-7对此进行详细讨论。
如这里所用的，术语“计算机“意指可响应于特殊的一组指令进行编程的设备。大多数计算机在一般情况下包括能使计算机存储(至少是暂时存储)数据和程序的存储器、使计算机能永久性保存大量数据的大规模存储装置(通用的大规模存储装置包括光盘驱动器和磁带驱动器)、可将数据和指令输入计算机的输入设备(如键盘和鼠标)、使人们可以看见计算机已经实现的操作的显示器(如显示器、显示屏、打印机、或其它设备)、和中央处理单元(CPU)，是执行指令的部件。
对于图2的典型实施例，计算机36与照相机、灯控制模块34和外部表面数据监视器54进行电耦合。对于计算机36进行配置，使其可从厚度数据32产生厚度图30并且使厚度图30与外部表面数据40配准以产生部件20的内部表面数据12，以便重构内部几何形状10。对于计算机36还要进行配置，使其可以将厚度图30的人工参照物区外插到一个3维的点云(point cloud)中，并且最佳拟合3维的点云到人工参照物的外部表面数据42上，并且产生一个坐标变换矩阵。外部表面数据发生器54如以上所讨论的可以包括坐标测量设备(CMM)、激光扫描仪、光测量仪或者其它光学测量仪器。进而，在本发明的某些实施例中，可以在计算机36内包括照相机和灯控制模块34。此外，系统90可以包括一个固定装置，在图2中没有表示出固定装置，但下面要参照附图3对于固定装置进行讨论。
图3是按照本发明的一个实施例的部件20和人工参照物60的安排的透视图。在图3中表示出成像仪(在图3中未示出)的坐标系统80。通过一个(意指至少一个)固定装置58定位人工参照物60和部件20，使二者成一定的关系。典型的固定装置58是一个刚性的机械结构，它能够在部件20和人工参照物60之间维持基本上固定的位置关系。例如，人工参照物60可以安装在固定装置58上，固定装置58可以沿基座56在一个方向上自由移动，而部件20安装在基座56上。一旦在部件和人工参照物之间确定一个合适的位置，就使用锁紧装置46限制固定装置58的移动。这种方法还可以称之为准确固定方法。然而，还可以使用其它的方法来维持人工参照物和部件之间的固定的位置关系，这样的方法都在本发明的范围之内。
图4在不同的视图中表示出一个典型的人工参照物60。人工参照物60具有至少一个台阶62，台阶62是大体上平面的表面并且形成人工参照物的一个面。人工参照物60还具有至少一个楔形68，楔形68是大体上平面的表面并且与台阶62成一个角度相交。人工参照物60还包括一个腔室，如在人工参照物60中的一个孔70。在图4中所示的典型人工参照物60具有两个台阶62、72，它们形成彼此相对的基本上平行的两个面。两个楔形68、78与台阶62、72成一个角度相交或横断相交，两个楔形68、78彼此大体上垂直相交。然而，在这里还可以期望使用两个楔形之间的其它的相关配置。图中表示出在人工参照物上的两个点74(x1、y1)和76(x2、y2)，这两点的对应的厚度示为t1和t2。孔70是一个通孔，它的轴(未示出)大体上垂直于台阶面62、72。孔70用于对齐人工参照物60与成像仪。借助于精密加工，人工参照物60可以有众所周知的几何形状，从这个众所周知的几何形状可以获得用于人工参照物60的几何数据。按照另一种方式，在人工参照物60的几何形状未知的情况下，通过在人工参照物上进行测量可以获得人工参照物的几何数据。显然，人工参照物的几何数据包括它的外部表面数据42。出于这里讨论的需要，术语人工参照物“几何数据”和“人工参照物60的外部表面数据”可以交换使用。
下面参照附图2和3描述用于重构部件20的内部表面几何形状的一种典型的方法。如图3所示，例如，对于人工参照物60进行定位，使其相对于部件20有一定的取向。在部件20上选择一个基准点64(一个基准特征)。对于图3的典型实施例，使用前面讨论过的精密固定装置将人工参照物60固定到部件20上，以此方式限制人工参照物60和部件20(和此后的基准点)之间的相对移动。此外，对于这个典型实施例，使用孔70配准人工参照物60的前视图，使其垂直于成像仪50的光轴。按照更加具体的实施例，利用面向成像仪50的台阶62定位人工参照物60，还要具体地，成像仪50的观察线垂直于人工参照物的台阶62的面。该方法进一步还包括基本上精确地测量人工参照物60相对于基准点64的位置24。在另一些实施例中，如果固定装置58已知，则人工参照物60相对于部件20的取向就是已知的。可以使用本领域中众所周知的各种各样的测量设备进行这种测量，例如使用表面板和度盘式测量仪表、坐标测量设备(CMM)、或光学扫描仪。
更加具体地说，用于重构部件20的内部表面几何形状的典型方法包括使用成像仪50收集部件20和人工参照物60的一个图像序列并且从这个图像序列产生部件20和人工参照物60的厚度图30。在收集图像时，人工参照物60相对于部件20的取向保持基本不变。进而，当人工参照物60相对于部件20的取向已知时，人工参照物60相对于成像仪50的坐标系80的取向提供出部件20相对于成像仪50的坐标系80的取向。
在本发明的另外一些实施例中，可以引入与以上所述的人工参照物和基准点类似的附加的人工参照物和基准点，或者可以在不同的取向重新定位同一个人工参照物，以便利于从不同的角度的成像，如以下所述。
如以上所讨论的，图2的装置是经过精确确定的。而且，用于重构如图2所示的部件20的内部表面几何形状的典型方法包括先照射部件20和人工参照物60而后再收集图像序列。对于这人典型实施例，成像仪50是红外(IR)照相机50，厚度图30是一个红外厚度图。例如，可以使用灯48作为热源来照射部件20和人工参照物60。在一般情况下，能量是在一个短的时间周期提供的，如在0.001-0.010秒的时间周期内提供，能量是在部件和人工参照物的表面被吸收的。加热部件和人工参照物的其它装置也在本发明的范围内。成像仪50获得采样表面的温度随时间的衰减，从这个信息可以确定样品的厚度、材料的性质、和某种缺陷的存在。更加具体地说，要记录形成一个图像序列的数百个图像，在某些情况下需要2000个图像左右，才能反映出热瞬变过程的历史情况。图像序列中的每个图像获得在部件或人工参照物的表面上每个可见点的温度衰减过程，其中所说的衰减过程(在其它因素当中)还取决于部件或者人工参照物的内部结构。可以针对部件20的一系列视图来收集图像序列，从而可以覆盖整个部件20。此外，为了改变视图，可以在新的位置使用另外的人工参照物60，部件20(或者成像仪50)可以相对于成像仪(或者部件)移动。按照另一种方式，同一个人工参照物60可移动到新的位置，部件/成像仪相对于成像仪/部件移动。有益地，通过获得不同视图的图像序列，可建立基本上完整的部件覆盖区。分析图像序列，可提供部件或人工参照物的子结构的厚度信息。
使用已知的技术从图像序列中可产生厚度图30。在图5中表示的是典型的厚度数据32一组点(x、y)和在对应的点的相应的厚度。厚度数据32的逻辑同化作用可产生如图5所示的部件20和人工参照物60的厚度图30。
如以上所述的，从外部表面数据监视器54可获得部件20的外部表面数据40。人工参照物42的外部表面数据可从几何数据已知，或者按照另一种方式可使用外部表面数据监视器54获得。有益的作法是，典型的方法使用部件和人工参照物的厚度图和外部表面数据、以及有关它们的对应的取向的知识来重构部件20的内部表面几何形状。
按照更加具体地的实施例，从以下的人工参照物获得一个坐标变换矩阵。
如图6所示，从2维的厚度图30的人工参照物区84、和人工参照物的3维外部表面数据42，可获得人工参照物的一个3维的点云86。这一过程是通过沿垂直于代表人工参照物60的表面的2维平面的一个平面的厚度距离、外插厚度图84的2维点得以实现的，这是因为成像仪50的取向垂直于人工参照物60的前平面(台阶62)的缘故。将这样获得的人工参照物的3维点云彩6映射到人工参照物的已精确知道的3维几何数据(其中包括它的外部表面数据42)上，如图7所示。针对点云86与人工参照物的外部表面数据42的最佳拟合点，确定坐标变换矩阵。在概念上，坐标变换矩阵使得精确的外部表面数据(从人工参照物的几何数据获得的)与通过实验获得的人工参照物的点云86有关。具体来说，坐标变换矩阵由一系列数组成，它们是一个方程的系数，这个方程与人工参照物的实验数据86坐标系和在人工参照物的已知几何数据中使用的坐标系之间的平动和转动的变化有关，从而当将这个坐标变换矩阵应用到部件的点云82中的每一点时，将使每一点都发生移动，从而使每一点重新取向，进入成像仪系统的坐标系的正确位置(最佳拟合)。这样，就精确地配准了部件的厚度图82与它的外部表面数据。可以使用多种方法在数学上实现最佳拟合。一种典型的方法是基于诸如ICP(迭代最近点)算法之类的算法，这种算法使用了点云到点云的配准。这样的方法需要在两个点云上识别共用区，因此可能是耗时的和困难的。基于最小二乘法最小化的另一种配准方法避免识别共用区，并且还可以使用局部最佳化问题。这个另一种配准方法包括大致配准点云86和几何数据、对于人工参照物点云86中的每一点投影到几何数据的最近表面、寻找它的对应的投影点。
厚度图30中人工参照物的2维点云区84和人工参照物的外部表面数据42之间的坐标变换与部件的2维点云区82和部件的外部表面数据40之间的坐标变换是相同的。因此，最好使用这样获得的坐标变换矩阵来重新定向厚度图30的部件区82的平面，更加具体地说，部件区82精确地定位到部件20的外部表面数据40。一旦定向，对应于部件区82的厚度数据元素就投影到部件表面。然后，按照在厚度图30中配准的厚度值，外插厚度数据元素82。这将产生部件20的3维内部表面数据12，这个内部表面数据12代表了它的内部特征。对于这样获得的3维内部表面数据12进行逻辑同化处理，以得到部件的内部表面几何形状10。
虽然这里只表示并描述了本发明的某些特征，但是对于本领域的普通技术人员来说，许多改进和变化都可能发生。因此，应该理解，所附的权利要求书旨在覆盖落在本发明的真正构思内的所有的这种改进和变化。
部件列表10内部表面几何形状12内部表面数据20要检查的部件24人工参照物的定位30厚度图32厚度数据34照相机和灯的控制模块
36计算机40部件的外部表面数据42人工参照物的一系列外部表面数据48一组灯50成像仪54外部表面数据监视器56用于固定部件的基座58固定装置60人工参照物62人工参照物的台阶表面64基准点68人工参照物的楔形表面70人工参照物中的孔72人工参照物的台阶表面78人工参照物的楔形表面80成像仪的坐标系82厚度图的部件区84厚度图的人工参照物区86人工参照物的一个3维的点云88来自部件区的由部件外部表面投影的厚度值90检查系统
权利要求
1.一种重构部件(20)的内部表面几何形状(10)的方法，所说方法包括使部件的厚度图(30)与部件的一系列外部表面数据(40)配准，厚度图包括一系列厚度数据(32)；使用厚度图(30)和外部表面数据(40)产生一系列内部表面数据(12)。
2.如权利要求1的方法，进一步还包括收集部件(20)的一个图像序列；和从所说的图像序列产生部件的厚度图(30)，其中所说的收集和产生是在所说的配准之前进行的。
3.如权利要求2的方法，进一步还包括相对于所说部件(20)定向至少一个人工参照物(60)；和确定人工参照物(60)相对于成像仪(50)的坐标系(80)的取向，其中所说的图像包括部件(20)和人工参照物(60)的图像，其中使用成像仪收集图像序列，并且其中在所说的收集步骤期间，人工参照物相对于部件的取向基本上保持不变。
4.如权利要求3的方法，其中人工参照物具有已知的几何形状。
5.如权利要求3的方法，其中人工参照物(60)相对于成像仪(50)的坐标系(80)的取向提供出部件(20)相对于成像仪(50)的坐标系(80)的取向，并且其中所说的配准包括使用部件相对于成像仪的坐标系的取向使厚度数据(32)与对应的外部表面数据(40)配准。
6.如权利要求5的方法，进一步还包括从图像序列产生人工参照物(60)的人工参照物厚度图(35)，其中确定人工参照物相对于成像仪(50)的坐标系(80)的取向包括使用人工参照物的厚度图和人工参照物的一系列外部表面数据(42)。
7.如权利要求5的方法，其中所说的确定至少一个人工参照物(60)中的每一个的取向还包括在部件上选择至少一个基准点(64)；和在至少一个基准点上将人工参照物固定到部件(20)上。
8.如权利要求7的方法，进一步还包括确定人工参照物(60)相对于至少一个基准点(64)中的每一个的位置(24)，其中所说的确定要针对至少一个人工参照物(60)中的每一个进行。
9.如权利要求8的方法，其中所说的确定位置(24)包括将人工参照物安装在固定装置(58)上以提供精确固定。
10.如权利要求8的方法，其中所说的确定位置(24)还包括测量人工参照物(60)相对于至少一个基准点(64)中的每一个的位置。
11.如权利要求7的方法，其中至少一个人工参照物(60)中的每一个包括至少一个台阶(62)，台阶(62)包括一个基本上平面的表面并且形成人工参照物的一个对应的面；和至少一个楔形(68)，楔形(68)是一个基本上平面的表面并形成人工参照物的一个对应的面，其中至少一个楔形中的每一个与至少一个台阶的相应一个台阶成一个角度相交。
12.如权利要求11的方法，其中至少一个人工参照物(60)中的每一个还包括至少一个孔(70)，并且其中所说的方法进一步还包括使用所说的至少一个孔使人工参照物与成像仪(50)对齐。
13.如权利要求11的方法，其中利用面向成像仪(50)的至少一个台阶(62)之一定位人工参照物(60)。
14.如权利要求5的方法，其中成像仪(50)包括红外(IR)照相机(50)，所说的方法还包括先照射部件(20)和人工参照物(60)，而后再收集图像序列，其中厚度图(30)是红外厚度图。
15.如权利要求14的方法，其中所说的照射包括闪光照射部件(20)和人工参照物(60)。
16.如权利要求5的方法，其中所说的收集包括收集部件(20)的多个视图的图像。
全文摘要
一种重构部件(20)的内部表面几何形状(10)的方法，包括配准部件的厚度图(30)与部件(20)的外部表面数据(40)。厚度图具有一系列厚度数据(32)。使用厚度图(30)和外部表面数据(40)产生内部表面数据(12)，以便重构内部表面几何形状。
文档编号G01B11/24GK1603836SQ200410085199
公开日2005年4月6日 申请日期2004年9月30日 优先权日2003年9月30日
发明者K·G·哈丁, A·B·F·雷贝洛, D·R·霍瓦德 申请人:通用电气公司