JP2005103644A - 立体視誘導レーザ穿設システム - Google Patents

Abstract

【課題】部品内への孔のレーザ穿設を支援する方法と、部品内に孔をレーザ穿設する装置が提供される。
【解決手段】方法は、レーザ１に装着したカメラ３５を配設するステップと、目標孔１８を第１の位置に配設するステップと、カメラ３５を用いて第１の位置において目標孔１８の第１の像を撮像するステップと、目標孔１８を第２の位置へ移動させ、目標孔１８の第２の像を撮像するステップと、計算した穿設位置を用いて目標孔１８をレーザ穿設するように第１の像と第２の像から目標孔１８の穿設位置を計算するステップとを含む。部品１５内に孔をレーザ穿設する装置１３は、レーザ１と、目標孔１８と、レーザ１に装着されて第１の位置における部品１５上の目標孔１８の第１の像と第２の位置における目標孔１８の第２の像とを撮像するカメラ３５と、第１の像と第２の像から目標孔１８の穿設位置を計算する手段１２とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、立体視誘導レーザ穿設工程を用いて冷却孔を配置して仕上げ穿設する装置と、このように使用する方法とに関する。

タービンブレード／ベーン製造工程では、部品を先ず精密鋳造し、続いてレーザ穿設或いは放電加工（ＥＤＭ；ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ ｍａｃｈｉｎｉｎｇ）のいずれかにより冷却孔を組み込んでいた。部品鋳造時に冷却孔を鋳造する方法は、向上した品質と精度と共に工程簡略化の利点をもたらす。加えて、直接的にレーザ穿孔やＥＤＭを行うのが困難である、複雑なディフューザや計量部構造を有する成形非円筒状孔等の複雑な冷却孔機構は、この工程によって鋳込むことができる。しかしながら、高精密鋳造工程でさえ鋳造工程の限界（冷え止まりや中子ずれやスラグ形成等）が故に完璧な孔構造を完全に鋳造することはできない。これらの限界が部分的鋳造孔を生み出し、孔構造の頂部の大半は完璧に鋳造されるが、孔構造の底部は破片やスラグにより閉じるか閉塞される。

計算機支援断層撮影（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ−ａｉｄｅｄ Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ）を用いるＣＡＴＳＣＡＮ（ＣＡＴスキャン）システムは、部品の被走査スライスをもたらすことができ、非常に密接した走査を採用することで部品の内側と外側の輪郭を構築できるが、これは必要な精度にて走査するには過度に長い時間を必要とし、個別放射チャンバもまた必要とする。進化中のＱＭＰ（水晶微小探針）システムは、孔を精密に配置することができるが、大まかな位置を事前に知っておかねばならない。また、ＱＭＰは長時間を要し、レーザ加工機のベッド（ｌａｓｅｒ ｍａｃｈｉｎｅ ｂｅｄ）に搭載することはできない。構造化光技術を含む三次元機械視認（ｍａｃｈｉｎｅ ｖｉｓｉｏｎ）の代替例は、冷却孔の深さや浅い角度が故に困難であることは証明済みである。それ故、必要とされるのは、関連技術の欠点を克服し、レーザ穿設機傍らのレーザ加工機上に必要とされる必要な精度をもって搭載することのできる装置及びこの装置を用いる方法である。

従って、本発明の一つの目的は、立体視誘導レーザ穿設工程を用いて冷却孔を配置し仕上げ穿設する装置と、このように使用する方法とを提供することにある。

本発明のさらなる目的は、レーザに装着したカメラを配設するステップと、目標孔を第１の位置に配設するステップと、カメラを用いて第１の位置において目標孔の第１の像を撮像するステップと、目標孔を第２の位置へ移動させ、目標孔の第２の像を撮像するステップと、計算した穿設位置を用いて目標孔をレーザ穿設するように第１の像と第２の像から目標孔の穿設位置を計算するステップとを含む、部品内への孔のレーザ穿設を支援する方法を提供することにある。

本発明のさらなる目的は、レーザと、目標孔と、レーザに装着されて第１の位置における部品上の目標孔の第１の像と第２の位置における目標孔の第２の像とを撮像するカメラと、第１の像と第２の像から目標孔の穿設位置を計算する手段とを備える、部品内に孔をレーザ穿設する装置を提供することにある。

本発明のさらなる目的は、部品を撮像する単一のカメラと、部品用の治具であって、カメラが部品の第１の像を撮像することのできる第１の位置とカメラが部品の第２の像を撮像することのできる第２の位置との間を可動とした治具と、第１の像と第２の像から部品上の目標位置を計算する手段とを備える視認システムを提供することにある。

従って、本発明の一つの目的は、立体視誘導レーザ穿設システムにより精密鋳造部品内に部分的鋳込み孔を配置し仕上げ穿設する方法を教示することにある。レーザ穿設加工機に装着し或いは取り付けた視認誘導システムは、各孔の位置を配置し、レーザ穿設機を各孔の位置に誘導してレーザパルスを発させ、部分的に穿設された孔を仕上げ穿設させる。好適な実施形態では、加工部品はタービンブレードであり、孔は成形冷却孔である。「装着される」とは、視認システムがレーザ穿設加工機と協調して移動することを意味する。

ここに記載した実施形態は、所望の画素解像度（最小で０．５メガ画素で、カメラの画素解像度が高くなるほどより精度が得られる）をもった単一のブラック・アンド・ホワイト（Ｂｌａｃｋ ＆ Ｗｈｉｔｅ）のＣＣＤビデオカメラと、パソコンベースのフレームグラバー（ｆｒａｍｅ ｇｒａｂｂｅｒ）を用いることができる。図１を参照するに、本発明の立体視誘導レーザシステムの一実施形態が図示してある。以下により詳しく説明する如く、この単一のカメラ３５は、レーザ穿設システム１３を位置合わせするのに用いる。位置合わせを達成するため、カメラ３５をレーザ穿設システム１３に装着した後、カメラ３５を較正する必要がある。視認システムハードウェアは、一部はカメラ３５で構成されており、概ねレーザ軸線に平行でかつ好ましくは数インチだけオフセットさせてレーザ加工機スライド上に装着するのが好ましい。

制御機構（ｃｏｎｔｒｏｌ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ）１２上で実行されるカメラ較正ルーチンは、透視変換（ｐｅｒｓｐｅｃｔｉｖｅ ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ）と、倍率（ｓｃａｌｉｎｇ ｆａｃｔｏｒ）と、半径方向レンズ歪みと、画像の画素により表わされるカメラ座標系からレーザ穿設機器を操作する三次元空間を備える加工機座標系（ｍａｃｈｉｎｅ ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅ ｓｙｓｔｅｍ）への変換とに対し、カメラを較正する。レーザ穿設システム１３と、カメラ３５と、回転マウントとは、制御機構１２により制御される。好ましくは、制御機構１２は、電子計算駆動部である。制御機構１２は、コンピュータープログラムやアプリケーションを実行することのできる適当なプロセッサをもたせることもでき、さらに記憶媒体１４から電子データを記憶し検索するよう構成した内部メモリをもたせることもできる。

両眼立体視は、若干異なる視点から撮った場面の一対の像から三次元構造を再生する工程である。位置の差が相対的な変位すなわち差異（ｄｉｓｐａｒｉｔｙ）を招き、これが三角測量による奥行きの算出を可能にする。立体視の主要問題の１つに、二つの像内の特徴部の照合がある。一つの目標孔１８上に一度に焦点合わせをさせて既知の方向に動作させることで、本発明では特徴部照合を達成する。通常、二台のカメラが人間の視認と同様の仕方で立体視に必要な一対の像を提供する。しかしながら、本発明では目標孔１８を二つの異なる位置へ移動させることで、単一のカメラ３５を用いて一対の像を得る。この方法は、第二のカメラに対する必要性を取り除く。好適な実施形態では、目標孔１８は、タービンブレードを形成する部品１５に作る。カメラは、装置へ初期組み付けした後に較正し、立体視用に三次元対二次元（３Ｄ−ｔｏ−２Ｄ）の写像をもたらさねばならない。図２を参照するに、カメラ較正に必要な較正目標３９が図示してある。好適な実施形態では、較正目標３９は、既知の位置の黒色方形格子を含む背面照明ガラス板を備える。二次元の複数の既知の位置を提供するどんな較正目標も用いることができる。三次元対二次元の写像を、各方形の各角部に対する計測されたカメラ座標と既知の世界座標（ｗｏｒｌｄ ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅ）の対を用いて生成する。この三次元対二次元の写像は、好ましくは記憶媒体１４に記憶させ、必要に応じて照会することができる。三次元対二次元の写像を用いることで、本発明の立体視アルゴリズムは、異なる視点からの二つの撮影像のそれぞれからの特徴部ごとにカメラ座標を合成し、穿設加工機１３の座標系における特徴部の三次元座標を生成する。この較正は、万が一位置合わせ不良が生じた場合に必要に応じて繰り返せるが、連続動作では必要ではない。

部品１５の目標孔１８等の各特徴部のカメラ座標は、二つの異なる視点における特徴部の二つの像を撮像して処理することで配置する。好適な実施形態では、この部品は二つの視点を生成すべく移動させるが、他の実施形態ではカメラを移動させることができる。本発明は、制御機構１２上で実行される画像処理ソフトウェアを活用し、二つのデジタル化した像それぞれを処理する。画像処理ソフトウェアは、規格化相関手法を用いて一組の様々な大きさの矩形モデルを用いて両方の像を走査する。矩形モデルは、様々なサイズとアスペクト比（ａｓｐｅｃｔ ｒａｔｉｏ）を有する像テンプレートの集合である。この集合には十分に様々な大きさとアスペクト比を含ませ、かくして矩形の孔特徴部に集合内の一つの矩形が常に合致するようにしなければならない。好適な実施形態では、矩形は黒色地をもつ白色である。矩形の特徴部の配置を検出することのできるどんなパターン認識手法も、ここに置き換えることができる。矩形モデルの何れかとの良好な一致が、目標孔１８底部の矩形部分を配置し終えたことを示す。

各像中に二つ以上の孔が存在するケースでは、画像処理ソフトウェアは、定格（ｎｏｍｉｎａｌ）位置に最も近いものを選択する。理想的には、目標孔１８の定格位置は、記憶媒体１４中のＣＡＤファイル等の電子フォーマットにて記憶させてあり、本発明の制御機構１２により検索する。三次元対二次元の写像を用い、目標孔を形成する矩形の各角部からのカメラ座標を実際の目標孔配置の加工機座標へ変換する。次にこれらの角部位置を、角部位置の中間に位置する穿設位置の生成に用いる。カメラとレーザの間の物理的なオフセットを、以下に説明する如く確認し、レーザの定格穿設位置の識別あるいは特定に用いる。

図１を引き続き参照するに、本発明の視認システムを設定する仕方が詳しく説明してある。好適な実施形態では、五軸レーザ１を用い穿設システム１３を形成する。穿設システム１３のレーザ１は好ましくは静止保持し、その一方で部品１５は制御機構１２が誘導する計算機数値制御（ＣＮＣ；ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｃｏｎｔｒｏｌ）の下で移動させる。好ましくは、部品１５は、三つの主要軸方向へ並進させることのできる治具上に装着し、好ましくは二つの回転テーブルを備える回転マウント１７を用いて三つの回転自由度をもたせることができる。この治具が部品１５を操作し、カメラ３５をして異なる視点から部品１５の像を撮ることができるようにする。加工機テーブルに搭載した治具１９が、較正ブロック４１或いは部品１５を担持する治具のいずれかを装着する基準をもたらす。較正ブロック４１が、図３に図示してある。較正ブロック４１は、レーザ穿設システム１３が用いてレーザ軸線４９と該レーザが放射するレーザビームとの位置合わせをもたらす小さなピンホール４７を有する。カメラ３５をレーザ軸線と整列配置し、レーザ穿設システムとカメラの間のオフセットを計算するのに、同じ較正ブロック４１を用いる。較正ブロック４１は、較正目標３９、好ましくは前述した方形格子ブロックを担持するよう設計してある。

図１を参照するに、カメラ３５がレーザ穿設システム１３に装着してある。レーザ１は、較正ブロック４１を用いて位置合わせする。レーザビームは、０．００１インチ直径の位置合わせ孔４７の中心を貫通するよう配置する。次に加工機の定位置（ｈｏｍｅ ｐｏｓｉｔｉｏｎ）を、この位置にリセットする。次に、カメラ較正目標３９を較正ブロックに装着し、ｚ軸を徐々に幾つかの位置へ移動させ、各位置で得られる方形パターン像を処理することで、カメラを較正する。三次元対二次元の写像は、各方形の各角部ごとの計測されたカメラ座標と既知の世界座標の対を用いて生成する。この三次元対二次元の写像は、好ましくは記憶媒体１４上に記憶させ、必要に応じて照会することができる。次に、加工機位置を調整し、これによりカメラ３５をレーザ位置合わせ孔４７の前面に合焦させ、撮像された孔を像内の定格位置におく。

次に、位置合わせ孔を撮像して処理し、位置合わせ孔４７の二次元カメラ座標を割り出す。次に、カメラ３５を約０．１インチだけ変位させ、第２の位置から位置合わせ孔の二次元カメラ座標を取得する。次に立体視アルゴリズムを適用し、記憶媒体１４に記憶させたカメラ較正からのパラメータを用い加工機座標内の位置合わせ孔位置を取得する。次にカメラ３５とレーザホームポジションの間のオフセットを、加工機の複数の軸の値から計算し記録する。

実際の動作では、部品１５は治具に取り付ける。制御機構１２上で動作する定格レーザ穿設プログラムを用い、カメラとレーザの間の予め較正されたオフセットを各定格目標孔１８の穿設位置に加えることで、カメラ前面で各目標孔１８を初期配置する。前述の如く、目標孔の定格部分は電子フォーマット又は設計図に記憶させてあり、検索を行なう。立体視技術を用いることで、視認システムは目標孔の各角部ごとに加工機座標を計算する。次に、これらの結果を用いて穿設座標を計算する。設計図によれば、この位置は、成形ディフューザ目標孔１８の角部の一つに接する角部孔半径（ｃｏｒｎｅｒ ｈｏｌｅ ｒａｄｉｕｓ）の中心にある。穿設座標は、定格孔穿設位置 ± 各目標孔の実際の観察位置に基づき視認システムが計算したオフセット、を含む。視認システムにより全ての目標孔を一旦配置すると、制御機構１２上で実行されるレーザ穿設プログラムは、記憶媒体１４上に記憶させた各プログラム済みレーザ穿設位置から各孔ごとの誤差オフセットを減算することで修正される。次にレーザは、修正されたプログラムを用いて必要量のパルスを発することで各目標孔１８を穿設する。

本発明により、本願明細書において先に記載した目的と手段と効果を完全に満足する立体視誘導レーザ穿設工程を用いて冷却孔を配置し仕上げ穿設する装置と、このように使用する方法とが提供されたことは明白である。本発明はその特定の実施形態の文脈で説明してきたが、前述の説明を読んだ当業者には他の代替例や改変例や変形例が明らかとなろう。従って、添付特許請求の範囲の広義の範囲に包含されるこれらの代替例と改変例と変形例が含まれることを意図するものである。

本発明のレーザ穿設システムの線図である。 本発明の治具及び較正目標を示す図である。 本発明の較正ブロックを示す図である。

符号の説明

１…五軸レーザ
１２…制御機構
１３…レーザ穿設システム
１４…記憶媒体
１５…部品
１７…回転マウント
１８…目標孔
１９…治具
３５…カメラ
３９…較正目標
４１…較正ブロック
４７…ピンホール（位置合わせ孔）
４９…レーザ軸線

Claims (17)

1. カメラを配設するステップと、
   目標孔を第１の位置に配設するステップと、
   前記カメラを用いて前記第１の位置において前記目標孔の第１の像を撮像するステップと、
   前記目標孔を第２の位置へ移動させ、該目標孔の第２の像を撮像するステップと、
   計算した穿設位置を用いて前記目標孔をレーザ穿設するように前記第１の像と前記第２の像から前記目標孔の穿設位置を計算するステップと、
   を含むことを特徴とする、部品内への孔のレーザ穿設を支援する方法。
2. 前記レーザを較正する追加のステップを含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 前記レーザの較正ステップは、
   ピンホールを有する較正ブロックを配設するステップと、
   前記ピンホールにレーザビームを位置合わせするステップと、
   前記レーザの定位置を設定するステップと、
   を含むことを特徴とする請求項２記載の方法。
4. 前記カメラを較正する追加のステップを含むことを特徴とする請求項２記載の方法。
5. 前記カメラの較正ステップは、
   較正ブロックを配設するステップと、
   前記較正ブロック上に較正目標を装着するステップと、
   前記第１の位置と前記第２の位置から前記カメラを用いてｚ軸沿いの複数の位置にて前記較正目標を撮像するステップと、
   前記撮像した較正目標から三次元対二次元の写像を計算するステップと、
   前記三次元対二次元の写像を記憶媒体上に記憶させるステップと、
   を含むことを特徴とする請求項４記載の方法。
6. 前記目標孔の配設ステップは、少なくとも一つの前記目標孔を有する部品の配設を含む ことを特徴とする請求項１記載の方法。
7. 前記目標孔の配設ステップは、少なくとも一つの前記目標孔を有するタービンブレードの配設を含むことを特徴とする請求項６記載の方法。
8. 前記記憶媒体から前記目標孔の定格位置を検索するステップと、
   前記目標孔を前記定格位置へ移動させるステップと、
   をさらに含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
9. 前記目標孔の前記穿設位置の計算ステップは、画像処理ソフトウェアを用いた実際の目標孔位置の配置と、該実際の目標孔位置と前記定格位置との間のオフセットの計算とを含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
10. レーザと、
    前記レーザに装着されて第１の位置における部品上の目標孔の第１の像と第２の位置における前記目標孔の第２の像とを撮像するカメラと、
    前記第１の像と前記第２の像から前記目標孔の穿設位置を計算する手段と、
    を備えることを特徴とする、部品内に孔をレーザ穿設する装置。
11. 前記レーザの定位置を定めるピンホールを有する較正ブロックを追加的に備えることを特徴とする請求項１０記載の装置。
12. 前記目標孔は、タービンブレード内に配置されることを特徴とする請求項１０記載の装置。
13. 前記目標孔の定格位置の抽出を識別する手段を追加的に備えることを特徴とする請求項１０記載の装置。
14. 部品を撮像する単一のカメラと、
    前記部品用の治具であって、前記カメラが前記部品の第１の像を撮像することのできる第１の位置と前記カメラが前記部品の第２の像を撮像することのできる第２の位置との間を可動とした治具と、
    前記第１の像と前記第２の像から前記部品上の目標の位置を計算する手段と、
    を備えることを特徴とする、視認システム。
15. レーザ穿設装置と組み合わせたことを特徴とする請求項１４記載の視認システム。
16. 前記目標は、孔位置であることを特徴とする請求項１５記載の視認システム。
17. 前記孔は、冷却孔であることを特徴とする請求項１６記載の視認システム。

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