针对具有复杂几何形状的物体使用3D成像和表面减影方法测量热障涂层的厚度

技术领域

本公开内容的实施方式大致涉及确定三维(three-dimensional；3D)物体涂层的厚度。更特别地，本公开内容的实施方式涉及确定用于暴露于腐蚀性环境的涡轮机叶片和其他部件的保护涂层的厚度。

背景技术

航空部件，包括涡轮机轮叶和叶片，由镍和钴基超合金制成。在发动机操作期间的超合金保护采用多个层，包括稳定氧化皮，所述稳定氧化皮是致密的，所述稳定氧化皮附着到部件的一个或多个表面，并且在高达1900℃的高温下是稳定的。各种阻挡涂层，包括热障涂层(thermal barrier coating；TBC)，可用于抑制航空部件的氧化和腐蚀。采用各种材料来形成这些耐腐蚀涂层，诸如自然地生长的氧化物，其包括用于热腐蚀保护的Cr

因此，本领域中仍需要用非破坏性成像方法来测量3D物体的涂层厚度。

发明内容

在一个实施方式中，提供了一种确定物体涂层的厚度的方法。所述方法包括在具有至少一个图像传感器系统的非破坏性测量装置中，将物体的未涂覆表面定位在至少一个图像传感器系统的视场中。物体具有一个或多个表面。在不化学地或物理地改变物体的一个或多个表面的情况下，采集未涂覆表面的第一3D图像。第一3D图像与未涂覆表面的第一表面轮廓相对应。将物体的涂覆表面定位在至少一个图像传感器系统的视场中。在不化学地或物理地改变物体的一个或多个表面的情况下，采集涂覆表面的第二3D图像。第二3D图像与涂覆表面的第二表面轮廓相对应。分析第一3D图像和第二3D图像。

在另一个实施方式中，提供了一种确定物体涂层的厚度的方法。所述方法包括在具有至少一个图像传感器系统的非破坏性测量装置中，将物体的表面定位在至少一个图像传感器系统的视场中。物体具有一个或多个表面，并且所述表面具有未涂覆部分和涂覆部分。在不化学地或物理地改变物体的一个或多个表面的情况下，采集所述表面的3D图像。3D图像与未涂覆部分的第一表面轮廓和涂覆部分的第二表面轮廓相对应。分析3D图像。

在又一个实施方式中，提供了一种非破坏性测量装置。所述非破坏性测量装置包括：主体；平台组件，所述平台组件设置在主体中，所述平台组件具有被配置为保持物体的平台和坐标网格；图像传感器组件，所述图像传感器组件设置在主体中；对准机构，所述对准机构设置在主体中；和控制器。一个或多个图像传感器系统中的每一个具有照明单元、一个或多个图像传感器和快速响应(QR)码读取器。对准机构是可操作的以将物体对准至坐标网格上的对准位置。对准位置与物体的QR码相对应。控制器耦接到平台组件、图像传感器组件和对准机构。控制器与涂覆系统对接，并且经由涂覆系统的系统控制器控制与涂覆系统的自动化集成。控制器被配置为指示一个或多个图像传感器系统采集物体的一个或多个表面的一个或多个3D图像，分析一个或多个3D图像以获得物体的涂层的厚度。

附图说明

为了可详细地理解本公开内容的上述特征的方式，可参考实施方式来获得上文简要地概述的本公开内容的更详细的描述，所述实施方式中的一些示于附图中。然而，应注意，附图仅示出了示例性实施方式，并且因此不应视为对其范围的限制，因为附图可允许其他等效实施方式。

图1是根据实施方式的具有至少一个集成的非破坏性测量装置的涂覆系统的示意图。

图2A是根据实施方式的非破坏性测量装置的示意性横截面图。

图2B是根据实施方式的非破坏性测量装置的示意性俯视图。

图2C是根据实施方式的图像传感器系统的示意图。

图3是根据实施方式的用于确定3D物体的涂层厚度的非破坏性测量方法的子方法的流程图。

图4是根据实施方式的用于确定3D物体的涂层厚度的非破坏性测量方法的子方法的流程图。

图5是用于确定3D物体的涂层厚度的方法的流程图。

为了便于理解，已经尽可能地使用相同的附图标记标示各图共有的相同元件。设想的是，一个实施方式的元件和特征可有益地并入其他实施方式，而无需进一步叙述。

具体实施方式

本文中描述的实施方式涉及一种用于确定三维(3D)物体的涂层厚度的非破坏性测量装置和非破坏性测量方法。

图1是具有至少一个集成的非破坏性测量装置102的涂覆系统100的示意图。另外地，非破坏性测量装置102可被提供为未附接至系统100并远离系统100的独立装置。系统100和集成的非破坏性测量装置102用于涂覆3D物体并通过非破坏性成像方法测量3D物体上的涂层厚度。应理解，下文描述的系统是示例性系统，并且其他系统(包括来自其他制造商的系统)可与本公开内容的方面一起使用，或者被修改以完成本公开内容的方面。系统100包括耦接到传送腔室106的一个或多个非破坏性测量装置102以及涂覆模块104中的一个或多个。在可与本文中描述的其他实施方式组合的一个实施方式中，系统100包括耦接到传送腔室106的一个或多个处理模块108。一个或多个涂覆模块104适于涂覆3D物体。在可与本文中描述的其他实施方式组合的一个实施方式中，3D物体包括航空部件，诸如涡轮机轮叶和叶片。在可与本文中描述的其他实施方式组合的另一个实施方式中，涂层是阻挡涂层，诸如热障涂层(TBC)。一个或多个处理模块适于处理3D物体和类似者。传送腔室106容纳传送机构110，传送机构110用于在测量装置102、涂覆模块104和处理模块108之间传送3D物体。

系统控制器112耦接到并控制系统100的每个模块和测量装置102。通常，系统控制器112可使用对系统100的模块和测量装置102的直接控制，或替代地通过控制与这些模块和测量装置102相关联的计算机来控制系统100的操作的所有方面。此外，系统控制器112与关联于测量装置102的控制器208(图2A中示出)对接。控制器208经由系统控制器112控制与系统100的自动化集成。例如，可由系统控制器控制传送机构110的移动、向(和从)测量装置102和涂覆模块104传送3D物体、执行处理序列、协调测量装置102的操作等。

在操作中，系统控制器112使得来自每个模块和测量装置102能够进行反馈以优化3D物体吞吐量。系统控制器112包括中央处理单元(CPU)114、存储器116和支持电路118。CPU114可为可用于工业环境中的任何形式的通用计算机处理器中的一种。支持电路118常规地耦接到CPU 114，并且可包括高速缓存、时钟电路、输入/输出子系统、电源等。当由CPU 114执行时，软件例程将CPU变换成专用计算机(控制器)。软件例程也可由远离测量装置102定位的第二控制器(未示出)存储和/或执行。

图2A是测量装置102的示意性横截面图。图2B是测量装置102的示意性俯视图。图2C是图像传感器系统212的示意图。在可与本文中描述的其他实施方式组合的一个实施方式中，测量装置102用于测量3D物体的涂层厚度的非破坏性方法。测量装置102包括主体200、平台组件202、图像传感器组件204、对准机构206和控制器208。平台组件202包括被配置为保持物体101的平台210。在可与本文中描述的其他实施方式组合的一个实施方式中，物体101是三维(3D)物体。在可与本文中描述的其他实施方式组合的另一个实施方式中，平台210是测角(goniometric)平台和/或光学平台。平台210被配置为使物体101围绕平台210的x轴、y轴和z轴中的至少一者旋转，以相对于图像传感器组件204的一个或多个图像传感器系统212定位物体101的表面103中的一个或多个。平台210包括致动器222，致动器222使平台210在测量位置(如图所示)与传送位置之间移动。致动器222有助于通过穿过主体200形成并可被门226密封的开口224向测量装置102传送物体和从测量装置102传送物体。在可与本文中描述的其他实施方式组合的一个实施方式中，致动器222是可操作的以使物体101围绕平台210的x轴、y轴和z轴中的至少一个旋转。平台210包括设置在所述平台上的坐标网格214。坐标网格214用于测量本文中描述的3D物体的涂层厚度的非破坏性方法。

控制器208耦接到平台组件202、一个或多个图像传感器系统212和对准机构206。控制器208包括中央处理单元(CPU)216、存储器218和支持电路(或I/O)220。CPU 216是在工业环境中使用来控制各种处理和硬件(例如，测角仪、电动机和其他硬件)和/或监测处理(例如，处理时间和物体101位置)的任一形式的计算机处理器。存储器218连接到CPU 216。存储器218是容易获得的存储器中的一个或多个，诸如随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、软盘、硬盘或任何其他形式的数字存储装置(本地或远程)。软件指令和数据被编码并存储在存储器218内来对CPU 216作指示。支持电路220也连接到CPU 216来以常规的方式支持处理器。支持电路包括常规的高速缓存、电源、时钟电路、输入/输出电路、子系统和类似者。可称为成像程序的程序(或计算机指令)可由控制器读取，确定在物体101上可执行哪些任务。程序是可由控制器读取的软件，并且包括代码以监测和控制例如处理时间和物体101位置。在可与本文中描述的其他实施方式组合的一个实施方式中，存储器218包括：图像获取软件、图像分析软件、图像编号软件以确定物体101的位置和取向；具有零件编号和图像信息的数据库，每个编号与物体101相对应并且每个图像信息与该零件编号的物体101相对应；和/或输出物体101的厚度和/或物体101的一个或多个表面103的软件。

图像传感器组件204包括图像传感器系统212。在可与本文中描述的其他实施方式组合的一个实施方式中，图像传感器组件204包括一个或多个图像传感器系统212中的每一个，图像传感器系统212位于朝向物体101的一个或多个表面103中的表面取向(即，面向图像传感器系统212的视场211)的固定位置处。因此，本文中描述的非破坏性成像方法不需要平台210的旋转和一个或多个图像传感器系统212的移动。在可与本文中描述的其他实施方式组合的另一个实施方式中，成像传感器组件204仅包括一个图像传感器系统212，并且利用平台210的旋转将一个或多个表面103中的每一个定位在朝向图像传感器系统212的取向上。在可与本文中描述的其他实施方式组合的又一个实施方式中，如图所示，一个或多个图像传感器系统212是可操作的以朝向一个或多个表面103中的每一个取向。例如，一个或多个图像传感器系统212与设置在主体200中并围绕平台210的圆周231的轨道228耦接。在可与本文中描述的其他实施方式组合的一个实施方式中，轨道228是导轨或缆线。一个或多个图像传感器系统212中的每一个包括致动器230，致动器230使一个或多个图像传感器系统212沿着轨道228围绕平台210的圆周231移动。

在可与本文中描述的其他实施方式组合的本文中描述的实施方式中，利用系统100来涂覆多个3D物体，并且利用至少一个非破坏性测量装置102来测量多个3D物体中的每一个的涂层厚度。多个3D物体包括不同的多个3D物体，并且对准机构206是可操作的以将不同的多个3D物体中的每一类多个3D物体中的每个3D物体定位在平台210上的基本上相同的位置。从基本上相同的位置测量不同的多个3D物体中的每一类多个3D物体中的每个3D物体的涂层厚度允许不同多个3D物体中的每一类多个3D物体中的每个3D物体的局部坐标在基本上相同的位置。在可与本文中描述的其他实施方式组合的一个实施方式中，对准机构206包括致动臂机构232和夹持器234。致动臂机构232和夹持器234允许对准机构206在平台210上抓取物体101，并通过将物体101定位在平台210的坐标网格214的对准位置236处来将物体101对准。

参考图1，具有一个或多个集成的非破坏性测量装置102的系统100可与非破坏性测量方法500一起用于确定3D物体的涂层厚度。利用系统100涂覆多个3D物体，并且利用至少一个非破坏性测量装置102测量多个3D物体中的每一个的涂层厚度。例如，在第一测量装置中测量多个3D物体中的一个的未涂覆3D物体，并且在一个或多个集成非破坏性测量装置102的第二测量装置中测量多个3D物体中的一个的涂覆3D物体。同时，在涂覆模块104中的一个或多个中涂覆3D物体。系统控制器112控制传送机构110的移动、向测量装置102和涂覆模块104传送3D物体和从测量装置102和涂覆模块104传送3D物体，并且与控制器208对接以执行方法500。

图像传感器系统212包括照明单元201和一个或多个图像传感器203。在可与本文中描述的其他实施方式组合的一个实施方式中，一个或多个图像传感器203是相机。在第一配置(也称为飞行时间配置)中，照明单元201被配置为在不化学地或物理地改变物体101的一个或多个表面103的情况下将一个或多个光脉冲(诸如红外光)投射在物体101的一个或多个表面103上。耦接到具有定时机构的控制器208的一个或多个图像传感器203中的每一个确定一个或多个光脉冲从物体101的一个或多个表面103到一个或多个图像传感器203中的每一个的飞行时间。确定一个或多个光脉冲从物体101的一个或多个表面103到一个或多个图像传感器203中的每一个的飞行时间允许确定一个或多个表面103在z轴207上的z轴位置(z

在第二配置(也称为结构光配置)中，照明单元201被配置为在不化学地或物理地改变物体101的一个或多个表面103的情况下将条纹图案投射在物体101的一个或多个表面103上。光束从一个或多个表面103反射离开，并且一个或多个图像由一个或多个图像传感器203采集。一个或多个图像传感器203中的每一个具有视场211。在由一个或多个图像传感器203采集的一个或多个图像中所捕获的光束之间的距离允许确定一个或多个表面103在z轴207上的z轴位置(z

如图2C所示，物体101的表面103具有至少一个局部坐标213。每个局部坐标213包括在x轴205上的x位置(x

图3是用于确定3D物体的涂层厚度的非破坏性测量方法500的子方法300的流程图。在可与本文中描述的其他实施方式组合的一个实施方式中，测量装置102用于子方法300。在操作301处，由QR读取器215读取未涂覆物体101的QR码217，并且在平台210上将其对准至与QR码217相对应的对准位置236处。在可选的操作302处，图像传感器系统212确定物体101的第一未涂覆表面的每个局部坐标213的z轴位置。在操作303处，由图像传感器系统212采集物体101的第一未涂覆表面的3D图像。在操作304处，对预定数量的未涂覆表面重复可选的操作302和操作303。在可与本文中描述的其他实施方式组合的一个实施方式中，图像传感器组件204包括一个或多个图像传感器系统212中的每一个，图像传感器系统212位于面向物体101的一个或多个表面103中的表面的固定位置。因此，无需旋转物体101就可确定z轴位置并采集3D图像。在可与本文中描述的其他实施方式组合的其他实施方式中，由平台210旋转物体101和/或使一个或多个图像传感器系统212围绕平台210的圆周231移动。在操作305处，将未涂覆物体101从平台210移除并对其进行涂覆。在操作306处，对涂覆物体101重复操作301至304。

图4是用于确定3D物体的涂层厚度的非破坏性测量方法500的子方法400的流程图。在可与本文中描述的其他实施方式组合的一个实施方式中，测量装置102用于子方法400。在操作401处，由QR读取器215读取物体101的QR码217，并且在平台210上将其对准至与QR码217相对应的对准位置236处。物体101包括一个或多个表面103。在可选的操作402处，图像传感器系统212确定一个或多个表面的每个局部坐标213的z轴位置。在操作403处，采集一个或多个表面103中的每一个的3D图像。在可与本文中描述的其他实施方式组合的一个实施方式中，一个或多个表面103中的至少一个表面是未涂覆的，并且一个或多个表面中的至少一个表面是涂覆的。在可与本文中描述的其他实施方式组合的另一个实施方式中，一个或多个表面103中的至少一个表面具有涂覆部分和未涂覆部分。在可与本文中描述的其他实施方式组合的一个实施方式中，图像传感器组件204包括一个或多个图像传感器系统212中的每一个，图像传感器系统212位于面向物体101的一个或多个表面103的固定位置。因此，无需旋转物体101就可确定z轴位置并采集3D图像。在可与本文中描述的其他实施方式组合的其他实施方式中，由平台210旋转物体101和/或使一个或多个图像传感器系统212围绕平台210的圆周231移动。

图5是用于确定3D物体的涂层厚度的方法500的流程图。在可与本文中描述的其他实施方式组合的一个实施方式中，测量装置102用于方法500。在操作501处，执行子方法300和子方法400中的一个以采集一个或多个3D图像。在可与本文中描述的其他实施方式组合的一个实施方式中，执行子方法300和子方法400中的一个以采集物体101的未涂覆表面的至少一个第一3D图像和物体101的涂覆表面的至少一个第二3D图像。在所述实施方式中，未涂覆表面和涂覆表面对应于物体101的一个或多个表面103的相同表面。在可与本文中描述的其他实施方式组合的另一个实施方式中，子方法400采集具有未涂覆部分和涂覆部分的表面的至少一个第一3D图像。第一3D图像包括第一3D图像的表面在z轴207上的z轴位置(z

在可选的操作502处，对一个或多个3D图像在z轴207上进行镜像处理。经镜像处理的一个或多个3D图像与表面轮廓相对应。在可与本文中描述的其他实施方式组合的一个实施方式中，对第一3D图像在z轴207上进行镜像处理，使得经镜像处理的3D图像与未涂覆表面的第一表面轮廓相对应。在可与本文中描述的其他实施方式组合的另一个实施方式中，对第一3D图像在z轴207上进行镜像处理，使得经镜像处理的第一3D图像与表面的未涂覆部分的第一表面轮廓和涂覆部分的第二表面轮廓相对应。经镜像处理的第二3D图像与涂层表面的第二表面轮廓相对应。在操作503处，移除一个或多个3D图像的异常值。在可与本文中描述的其他实施方式组合的一个实施方式中，移除第一3D图像和第二3D图像的异常值。在可选的操作504处，选择一个或多个3D图像的区域以用于操作505至507。在可与本文中描述的其他实施方式组合的一个实施方式中，选择第一3D图像和第二3D图像以用于操作505至507。在操作505处，对一个或多个3D图像进行滤波。在可与本文中描述的其他实施方式组合的一个实施方式中，对第一3D图像和第二3D图像进行滤波。在可与本文中描述的其他实施方式组合的一个实施方式中，利用高斯滤波器对第一3D图像和第二3D图像进行滤波。对第一3D图像和第二3D图像进行滤波可移除图像噪声和表面粗糙度中的一个。

在可选的操作506处，重叠一个或多个3D图像。在可与本文中描述的其他实施方式组合的一个实施方式中，第一3D图像和第二3D图像被重叠。当第一3D图像包括未涂覆部分和涂覆部分时，由于未采集第二3D图像，因此不必重叠第一3D图像和第二3D图像。在操作507处，减去一个或多个图像的表面轮廓。在可与本文中描述的其他实施方式组合的一个实施方式中，从第一表面轮廓减去第二表面轮廓以获得涂层的厚度。在可选的操作508处，重复操作502至507。在可与本文中描述的其他实施方式组合的一个实施方式中，对通过子方法300和子方法400中的一者所采集的至少一个后续第一3D图像和至少一个后续第二3D图像重复操作502至507。在可与本文中描述的其他实施方式组合的另一个实施方式中，重复操作501至508以采集附加表面的一个或多个3D图像并对其进行分析。

综上，提供了一种用于确定三维(3D)物体的涂层厚度的非破坏性测量装置和非破坏性测量方法。在图像传感器系统的飞行时间配置和结构光配置之外进一步利用非破坏性图像采集方法允许在不化学地或物理地改变物体的一个或多个表面的情况下确定3D物体的涂层厚度。

尽管前述内容针对的是本公开内容的示例，但在不脱离本公开内容的基本范围的情况下，可设想本公开内容的其他和进一步示例，并且本公开内容的范围由所附权利要求书确定。