專利名稱：分析和識別制造零件中的缺陷的系統及方法
技術領域：
一般來講，本發明涉及制造和檢測系統，更具體來講，涉及用于分析和識別制造零件中的瑕疵或缺陷的系統和方法。
背景技術：
用于制造零件的無損評估(NDE)技術和過程正朝著數據捕獲、圖像檢測、審查和存檔方面的全數字基礎發展。這些檢測的主要目的是識別零件中的缺陷或瑕疵。檢測能夠根據檢測到的缺陷的數量及嚴重性來判定是否對零件進行接受、修理、返工或丟棄。數字檢測器的靈敏度和動態范圍已經允許檢測和定位以前通過膠片射線照相無法檢測的缺陷。工業檢測中多個圖像檢測的快速處理能力以及源和檢測器的精確設置已經實現在零件表面橫向以10微米的精度定位多個缺陷。
傳統的缺陷檢測系統不能以自動、精確且可再現的方式把射線照片上標識的缺陷坐標轉換為實際的物理零件。相反，這類系統要求二維可視圖像與三維零件的人工疊加，這由于完全依賴操作者的判斷而極易出錯。在從不同參考點進行多次檢測的復雜零件的情況下，這種影響更為嚴重。
希望能夠使數字圖像上的定位指示向物理部分的轉換自動化，并且通過結合了設計、制造、檢測、維護及返工階段的全數字框架來進行這種操作。
發明內容
簡言之，在本發明的一個方面，一種用于識別被檢測零件中的缺陷的系統和方法包括生成該零件的三維表示，這種三維表示包括對應于零件上不同位置的三維空間坐標，并且使三維空間坐標與被檢測零件的對應位置對齊。生成被檢測零件的圖像，以及從生成圖像中標識被檢測零件中的缺陷。缺陷的位置與相應的三維空間坐標相關，以及控制某個裝置利用相應三維空間坐標的信息在缺陷位置上對被檢測零件執行操作。
通過以下結合附圖對優選實施例的詳細說明，本發明的其它特征、方面和優點將會非常明顯。
圖1是符合本發明的圖像形成設備的結構圖。
圖2是符合本發明、用于分析和識別制造零件中的缺陷的過程的流程圖。
圖3是符合本發明的坐標轉換過程的流程圖。
圖4是符合本發明的避免碰撞過程的流程圖。
具體實施例方式
圖1是符合本發明的自動零件分析系統的框圖。如圖1所示，該系統包括系統控制單元10、檢測器控制單元20以及操作控制單元30。顯示器15連接到系統控制單元10。檢測器25和源30連接到檢測器控制單元20。操作工具45連接到操作控制單元50。該系統還包括支撐零件40的平臺35。
系統控制單元10可以實現為工作站，如PC或服務器。系統控制單元10最好包括CPU、主存儲器、ROM、存儲裝置以及通信接口，它們都經由總線連接在一起。CPU可以實現為單微處理器或者實現為多處理系統的多處理器。主存儲器最好采用RAM和小型高速緩存來實現。ROM是非易失性存儲器，并且可以實現為例如EPROM或NVRAM。存儲裝置可以是硬盤驅動器或者其它任何類型的非易失性可寫存儲器。
用于系統控制單元10的通信接口提供連接到檢測器控制單元20、平臺35和操作控制單元50的雙向數據通信。這些元件可以通過直線連接或無線鏈接直接連接到系統控制單元10或者例如通過服務器間接連接到系統控制單元10。在任何這種實現中，通信接口發送和接收電、電磁或光信號，這些信號攜帶表示不同類型信息的數字數據流，在連接的元件之間進行收發。
檢測器控制單元20可包括工作站，通過與系統控制單元10相同的方式實現。檢測器控制單元20還可包括微控制器。檢測器控制單元20控制檢測器25和源30的定位及操作。用于控制檢測器25和源30的定位及操作的信號可通過檢測器控制單元20上的用戶的指示或者經由從系統控制單元10所發送的信號來提供。
對于特定的旋轉位置和軸向高度，零件40最初設置在平臺35的中央、在對齊位置上或在等效的對齊位置上或者對齊坐標上。零件40以下列方式放置零件模型的三維空間坐標被映射到被檢測零件40的相應位置，包括旋轉定向映射。例如可通過把零件40上的基準標志與平臺35上的參考標志對齊進行定位。也可以讓零件40本身與掃描零件40上的基準標志的激光對齊，并自動旋轉和轉換模型，以便把被檢測零件40與三維模型對齊。定位使零件40能夠以相同定向被取下和放回原位以進行后續處理，并且提供一種機制以獲得零件模型(下面進行描述)與被檢測零件40之間的明確相關性。在檢測的坐標系與分析系統中的零件模型的映射實現零件40的數字模型與檢測器25和源30所生成的實際零件40的數字圖像數據之間的數據合成。這實現檢測、分析、注釋和返工過程的流線化。
實現檢測器25和源30以生成零件40的二維(2D)圖像。檢測器25和源30可配置成產生例如X光圖像、超聲圖像、渦流圖像或紅外圖像。雖然表示為獨立元件，但檢測器25和源30可實現為單個元件，取決于要執行的成像類型。
在檢測器25和源30產生圖像之前，檢測器控制單元20對它們進行定位，以便從特定有利位置生成零件40的圖像。可通過送往檢測器控制單元20以標識把檢測器25和源30定位在在什么位置的輸入信號來進行定位。或者，檢測器25和源30可人工定位。當檢測器25和源30位于指定位置時，對零件40生成圖像，以及表示該圖像的二維數字數據經由檢測器控制單元20提供給系統控制單元10。除了提供圖像數據之外，檢測器控制單元20還可向系統控制單元10提供表示生成圖像時檢測器25和源30的位置的位置數據。系統控制單元10可在顯示器15上顯示生成圖像。顯示器15可實現為例如CRT、等離子或TFT監視器。
除了定位檢測器25和源30以生成零件40的圖像之外，平臺35還可調整為改變零件40相對于檢測器25和源30的位置。平臺35的位置控制可通過從系統控制單元10所提供的信號來控制，或者平臺35可人工定位。平臺35可通過多種不同方式來移動零件40，這些方式包括例如繞平臺35的中心軸旋轉零件40或者沿垂直軸上或下移動零件40。與檢測器25和源30一樣，平臺35的位置信息可提供到系統控制單元10。在檢測器25、源30和平臺35的位置信息之間，系統控制單元10具有足夠的數據在生成圖像中確定零件40的準確定向。
通過在顯示器15上顯示的零件40的圖像，用戶可分析和檢測該圖像，以便確定在圖像所示的零件的部分是否存在任何缺陷或受關注特征。缺陷可能是例如不完全焊接、焊接中熔合不足、夾雜物、砂眼、溶蝕區、裂縫或鉚釘、螺釘或其它可能損害零件40的結構完整性或強度的成分。缺陷部分取決于零件40的類型。零件40可以是裝置或機器的多種不同元件中的任一種。例如，零件40可以是噴氣式引擎的外殼或汽缸、風車葉片、鑄件、鑄造電路板或者其它任何元件，檢測器25為此所生成的圖像可有助于識別需要歸檔、檢驗和/或校正的缺陷。
如果用戶識別到零件40中的缺陷，用戶可直接在顯示器15上指明缺陷的位置，例如通過定點設備或者使用戶能夠標識圖像中缺陷的準確位置的其它位置選擇裝置。圖像中的缺陷的位置對應于像素坐標，像素坐標可轉換為對其生成圖像的零件40上的實際位置。把像素坐標轉換為零件40的缺陷的實際位置的能力使用戶能夠在缺陷位置上對零件40執行操作。
根據缺陷的類型，用戶可指導對零件40執行操作。操作可以是例如標記零件中缺陷的位置、修理缺陷、為缺陷著色、磨削缺陷或者可根據精確定位缺陷的能力和/或以自動方式執行的其它功能。
可在操作控制單元50的控制下，由操作工具45來執行操作。操作控制單元50可包括工作站，通過與系統控制單元10相同的方式實現，以及還可包括微控制器。操作控制單元50響應來自系統控制單元10的信號來控制操作工具45在缺陷位置上對零件40執行操作。操作工具45根據要執行的操作類型，可具有各種可變配置。例如，操作工具45可具有標記工具、著色工具、磨削工具、修理工具或用于執行特定操作的其它某種工具部分。此外，根據零件40在平臺35上的位置信息以及用戶標識為缺陷位置的像素坐標，操作控制單元50能夠把操作工具45精確地指引到零件40上的缺陷位置，并在缺陷位置上執行操作。
圖2是符合本發明、用于分析和識別制造零件中的缺陷的過程的流程圖。結合圖1的自動零件分析系統來描述圖2的過程。本領域的技術人員應該理解，圖1的系統的配置和實現只是執行圖2的過程的示范。還應該理解，其它系統配置和實現對于執行圖2的過程也是可行的。
如圖2所示，用戶首先創建所制造的零件40的CAD圖像(步驟202)。可利用能夠精確地表示零件40的任何數量的可用CAD應用程序來創建CAD圖像。還可以利用具有與CAD應用程序相似或等效功能的繪圖應用程序。繪圖應用程序可在系統控制單元上或者在用戶能夠準備繪圖的工作站或PC上實現。如上所述，零件40可以是例如噴氣式引擎的外殼或汽缸、風車葉片、鑄件、電路板或者其它任何元件，檢測器25為此所生成的圖像可有助于識別需要歸檔和/或校正的缺陷。為了準備零件40的完整表示，CAD或繪圖應用程序可包括來自各種有利位置的多個制圖或圖像。
然后，CAD圖像被變換為零件40的三維(3D)表示(步驟204)。零件40的三維表示包括與包含零件40的暴露面在內的零件40的不同位置對應的一系列三維空間坐標。CAD應用程序本身最好是包括用于把CAD圖像變換為三維表示的變換函數。例如，CAD應用程序可把CAD圖像變換為STL格式，即一種眾所周知的三維格式。到三維表示的變換最好被進行到符合預期比例的分辨率，以便定位零件40上的缺陷。除STL以外的其它三維格式也是可選的。
包含零件40的對應三維空間坐標的三維表示可以存儲在存儲器、如硬盤驅動器或非易失型存儲器中供以后參考。存儲器可以在系統控制部分10中實現，或者在系統控制部分10可存取的某個位置中實現。三維表示坐標設置為匹配平臺35上的零件對齊坐標，使得三維表示的三維空間坐標匹配實際零件40的對應位置。
通過零件40的三維表示被生成、存儲以及與被檢測的零件40的位置對齊，可生成被檢測零件40的二維數字圖像(步驟206)。為了生成二維數字圖像，用戶可通過系統控制單元10控制檢測器控制單元20和平臺35，把零件40、檢測器25以及源30設置到特定位置，以便以特定定向生成二維數字圖像。更具體來講，用戶可在系統控制單元10上輸入指令，用于生成零件40的特定定向的圖像，它們由檢測器控制單元20和平臺35進行解釋，從而正確地定位檢測器25、源30和零件40。也能夠讓用戶人工定位這些組件。
例如，可生成一個以上圖像，以便表示零件40的各種定向和視圖。為了以下說明，僅描述一個二維圖像的分析。但是，應該理解，用于分析和應用所述一個二維圖像的過程適用于所生成的零件40的各二維圖像。如上所述，二維圖像可以是例如X光圖像、超聲圖像、渦流圖像或紅外圖像。
零件40的二維圖像以及足以確定零件40在圖像中的定向和位置的位置信息被提供給系統控制單元10，系統控制單元10在顯示器15上顯示該圖像(步驟208)。用戶可檢測和分析所顯示圖像，從而識別零件40中的任何缺陷(步驟210)。為了設定已標識缺陷的位置，用戶可通過定點設備，把指針、光標或圖標移動到缺陷位置，并點擊那個位置將其標記為缺陷。還能夠讓顯示器15對類似觸摸屏的觸摸進行響應，其中用戶利用例如用于PDA的觸摸元件來標記缺陷位置。缺陷位置對應于圖像的特定像素坐標。這個像素坐標可用來標識零件40上的缺陷的具體物理位置。
除了標記零件40上的缺陷位置之外，用戶還可在缺陷位置上標識要執行的特定操作(步驟212)。例如，用戶可選擇讓操作工具45標記零件40上的缺陷位置，對缺陷位置著色，在缺陷位置上執行磨削操作，修理缺陷或者其它操作。所選的特定操作可取決于缺陷類型、其嚴重性、缺陷的實際位置以及操作工具的功能。用戶可例如從顯示器15上所顯示的可能操作的菜單中選擇要執行哪個操作。
為了在零件40的缺陷位置執行操作，進行到對應于零件40的實際物理位置的三維空間坐標的變換以識別在圖像上標識的缺陷位置(步驟214)。該變換可包括進行一系列旋轉以及從圖像上所標識的缺陷位置到對應于零件40的實際物理位置的三維空間坐標的轉換。變換可由系統控制單元10執行。例如，系統控制單元10可包括處理單元，該處理單元配置成根據對應的像素坐標、檢測器25、傳感器30和零件40的位置信息、從實際零件40的成像分別創建的零件40的三維表示，把已標識缺陷位置轉換成零件40上的實際物理位置。
圖3是符合本發明的坐標轉換過程的流程圖。圖3的過程還提供關于如何把已標識缺陷位置轉換成零件40上的缺陷的實際物理位置的詳細情況。如圖3所示，用戶首先在所選圖像上選擇缺陷位置(步驟302)。對缺陷位置的選擇根據上述步驟210進行。
響應對缺陷位置的選擇，標識像素坐標(步驟304)。缺陷位置對應于圖像的特定像素坐標。這個像素坐標可用來標識零件40上的缺陷的具體物理位置。像素坐標可表示為圖像中的特定像素的行和列值。
然后，已標識像素坐標被轉換成對應的檢測器坐標(步驟306)。檢測器坐標對應于檢測器25上的特定位置。檢測器坐標可表示為檢測器25上相對于檢測器25的中心的特定位置。例如，檢測器25可定義為處于全局Y-Z平面，以及檢測器25的中心可定義為Y-Z平面的原點，X方向是從檢測器25的原點延伸的法線。在此定義中，檢測器坐標對應于Y-Z平面中的特定Y-Z坐標。可作為與原點的距離(如英寸)而不是作為像素來檢測Y-Z坐標。
可根據檢測器坐標來確定零件40的三維空間坐標(步驟308)。零件40的三維空間坐標對應于正檢測的實際零件40上的缺陷位置。利用檢測器坐標，可根據檢測器25的位置、源30的位置、零件40在由檢測器25進行成像時的位置、以及從零件40的CAD表示所產生的零件40的三維表示，來確定三維空間坐標。除了利用位置信息和三維表示之外，零件40和三維表示還可包括可識別標志，以便幫助使三維表示與零件40對齊，以及確保所確定的三維空間坐標更精確地對應于零件40上的缺陷位置。實際零件40上的缺陷的坐標位于連接已經被標記的檢測器25的像素與源30的線上。此線對應于視線矢量，下面會更詳細地描述。
回到圖3，已經確定對應于零件40上的缺陷的特定位置的三維空間坐標之后，控制操作工具45在零件40的缺陷位置上執行標識操作(步驟216)。系統控制單元10通過標識要執行的操作的信息和三維空間坐標向操作控制單元50發送信號。對這些信號進行響應，操作控制單元45在操作控制單元50的控制下對零件40上的缺陷的實際位置執行標識操作。如上所述，該操作可以例如在缺陷位置上設置可識別標志、修理缺陷、對缺陷著色、對它進行磨削或者可對零件40執行符合操作工具45的功能的其它某種操作。
根據零件40的形狀，操作工具45可能需要調整它接近零件40以便在缺陷位置上執行操作的方式。圖4是符合本發明的避免碰撞過程的流程圖。避免碰撞過程是用于查找讓操作工具45接近零件40表面的安全路徑的迭代過程。
如圖4所示，首先確定交叉點(步驟402)。交叉點對應于確定為零件40上的缺陷的實際位置的三維空間坐標。根據圖2的過程確定此三維空間坐標。根據交叉點，設置接近矢量(步驟404)。接近矢量最初可設置成對應于表面上的任何矢量。例如，它可設置成交叉點上的表面法線。初始接近矢量用作標識某個矢量的初次嘗試，讓操作工具45接近零件40的缺陷位置而沒有撞擊或碰撞零件40的其它某個部分。
在設置初始接近矢量之后，進行檢查以確定在余隙區域內是否存在零件40的任何三維空間坐標(步驟406)。余隙區域對應于環繞讓操作工具45到達缺陷位置而沒有受到零件40的另一部分阻擋所需的交叉點法線的最小空間數量。余隙區域被指定為任意形狀、如圓柱體的三維體積。構成該體積，以及在此體積中執行零件40任何三維空間坐標的查找。三維體積、如圓柱體的大小對應于將在缺陷位置附近操作的操作工具45的部分的大小。
在余隙區域中進行搜索之后，確定在余隙區域中是否存在零件40的三維空間坐標其中之一(步驟408)。如果不存在，則接受接近矢量的當前設定(步驟412)。然后，接受的接近矢量可用來使操作工具45到達缺陷位置，并執行適當操作。
但是，如果在余隙區域存在零件40的一個或多個三維空間坐標，則調整接近矢量(步驟410)。余隙區域中存在的各三維空間坐標對應于當操作工具45接近缺陷位置時可能導致與其碰撞的故障點。計算并存儲故障點在極向和方位向的定向以便以后使用。作為調整接近矢量的初次嘗試，確定視線矢量。地點線矢量對應于檢測器25與零件表面上的交叉點之間的無障礙線性路徑。由于為了射線照相和紅外線，曝光被設置為使源30、檢測器25以及圖像中受關注區域之間的材料數量為最少，因此這種地點線矢量通常避開可能導致故障的點。在把接近矢量調整到對應于視線矢量之后，再次執行步驟406和408以確定在余隙區域中是否存在任何零件坐標，這是相對于視線矢量重新計算的。如果沒有發現任何碰撞點，則接受視線矢量作為操作工具45的安全通路。
如果利用視線矢量作為接近矢量在余隙區域中發現零件坐標，則再次調整接近矢量。首先，相對于環繞初始表面法線或者視線矢量的交叉點計算余隙區域中各坐標的角定向。定向由極角(□)和方位角(□)來規定。對處于余隙區域內的全部坐標的方位分布進行分析。選擇最接近對應于方位角(□)的余角，該余角是相對可能導致碰撞的坐標在方位上旋轉180度的方位角(□)。接近矢量(即表面法線或視線矢量)在極(□)向上被旋轉某個小角度、如20度，然后在方位向上被旋轉到處于余隙區域內的坐標。已經旋轉接近矢量之后，重復步驟406和408，其中根據已旋轉接近矢量重新計算余隙區域。如果在余隙區域中沒有任何零件坐標，則接受已旋轉接近矢量。如果仍然存在零件坐標，則通過改變極角和方位角其中之一或者兩者來嘗試調整接近矢量，直到余隙區域中不存在任何零件坐標。最后，如果無法確定任何安全通路，則向用戶報告錯誤。
本發明的優選實施例的以上描述是為了說明和描述而提供的。它不是詳盡的說明也不是將本發明限制在所公開的精確形式上，根據上述理論的各種修改和變更都是可行的，或者可以從本發明的實踐中獲得。選擇并描述了這些實施例，以便說明本發明的原理，以及作為實際應用，使本領域的技術人員能夠在各種實施例中以及通過適合所考慮的特定應用的各種修改來運用本發明。本發明的范圍由本文所附的權利要求書及其等效物定義。
權利要求
1.一種用于識別被檢測零件中的缺陷的方法，包括生成所述零件的三維表示，所述三維表示包括對應于所述零件上的不同位置的三維坐標(204)；使所述三維空間坐標與被檢測零件的對應位置對齊(204)；生成所述被檢測零件的圖像(206)；從所述生成圖像識別所述被檢測零件的缺陷(210)；把所述缺陷的位置與對應的三維空間坐標相關(214)；控制裝置利用所述對應三維空間坐標的信息在所述缺陷位置上對所述被檢測零件執行操作(216)。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于還包括在顯示裝置上顯示所述生成圖像(208)；以及響應所述顯示裝置上的已標識位置而接收所述缺陷位置的指示(210)。
3.如權利要求1所述的方法，其特征在于還包括接收所述裝置要對所述被檢測零件執行哪種操作的指示(212)，其中所述裝置對所述被檢測零件執行的所述操作對應于所述接收指示，所述操作為標記和修理其中之一。
4.如權利要求1所述的方法，其特征在于還包括設置初始接近矢量，讓所述裝置接觸所述被檢測零件并對其執行所述操作(404)；確定在所述初始接近矢量附近的余隙區域中是否存在所述被檢測零件的任何表面點(406，408)；以及如果在所述余隙區域中不存在任何表面點，則接受所述初始接近矢量作為所述接近矢量，用于把所述裝置移動到所述被檢測零件(412)。
5.如權利要求4所述的方法，其特征在于所述識別步驟還包括如果在所述余隙區域中存在至少一個表面點，則調整所述初始接近矢量(410)；確定在所述已調整接近矢量附近的余隙區域中是否存在所述被檢測零件的任何表面點(406，408)；以及如果在所述余隙區域中不存在任何表面點，則接受所述已調整接近矢量作為所述接近矢量，用于把所述裝置移動到所述被檢測零件(412)。
6.一種用于識別被檢測零件中的缺陷的零件分析系統，包括存儲所述零件(40)的三維表示的存儲單元，所述三維表示包括對應于所述零件(40)上的不同位置的三維空間坐標；生成所述被檢測零件(40)的圖像的成像裝置(20，25，30)；連接到所述成像裝置(20，25，30)和所述存儲單元的系統控制單元(10)，所述系統控制單元(10)包括處理器和存儲器，所述存儲器包含由所述處理器運行的多個指令，所述多個指令配置成使所述三維空間坐標與所述被檢測零件的對應位置對齊(204)，接收來自所述成像裝置的所述生成圖像(206)，接收標識所述被檢測零件中的缺陷的指示(210)，以及把所述缺陷的位置與所述零件的所述三維表示中的對應三維空間坐標相關(214)；連接到所述系統控制單元(10)的操作工具(45)，它根據所述系統控制單元(10)所關聯的所述對應三維空間坐標在所述缺陷位置上對所述被檢測零件(40)執行操作。
7.如權利要求6所述的零件分析系統，其特征在于還包括顯示所述生成圖像的顯示裝置(15)；以及響應用戶輸入而在所述顯示裝置(15)上標識所述缺陷的位置的缺陷標識單元(10)。
8.如權利要求6所述的零件分析系統，其特征在于，所述系統控制單元(10)的所述存儲器包括指令，所述指令配置成接收所述操作工具(45)要對所述被檢測零件(40)執行哪種操作的指示(212)，其中所述操作工具(45)對所述被檢測零件執行的所述操作對應于所述所接收指示，以及所述操作為標記和修理其中之一。
9.如權利要求6所述的零件分析系統，其特征在于，所述系統控制單元(10)的所述存儲器還包括配置成進行以下操作的指令設置初始接近矢量，讓所述操作工具(45)接觸所述被檢測零件(40)并對其執行所述操作(404)；確定在所述初始接近矢量附近的余隙區域中是否存在所述被檢測零件(40)的任何表面點(406，408)；以及如果在所述余隙區域中不存在任何表面點，則接受所述初始接近矢量作為所述接近矢量，用于把所述操作工具(45)移動到所述被檢測零件(40)(412)。
10.如權利要求9所述的零件分析系統，其特征在于，所述系統控制單元(10)的所述存儲器還包括配置成進行以下操作的指令如果在所述余隙區域中存在至少一個表面點，則調整所述初始接近矢量(410)；確定在所述已調整接近矢量附近的余隙區域中是否存在所述被檢測零件(40)的任何表面點(406，408)；以及如果在所述余隙區域中不存在任何表面點，則接受所述已調整接近矢量作為所述接近矢量，用于把所述操作工具(45)移動到所述被檢測零件(40)(412)。
全文摘要
一種用于識別被檢測零件中的缺陷的系統和方法包括生成該零件的三維表示，這種三維表示包括對應于零件上不同位置的三維空間坐標，并且使三維空間坐標與被檢測零件的對應位置對齊。生成被檢測零件的圖像，以及從生成圖像中識別被檢測零件中的缺陷。缺陷的位置與相應的三維空間坐標相關，以及控制某個裝置利用相應三維空間坐標的信息在缺陷位置上對被檢測零件執行操作。
文檔編號G01N21/88GK1576829SQ20041006363
公開日2005年2月9日 申請日期2004年7月9日 優先權日2003年7月9日
發明者S·T·尚卡拉帕, G·A·莫爾, M·S·迪內斯, B·W·拉休克, R·C·麥克法蘭, E·L·迪克松 申請人:通用電氣公司