CN101641181A - 修复机器组件，例如，涡轮机组叶片或叶盘的叶片的方法 - Google Patents

修复机器组件，例如，涡轮机组叶片或叶盘的叶片的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种使用机械加工从组件已知的形貌(B)修复组件工件(1)的方法，所述组件工件为例如，涡轮机组叶片，该方法包括使用变形方法使形貌(B)发生形变的步骤(32)，从而使发生形变的形貌加入所述组件上测得的点群(A)。使形貌(B)发生形变包括将具有厚度(20)过大或过小的所述组成工件(1)的各个区域与各个以网格部分或点的形式模拟的基本形变结构(EDCs)(5)相比较，所述基本形变结构(EDCs)(5)是编入到数据库(100)中的，数据库(100)将变形函数的参数(101)与各个基本形变结构(EDC)(102)关联。

Description

修复机器组件，例如，涡轮机组叶片或叶盘的叶片的方法
技术领域
本发明涉及修复机器组件，例如，涡轮机组叶片或叶盘(blisks)的叶片的领域。
背景技术
涡轮喷气发动机包括沿其轴旋转的各种转子。这些转子包括圆盘，沿着该圆盘的边缘连接叶片。按照惯例，这些叶片通过其根部固定在用于固定的壳中。为了满足日益严格的发动机性能的要求，目前这些转子可以以一体式部件(single piece)制造。因此，这被称作叶盘(bladed disks)(或blisks)。在叶盘中，叶片和圆盘就构成一个单独的组件。为此，将锻制毛坯加工成圆盘，叶片在圆盘的周围放射状地伸出，所有这些称为一体式部件。还可以将一些部分焊接，得到的叶盘构成一个一体式部件。一体式转子的优点很多，特别是在重量方面。
在使用过程中，叶片经受(腐蚀、磨擦引起的)磨损以及各种撞击导致的严重的损坏(撕裂、毛边(burrs)、破裂等)。因此，叶片的形貌发生改变，从而降低其空气动力学性能。由于叶盘被制成一体式，不可能将用坏的叶片拆下并替换。所以需要对其进行修复以使该叶片恢复适当的空气动力学形貌。
现有技术描述
关于图1，为了修复叶盘的叶片1，需要用用一片完好的材料代替损坏的部分，或者添加材料以填补破损处11。这种添加的材料就是本领域技术人员所公知的“补片(patch)”。将补片2焊接到叶片1的表面，然后对该叶片进行机械加工以恢复其空气动力学形貌。对损坏的组件1进行机械加工是需要技巧的操作，这需要特殊的和具有高度精确的参数机床。特别地，由于在叶盘的使用过程中会发生形变和磨损，待修复的叶盘的几何形状与其原始的几何形状不同。参数的确定一般凭经验进行，并且是很复杂的，因为在将损坏的叶片恢复到其原始形状的同时还要考虑叶盘磨损的平均程度。因此，为了能够修复叶片，了解叶片的原始形状是如何确定的很重要。
计算理论模型
关于图2，以计算机为基础的空气动力学计算21使得确定叶片22的理论模型成为可能。这种空气动力学计算21使得获得被称作空气动力学区的规定高程(水平横断面(section level))的叶片的形貌成为可能。机械设计部门(MDD)将这些空气动力学区转化为贝塞尔(Bezier)曲线，并在空气动力学计算时预先确定的线框体(wireframe volume)。从该线框体中，MDD通过对这些曲线运用数学的贝塞尔元素构建表面体(surface volume)，从而实现按照所需形貌的切线和曲率最大可能的拟合。使用能够处理贝塞尔曲线的任意的计算机辅助设计(CAD)包完成这种构建。这一组元素形成理论网格B。网格B被设计为精确地确定叶片的三维(3D)体(volume)。该三维体由网格点构成，网格元素可以为三角形、四边形或其它多边形。在叶片的曲率最大的区域网格的密度较大。该理论的网格B用作整个工业化、机械加工和检验新组件的设计模式。
所述理论网格B不能用作修复的模式，因为它不能具体表现组件在其工作寿命期间所经受的磨损和形变。需要依赖于表示组件的当前状况的实际模型。
测量实际的组件
关于图1，通过使用具有物理传感测量或无触点式测量的三维测量机器(3DMMs)测量组件表面的点的坐标对损坏的组件1进行基于体积的测量12。这然后产生相应于损坏的组件1的形状的一组点A，被称作点群(cluster of points)，即A。
损坏组件的机械加工
为了修复损坏的组件，CAM(计算机辅助制造)软件使用被称作“变形(MORPHING)”的函数使理论模型B变形为适于损坏组件1上观察到的磨损和形变的实际模型。
“反函数”对应于损坏组件向新状态的组件的转换。该反函数为设定机床的参数(为了恢复正确的尺寸需要除去的厚度)所需要的函数，从而对该损坏的组件1进行机械加工。
目的在于找到理论模型形变的变形函数，以及得出能够对机床设定参数的反函数。
拓朴差异的测量
关于图3，通过将所述点群，即A，与理论模型B比较，生成拓朴模型31，使得确定32厚度不足的区域和厚度过大的区域成为可能。然后根据通过变形33发生形变的模型计算机械加工路线，并对组件34进行机械加工以得到修复的组件3。
所述拓朴模型31包括一系列坐标点(x，y，z，Δ)，其中，x、y和z为点群A中的各个点在三个相互垂直的轴上的坐标，Δ为该点在法线上的投影到与所述点最近的理论网格元素之间的距离。
因此，如果Δ的值是正的，那么与所述理论模型B相比，该损坏的组件1的材料过多；而如果Δ的值是负的，与所述理论模型B相比，该损坏的组件1的材料不足。可以使用计算机辅助设计(CAD)软件(例如，商标为CATIA的商购软件包)以自动化的方式得到拓朴模型31，从而使具有需要加工去掉多余材料的区域和需要添加材料的区域形象化。
使用变性对网格进行理论变性
为了通过变形使理论模型B发生形变，需要确定位移理论模型B的最适点，以最佳地将点群(即A)中的点的最大值加入。这些点被称作对照点。从而使该理论模型B发生形变以得到与损坏组件1相一致的网格。
变形步骤的复杂性
对拓朴模型32进行分析以进行变形是一个复杂的步骤，需要经验和高水平的专业技术。这是因为理论网格B中的对照点的位置的任何改变对该发生形变的贝塞尔表面的形状和位置以及表面接触的切线具有全面的影响。
还要关注叶片形状的不规则处的曲率和切线情况。专家计算出理论模型B位移的最适点，使得发生形变的理论模型与点群A的点之间的差别尽可能地小。
变形的方法是慢且复杂的步骤，变形的结果随使用的专家而不同。因此，计算变形函数是非常需要技巧的工作。因而不适于工业应用。
为了缓解至少这些不足而进行了本发明。
发明内容
本发明涉及一种使用机械加工从组件的已知形貌修复组件工件的方法，所述组件工件为例如，涡轮机组的叶片，该方法包括如下步骤：
a、获得所述组件工件的包络面的点的坐标，这一套点形成一个点群；
b、将已知的形貌与所述点群相比较，以确定所述组件工件上厚度过大或过小的区域；
c、使用变形方法使所述形貌发生形变，使得发生形变的形貌加入所述点群，由所述形貌的形变定义一个变形函数；以及
d、使用以所述变形函数为基础而设定参数的机床对所述组件工件进行机械加工。
根据本发明，在该方法中，使形貌发生形变包括将该具有过大或过小厚度的区域的组件工件的各个区域与各个以网格部分的形式模拟所述形貌(B)的基本形变结构(EDCs)以及模拟所述点群(A)的点相比较，所述基本形变结构(EDCs)是编入到数据库中的，该数据库将变形函数的参数与各个基本形变结构(EDC)关联。本发明的方法有利地使自动地对组件进行机械加工称为可能，所述变形函数的参数是所述数据库中已知的。
从该变形函数中，可以得出用于对待修复的组件进行加工的机械设定参数的函数。变形工序自动化能够对形状差异和其缺陷不可再现的组件进行的操作提供稳定且精确的可再现的工业化过程。这样能节省时间、提高效率，从而节约成本。
优选地，所述组件的形貌为网格点的形式。
又优选地，被称作对照点的所述网格点的坐标和位移向量为所述变形函数的参数，所述网格点是待发生位移以加入所述点群。
还优选地，具有或不具有物理传感的三维测量机器(3DMMs)获得所述组件工件的包络面的点的坐标。
还优选地，所述组件工件为已经添加过材料的组件。
本发明还涉及一种用于实施本发明的方法的数据库，该数据库将变形函数的参数与基本形变结构(EDC)关联。
附图说明和优选的实施方式
结合下面的描述和附图可以更好地理解本发明，其中：
图1描述了根据本发明获得组件工件的包络面上的点的坐标的步骤；
图2描述了根据本发明生成理论网格的步骤；
图3描述了本发明的用于修复损坏的组件的方法的步骤；
图4描述了根据本发明的方法，基于理论模型通过变形发生形变计算机械加工路线的步骤；
图5a描述了本发明的基本形变结构；
图5b描述了经过变形发生形变后的图5a的基本形变结构；和
图6描述了厚度过大的组件工件的区域。
关于图4，在分析整个拓朴模型32之后，将厚度过大或过小的区域与存储在具有参数101的数据库100中的基本形变结构(EDCs)102相比较，参数101使得理论模型B经变形41而发生形变以计算机械加工路径33。
基本形变结构(EDC)
基本形变结构(EDC)102是由贝塞尔曲线限定的参数化的表面。此处的EDC包括由可以采用各种图形的网格元件形成的网格部分，以及表示所述参数化的表面的实际形貌的点。所述点和所述网格元件之间的距离表示该参数化的表面的理论和实际形貌之间距离的差异。
基本形变结构(EDC)是由变形函数的局部视点(local viewpoint)进行的分析。EDC包括模拟组件的理论形貌的网格部分的网格部分，以及模拟实际组件的测量点的一些点。基本结构EDC是对实际组件与理论形貌之间的可能局部存在的差异进行的描述。
关于图5a，为了更好地定义EDC，该EDC5包括由分布为三行和三列的九个网格元素构成的网格部分，每个网格元素具有四个边。该EDC5还包括四个点A1、A2、A3、A4。
各个点与其最近的网格元素间隔的距离由自所述点A1-A4开始沿法线到所述网格元素的直线表示。这些距离与上文中关于拓朴模型定义的差异尺寸Δ相似。这些距离越短，网格离这些点越近。
当然，以参数化的表面的形式以及将表示发生形变的差异的值与表面上的各个点关联的EDC同样是适用的。当然，EDC以位图或解析形式的数学表示为同样是适用的。
EDC变形参数在数据库中的储存
关于图5a，在该EDC5的网格部分上描述了四个对照点B1-B4。这些点与中心网格元素的角相对应。移动一个对照点会导致网格的贝塞尔曲线的整个改变，对网格元素的各个边的长度以及它们彼此的切线产生影响。
选择待移动的对照点及其位移向量使得通过变形使网格发生形变并更好地加入点A1-A4成为可能。
对于每个EDC和数据库100，通过专家预先计算出这些参数并编入数据库100中。关于图4，数据库100将每个EDC102与这些参数101关联。图5以实施例的方式描述了通过图5a的EDC的网格的变形而发生的形变。对照点B2沿着向量V移动到B2`，从而使得网格中加入点A1-A4。例如，可以注意到在图5b中，点A1-A4与该网格之间的差缩小了。在数据库100中，EDC5与待发生位移的点B2的坐标相关联，点B2的位移向量为V。
在本实施例中，只有一个对照点，在这种情况下B2发生位移。但是，某些对照点可以同样发生位移以将点A1-A4加入。
数据库100包括具有变化的网格和点位置的EDCs102，为此计算网格的最佳形变以最佳地加入这些点。EDCs102的曲率、凹度、网格元素的数目、连接的连通性以及网格元素的切线各不相同。
典型的实施方式
已经描述了本发明的方法的构成，下面将解决本发明如何工作和实施。
关于图3，将可能已经添加了材料2的损坏的组件1的点群A与理论模型B相比较，以生成组件1的整体拓朴模型31。
对整体拓朴模型进行的分析32使得确定与厚度过大或过小的区域相对应的局部拓朴区域成为可能。分析之后，进行计算机械加工路径的步骤33和对组件1机械加工的步骤34。关于图6，将这些局部拓朴区域20分别与数据库100中的EDCs102相比较。
这种比较是通过形状差异、通过比例尺度和通过分析以理论网格B的网格元素的位置的函数进行的。
数据库100包括大量的EDCs102以能够确定选定的局部拓朴区域20，EDCs102从数学意义上构建了一个库。当EDC被确定时，与该EDC102关联的参数101可以从数据库100中读取，这些参数102使得局部拓朴区域20的网格B发生形变。
对每个局部拓朴区域20进行这种比较步骤，以得到一系列使理论网格B发生形变所需的局部参数101。这些参数101是基于理论模型B计算机械加工路径33所需要的，以使损坏的组件1恢复正常的空气动力学形貌。
当不能由数据库100确定局部拓朴区域20时，由专家对所述区域20的网格进行形变，该专家确定待移动的对照点及其位移向量。
将局部拓朴区域和该区域的形变参数编入数据库100，使得由专家计算出的参数可以在以后再次使用。数据库100的补充可以避免专家多次解决相似的问题。通过变形进行形变是自动化的。
1、组件工件
2、材料的增添(补片)
3、机械加工的组件
5、基本形变结构
11、添加材料的步骤
12、对组件进行基于体积测量的步骤
20、局部拓朴区域
21、空气动力学计算步骤
22、生成理论模型的步骤
31、拓朴模型的生成
32、分析整个拓朴模型
33、计算机械加工路径
34、加工
41、使用变形使理论模型发生形变
100、数据库
101、基本形变结构
102、变形函数的参数

Claims (6)

1、一种使用机械加工从组件的已知形貌修复组件工件的方法，所述组件工件为例如，涡轮机组的叶片，该方法包括如下步骤：
a、获得所述组件工件的包络面的点的坐标，这一套点形成一个点群；
b、将已知的形貌与所述点群相比较，以确定所述组件工件上厚度过大或过小的区域；
c、使用变形方法使所述形貌发生形变，使得发生形变的形貌加入所述点群，由所述形貌的形变定义一个变形函数；以及
d、使用以所述变形函数为基础而设定参数的机床对所述组件工件进行机械加工，其中，所述使所述形貌发生形变包括将具有过大或过小厚度的区域的所述组件工件的各个区域与各个以网格部分的形式模拟所述形貌的基本形变结构(EDCs)以及模拟所述点群的点相比较，所述基本形变结构(EDCs)是编入到数据库中的，该数据库将变形函数的参数与各个基本形变结构(EDC)关联。
2、根据权利要求1所述的方法，其中，所述组件的形貌为网格点的形式。
3、根据权利要求2所述的方法，其中，被称作对照点的所述网格点的坐标和位移向量为所述变形函数的参数，所述网格点是待发生位移以加入所述点群。
4、根据权利要求1-3中任意一项所述的方法，其中，具有或不具有物理传感的三维测量机器(3DMMs)获得所述组件工件的包络面的点的坐标。
5、根据权利要求1-4中任意一项所述的方法，其中，所述组件工件为已经添加过材料的组件。
6、一种用于实施权利要求1-5中任意一项所述的方法的数据库，该数据库将变形函数的参数与基本形变结构(EDC)关联。
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