CN102481668A - 自动化维修方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于机器部件(1)的自动化维修的方法和系统。根据所提出的方法，使包括部件(1)的损坏部分(12)的所述部件(1)的第一几何特征数字化(102)。随后在所述部件(1)的所述损坏部分(12)上机加工(104)槽(20)。使用部件(1)的所述第一几何特征的数字化几何数据(207)对机加工(102)进行数字控制。随后使所述机加工(102)之后的所述部件(1)的第二几何特征数字化，所述第二几何特征包括所述槽(20)。随后，在所述槽(20)上淀积(108)材料。使用所述部件(1)的所述第二几何特征的数字化几何数据(208)对材料(25)的淀积(108)进行数字控制。

Description

自动化维修方法和系统
本发明涉及机器部件的自动化维修。具体地，但非无遗漏地，本发明涉及诸如叶片(blade)或翼片(vane)的涡轮机部件的自动化维修。
金属机器部件可能经历因使用导致的劣化。例如，涡轮机部件因机械力以及由于摩擦引起的磨损、在流体介质中使用导致的侵蚀和腐蚀而劣化。具体地，在操作期间涡轮机叶片和翼片在它们的前缘和后缘上体验侵蚀磨损。叶片和翼片的这种渐进的劣化降低了涡轮机的效率。最终，翼片或叶片的厚度或者诸如弦宽的其他尺寸减小到最小可允许可用极限以下，导致磨破的叶片或翼片的强制报废或维修。
过去，常常有必要完全更换整个磨损的涡轮机叶片或翼片。然而，出于成本原因，期望仅维修叶片或翼片的磨破的部分而非完全更换整个磨破的叶片或翼片的方法。迄今为止，通过向下机加工诸如尖端的磨破的部分以去除磨破的部分，并且随后例如借助于微等离子体淀积焊接来重新施加缺失的材料，对磨破的叶片或翼片进行了维修。该工艺牵涉手工开槽、焊接和重新造型。再次地，该工艺是耗时的，牵涉高成本，是人力密集的并且可能不准确。
本发明的目的在于提供一种用于维修机器部件的系统和方法，该系统和方法较之上文描述的现有工艺提供了高精度并且人力密集性较低。
以上目的通过根据权利要求1的方法和根据权利要求12的系统来实现。
本发明的基本思想在于，通过在每次操作之后对部件的几何特性进行数字化并且使用数字化的几何特征作为用于对后继操作进行数字控制的输入条件，来使维修工艺自动化。这牵涉建立部件的数字化几何特征的数据流，该数据流在所提出的维修工艺的每次操作之后进行更新。
在一个实施例中，对所述机加工进行数字控制包括基于接收到的用户输入，响应于识别部件的所述第一几何特征上的所述损坏部分的位置，生成机加工路径。这允许用户或工人基于交付指南限定部件上的其中已发生损坏的区域。
在一个实施例中，对所述淀积进行数字控制包括基于所述第一几何特征的数字化几何数据与所存储的所述部件的参考几何特征数据的比较，响应于识别所述部件上的槽的位置，确定材料淀积路径。这提供了关于材料淀积的轨迹的自动化生成。
在一个示例性实施例中，所述淀积包括激光粉末熔覆工艺。这允许焊缝的良好的尺寸控制并且提供精确可控的能量输入，这允许低的热输入并且产生小的热影响区。
在另外的优选实施例中，为了在淀积工艺之后去除材料重叠并且实现精确的尺寸，所述方法进一步包括：
-使所述淀积之后的所述部件的第三几何特征数字化，
-使用部件的所述第三几何特征的数字化几何数据，测量所述部件上的多余的淀积材料，以及
-对所述部件进行额外的机加工以去除所述测量的多余的淀积材料，使用所述第三几何特征的数字化几何数据对所述额外的机加工进行数字控制。
在另一实施例中，所提出的方法包括在所述额外的机加工之后涂覆所述部件的工艺。保护涂层用作热阻挡层以保护部件抵御高温。该涂层对于燃气轮机部件是特别有用的。
在另一实施例中，所述部件包括通过设计设置的至少一个开口，其中所述方法进一步包括：
-基于所述部件的第二几何特征的数字化几何数据与所存储的部件的参考几何特征数据的比较，识别所述部件上的设计开口的位置，
-在所述涂覆工艺之后，在所述设计开口的所述识别的位置处，在所述部件上形成开口。因此在焊接工艺之前在部件的几何特征中精确地捕获了部件上的开口的位置。
为了增强测量精确度，所述参考几何特征数据包括新制造所述部件之后的所述部件的数字化几何数据，或者前一次维修所述部件之后的所述部件的数字化几何数据，或者所述部件的数字化三维设计图，或者它们的组合。
出于同一原因，在另一实施例中，所提出的方法进一步包括在完成当前的部件维修之后存储部件的数字化几何数据并且使用所述存储的数字化几何数据作为用于后继的部件维修的部件的参考几何特征。
为了使维修自动化，所提出的方法包括在完成维修方法的操作之后存储所述部件的所述几何特征的更新的数字化几何数据并且使用所述更新的数字化几何数据用于对维修方法的后继操作进行数字控制。
在一个示例性实施例中，所述部件是涡轮机的叶片或翼片。
在下文中参照附图中示出的说明性实施例进一步描述了本发明，在附图中：
图1是能够使用本发明维修的损坏的涡轮机叶片的透视图，
图2A是损坏的叶片的横截面视图，
图2B是机加工之后的叶片的横截面视图，
图2C是焊接之后的叶片的横截面视图，
图3是图示根据本发明的一个实施例的自动化维修工艺的流程图，以及
图4是图示根据本发明的一个实施例的自动化维修系统的各种元件之间的数据流的框图。
本发明因此提供了一种用于焊接维修机器部件的损坏部分的自动化工艺。具体地，但非无遗漏地，本发明可用于涡轮机的叶片或翼片的自动化维修。因此应认识到，尽管下文说明的实施例具体地涉及用在燃气轮机引擎的涡轮部分中的中空气冷叶片，但是本发明同样适用于诸如固定翼片的其他部件的维修或者事实上任何其他金属机器部件的维修。
参照图1，图示了涡轮叶片1的结构，将根据本发明的示例实施例对其进行维修。还可以参照图2A更好地说明叶片1的结构，图2A是叶片1的截面II-II的横截面视图。
叶片1具有翼型部分2、平台部分3和根部分4，根部分4用于将涡轮叶片1固定到涡轮引擎的转子。叶片1具有前缘5和后缘6。在图示实施例中，叶片1是中空的，具有从叶片1的尖端8延伸到根部分4的基部9的空腔7(在图2A中所示的叶片的横截面视图中可见)。图示的叶片1是气冷的并且被设计为具有开口，这些开口被称为冷却孔，其从空腔7延伸到叶片1的外表面。在引擎操作期间，空气流动到空腔7中并且通过冷却孔离开叶片1。在图示实施例中，若干个这样的冷却孔10从空腔7延伸到翼型部分的表面。此外，若干个冷却孔11可以从空腔7延伸到叶片尖端8。尽管这里没有示出，但是冷却孔也可以被设置为从空腔7延伸到后缘6。
在操作中，叶片1因机械力以及摩擦、在流体介质中使用导致的侵蚀和腐蚀而磨损。这种磨损可能损坏例如叶片1的部分12。损坏或磨破的部分12可能包括裂纹和/或因磨损而减小的尺寸(诸如减小的叶片厚度)，这致使叶片1不适用于进一步的操作，并且因此需要维修叶片1。
参照图3，图示了根据本发明的一个实施例的维修方法100。将上述涡轮叶片取作示例对方法100进行说明。然而，该说明仅是示例性的，而非限制性的。如这里说明的，损坏的部分位于翼型部分的后缘。然而，损坏部分可以位于叶片的翼型部分、平台部分或根部分的任何部位，其中所提出的方法同样适用。
维修方法100开始于框101，其牵涉剥开叶片以从叶片去除任何涂层，用来允许叶片的视觉检查以识别任何损坏部分并且确保叶片事实上是维修的候选者。去除涂层还使叶片的基部金属暴露，用于后继的机加工和焊接。
框102牵涉使包括叶片的损坏部分的剥开叶片的几何特征数字化。该几何特征在这里被称为叶片的第一几何特征。如这里使用的，部件的几何特征的“数字化”指的是根据部件的图像数字检测并且分析部件的实际几何特征的工艺，其中得到的数字化几何特征可用于后继操作的数字控制。在框103处，从用户(工人)接收输入以识别叶片的第一几何特征上的损坏部分的位置或部位。因此工人能够基于交付指南限定需要维修的其中发生损坏的叶片的区域。
框104牵涉通过机加工，例如铣削装置或者任何其他制造工艺，从叶片的识别的损坏部分去除材料。在图示实施例中，该机加工包括使用第一数字控制(NC)程序进行数字控制的铣削操作。第一NC程序接收作为输入的在框102处获得的叶片的第一几何特征的数字化几何数据以及在框102处识别的损坏部分的位置，并且作为其响应生成机加工路径(还称为工具路径)。基于第一NC程序生成的机加工路径，在叶片的损坏部分上铣削槽。图2B是示出了槽20的、在铣削操作之后的图示实施例的叶片的截面II-II的横截面视图。
回来参照图3，在框105处，执行测试以检测铣削操作之后的叶片上的任何缺陷。该测试可以包括例如，荧光渗透剂检查(FPI)工艺。接着，在框106处，为了捕获铣削操作之后的叶片的几何特征，在铣削操作之后使叶片的第二几何特征数字化。下一框107牵涉识别叶片上的槽的位置。这通过参考测量进行，该参考测量牵涉例如，将在框106处获得的叶片的数字化几何数据与所存储的叶片的参考几何特征数据比较。所存储的叶片的参考几何特征数据包括例如，新制造时的叶片的几何特征的数字化几何数据，叶片的前一次维修之后的叶片的几何特征的数字化几何数据，或者部件的数字化三维设计图。有利地，为了提高测量精度，这里使用的参考几何特征数据可以包括上述几何数据的组合。
框108牵涉淀积填料材料以填补槽。填料材料可以基于叶片的实际材料而预先限定。尽管淀积工艺可以牵涉任何焊接工艺，但是本发明的优选实施例牵涉激光粉末堆焊，其还被称为激光粉末熔覆或者微熔覆。激光粉末熔覆提供了焊缝的良好的尺寸控制并且提供了精确可控的能量输入，这允许低的热输入并且产生小的热影响区。使用第二NC程序对焊接材料(填料材料)的淀积进行数字控制。第二NC程序接收作为输入的在框106处获得的叶片的第二几何特征的数字化几何数据以及在框107处识别的槽的位置，并且作为其响应生成材料淀积路径。
图2C示出了焊接/淀积工艺之后的当前示例的叶片的横截面视图。如所示出的，填料材料25被淀积到在叶片1上铣削的槽20上。这里还示出了突出30，其还被称为重叠，其通常因焊接工艺期间的多余材料淀积而导致。
回来参照图3，在框109处，在焊接工艺之后使叶片的第三几何特征数字化，目的在于捕获突起或者多余的材料淀积物。在一些情况下，在框109处获得的叶片的数字化几何特征还可用于确定未完成的焊接工艺，其中，叶片随后经历进一步的焊接。
下一框110牵涉测量需要随后通过机加工去除的叶片上的多余的材料淀积物。例如，基于叶片的第三几何特征的数字化几何数据与所存储的叶片的参考几何特征数据的比较，其包括可允许的公差，可以计算该多余。随后，在框111处，在叶片上执行额外的机加工，其包括例如，铣削操作，以去除多余的材料淀积并且对叶片重新造型。使用第三NC程序对重新造型进行数字控制，其是响应于在框109处获得的叶片的数字化第三几何特征以及框110处的将被去除的多余材料的计算而生成的。
在重新造型之后，可以在框112处执行另外的FPI测试以检测叶片上的任何缺陷，此后在框113处使用保护涂层重新涂覆叶片。该保护涂层用作热阻挡层以保护部件抵御高的操作温度。重新涂覆之后的下一步骤是重新打开冷却孔或者通过设计设置在叶片上的任何其他开口。在焊接工艺之前在叶片的几何特征中最佳地捕获了这些开口。因此，在框114处，例如通过将在框106处获得的叶片的第二几何特征的数字化几何数据与所存储的参考几何特征数据比较，来执行参考测量，以识别需要重新打开冷却孔(或者任何其他这种设计开口)的位置。
框115牵涉重新打开被重新涂覆的叶片上的冷却孔。例如，通过激光钻孔工艺，在框114处识别的位置处形成冷却孔。这完成了维修工艺并且经维修的叶片被发送用于质量控制和后继的重新安装(框116)。有利地，可以进一步使经维修的叶片的几何特征数字化并且将其存储作为用于叶片的后继维修操作的参考几何特征(框117)。
图4示出了自动化维修系统200。在图4中还示出了系统200的各种元件之间的数据流。系统200被配置为执行上述方法的步骤。系统200执行的操作由控制装置201进行控制。控制装置201包括例如个人计算机或者具有处理、存储和输入/输出电路的任何其他设备。控制装置201适于对系统200的操作进行数字控制，系统200包括机加工装置202、焊接装置203以及额外地涂覆装置205和钻孔装置205。机加工装置202可以包括例如，CNC操作铣削机。焊接装置203可以包括例如，数字控制激光粉末熔覆单元。钻孔装置205可以包括例如，激光钻孔单元。
图示系统200还包括成像装置206，用于在每次操作之后捕获部件(即，该情况下的叶片)的几何特征的数字化几何数据并且将其馈送到控制装置201。成像装置206可以包括例如，用于捕获叶片的图像的数字相机，以及用于根据捕获的图像数据数字检测并且分析叶片的几何特征的图像处理装置。成像装置206可以替选地包括用于基于例如激光三角测量或线断层照相技术对叶片进行三维扫描的扫描装置，以及用于数字重建扫描的图像数据的处理装置。
控制装置201适于存储操作完成之后的叶片的几何特征的更新的数字化几何数据并且随后将其用作用于生成控制后继操作的数字控制程序的输入条件，同时还将该更新的几何特征数据与所存储的叶片的参考几何特征数据250比较。作为参考几何特征数据，控制装置202可以存储例如，叶片制造之后的叶片的数字化几何数据251以及叶片的数字化三维设计图252。如果叶片先前已被维修过，则前一次维修之后的叶片的几何特征的几何数据253也被存储作为参考几何特征数据250。
该工艺的初始输入条件基于剥开叶片以去除任何涂层之后的、包括损坏部分的叶片的数字化几何数据207。基于该输入，以及用户输入的损坏部分的位置，控制装置201生成第一NC程序，用于控制机加工装置以在叶片上在识别的损坏部分上对槽进行机加工。
由成像装置206捕获机加工操作之后的叶片的几何特征，并且叶片的该第二几何特征的数字化几何数据208被更新到控制装置201中。该数字化几何数据208形成了用于生成控制焊接的后继操作的NC程序的输入条件。基于数字化几何数据208与所存储的参考几何特征数据250的比较，控制部件201生成第二NC程序以控制焊接装置201将预先限定的材料淀积在叶片上形成的槽上。
再次地，由成像装置206捕获机加工操作之后的叶片的几何特征，并且叶片的该第三几何特征的数字化几何数据209被更新到控制装置201中，其形成了用于去除在焊接工艺期间淀积的多余材料的后继机加工操作的输入条件。因此，基于数字化几何数据208与所存储的参考几何特征数据250的比较，控制部件201生成第三NC程序以控制机加工装置201通过机加工从叶片除去多余的材料并且对叶片重新造型。由成像装置206捕获叶片的重新造型的几何特征，并且重新造型的叶片的几何特征的数字化数据210被更新到控制装置210中。
在对叶片重新造型之后，对叶片进行涂覆并且由成像装置206捕获经涂覆的叶片的几何特征。经涂覆的叶片的几何特征的数字化数据211被更新到控制装置201中，其形成用于在基部上重新打开冷却孔的后继工艺的输入条件。基于经机加工的叶片的数字化几何数据209和参考几何特征数据250的比较，控制装置201生成NC程序以控制钻孔装置205的操作，用来重新打开冷却孔。最后，由成像装置206再一次捕获钻孔操作之后的叶片的几何特征，并且其被存储到控制装置201中，用作用于部件的后继维修工艺的参考几何特征数据。
总之，本发明提供了一种用于机器部件的自动化维修的方法和系统。根据所提出的方法，使包括部件的损坏部分的所述部件的第一几何特征数字化。随后在所述部件的所述损坏部分上机加工槽。使用部件的所述第一几何特征的数字化几何数据对机加工进行数字控制。随后在所述机加工之后使所述部件的第二几何特征数字化，所述第二几何特征包括所述槽。随后，在所述槽上淀积材料。使用所述部件的所述第二几何特征的数字化几何数据对材料的淀积进行数字控制。
尽管参照具体实施例描述了本发明，但是该描述并不意味着被解释为限制性的。在参照本发明的描述之后，所公开的实施例的各种修改以及本发明的替选实施例对于本领域技术人员将变得明显。因此在不偏离所附权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，可以进行这些修改。

Claims (16)

1.一种用于部件(1)的自动化维修的方法(100)，包括：
-使包括部件(1)的损坏部分(12)的所述部件(1)的第一几何特征数字化(102)，
-在所述部件(1)的所述损坏部分(12)上机加工(104)槽(20)，使用部件(1)的所述第一几何特征的数字化几何数据(207)对所述机加工(104)进行数字控制，
-使所述机加工(104)之后的所述部件(1)的第二几何特征数字化(106)，所述第二几何特征包括所述槽(20)，以及
-淀积(108)材料(25)以填充所述槽(20)，使用所述部件(1)的所述第二几何特征的数字化几何数据(208)对材料(25)的所述淀积(108)进行数字控制。
2.根据权利要求1所述的方法(100)，其中对所述机加工(104)进行数字控制包括基于接收到的用户输入，响应于识别(103)部件(1)的所述第一几何特征上的所述损坏部分(12)的位置，生成机加工路径。
3.根据前述权利要求中任一项所述的方法(100)，其中对所述淀积(108)进行数字控制包括基于所述第二几何特征的数字化几何数据(208)与所存储的所述部件(1)的参考几何特征数据(250)的比较，响应于识别(107)所述部件(1)上的槽(20)的位置，确定材料淀积路径。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法(100)，其中所述淀积(108)包括激光粉末熔覆工艺。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法(100)，进一步包括：
-使所述淀积(108)之后的所述部件(1)的第三几何特征数字化(109)，
-使用部件(1)的所述第三几何特征的数字化几何数据(209)，测量(110)所述部件(1)上的多余(30)的淀积材料(25)，以及
-对所述部件(1)进行额外的机加工(111)以去除所述测量的多余(30)的淀积材料(25)，使用所述第三几何特征的数字化几何数据(209)对所述额外的机加工(111)进行数字控制。
6.根据权利要求5所述的方法(100)，进一步包括在所述额外的机加工(111)之后涂覆所述部件(1)的工艺(113)。
7.根据权利要求7所述的方法(100)，其中所述部件(1)包括通过设计设置的至少一个开口(10)，其中所述方法(100)进一步包括：
-基于所述部件(1)的第二几何特征的数字化几何数据(208)与所存储的部件(1)的参考几何特征数据(250)的比较，识别(114)所述部件(1)上的设计开口(10)的位置，
-在所述涂覆工艺(113)之后，在所述设计开口(10)的所述识别的位置处，在所述部件(1)上形成(115)开口(10A)。
8.根据权利要求3或7所述的方法(100)，其中所述参考几何特征数据(250)包括新制造所述部件(1)之后的所述部件(1)的数字化几何数据(251)，或者前一次维修所述部件之后的所述部件(1)的数字化几何数据(253)，或者所述部件(1)的数字化三维设计图(252)，或者它们的组合。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法(100)，包括在完成维修方法的操作之后存储所述部件(1)的所述几何特征的更新的数字化几何数据，并且使用所述更新的数字化几何数据用于对维修方法的后继操作进行数字控制。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法(100)，进一步包括在完成当前的部件(1)维修之后存储(117)部件(1)的数字化几何数据(212)，并且使用所述存储的数字化几何数据(212)作为用于后继的部件(1)维修的部件(1)的参考几何特征。
11.根据前述权利要求中任一项所述的方法(100)，其中所述部件(1)是涡轮机的叶片或翼片。
12.一种用于部件的自动化维修的系统(200)，包括：
-控制装置(201)，
-机加工装置(202)，用于使用第一数字控制程序在所述部件的损坏部分(12)上机加工槽(20)，其中由所述控制装置(201)使用包括所述损坏部分(12)的所述部件(1)的第一几何特征的数字化几何数据(207)生成所述第一数字控制程序，以及
-焊接装置(203)，用于使用第二数字控制程序淀积材料(25)以填充所述槽(20)，其中由所述控制装置(201)使用所述机加工之后的所述部件(1)的第二几何特征的数字化几何数据(208)生成所述第二数字控制程序，所述第二几何特征包括在所述部件(1)上形成的所述槽(20)。
13.根据权利要求12所述的系统(200)，其中所述焊接装置(202)包括计算机化的数字控制操作的激光粉末熔覆单元。
14.根据权利要求12或13所述的系统(200)，其中所述机加工装置(201)包括计算机化的数字控制操作的铣削机。
15.根据权利要求12至14中任一项所述的系统(200)，进一步包括成像装置，用于捕获部件的所述几何特征的所述数字化几何数据。
16.根据权利要求15所述的系统(200)，其中所述控制装置(201)适于存储完成操作之后的部件(1)的几何特征的更新的数字化几何数据，并且使用更新的数字化几何数据作为用于生成控制后继操作的数字控制程序的输入条件。
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