DE102017220833A1

DE102017220833A1 - Messsystem zur Erfassung der räumlichen Lage eines Sicherungsstiftes und Verfahren zum Ausbohren eines Sicherungsstiftes

Info

Publication number: DE102017220833A1
Application number: DE102017220833.3A
Authority: DE
Inventors: Marat Visajtaev; Stefan Sellmann; Felix Vogt
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2017-11-22
Filing date: 2017-11-22
Publication date: 2019-05-23
Also published as: EP3685115A1; WO2019101439A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Messsystem (1) zur Erfassung der räumlichen Lage eines an seinen stirnseitigen freien Enden mit jeweils einer Zentrierungsvertiefung (29) versehenen geraden Sicherungsstiftes (26), insbesondere eines solchen Sicherungsstiftes (26), der eine Laufschaufel (28) an einem Läufer (27) sichert. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Ausbohren solcher Sicherungsstifte (26) unter Verwendung eines solchen Messsystems (1).

Description

Die Erfindung betrifft ein Messsystem zur Erfassung der räumlichen Lage eines an seinen stirnseitigen freien Enden mit jeweils einer Zentrierungsvertiefung versehenen geraden Sicherungsstiftes, insbesondere eines solchen Sicherungsstiftes, der eine Laufschaufel an einem Läufer sichert. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Ausbohren eines Sicherungsstiftes unter Verwendung eines solchen Messsystems.
Bei gewissen Dampfturbinenbauarten werden die Laufschaufeln an dem Läufer mit Sicherungsstiften gegen radial wirkende Kräfte gesichert. Zur Demontage der Laufschaufeln, um beispielsweise verschlissene Laufschaufeln durch neue oder reparierte Laufschaufeln zu ersetzen, müssen die Sicherungsstifte ausgebohrt werden. Es ist wünschenswert, den Ausbohrprozess automatisiert und so präzise wie möglich durchzuführen. Zum einen kann auf diese Weise der Ausbohrprozess selbst beschleunigt werden. Zum anderen sollen die Sicherungsstifte, die für die Remontage der neuen bzw. reparierten Laufschaufeln eingesetzt werden, einen möglichst kleinen Durchmesser aufweisen. Zur automatisierten Erfassung der Positionen der auszubohrenden Sicherungsstifte ist grundsätzlich der Einsatz von optischen Messsystemen denkbar. Diese können allerdings nicht zuverlässig die genaue Ausrichtung der montierten Sicherungsstifte erfassen.
Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein möglichst präzises Ausbohren von Sicherungsstiften zu ermöglichen.
Zur Lösung dieser Aufgabe schafft die vorliegende Erfindung ein Messsystem der eingangs genannten Art, umfassend einen Basiskörper, der über eine Messsystemaufnahme an einer CNC-Bearbeitungsmaschine aufgenommen werden kann, einen zumindest eine Messspitze aufweisenden Prüfkörper, der in drei Achsen entlang entsprechender Führungen schwimmend gelagert an dem Basiskörper angeordnet und über Rückstellelemente in einer Ausgangsposition gehalten ist, zumindest drei Messtaster, welche die Auslenkungen des Prüfkörpers aus der Ausgangsposition relativ zum Basiskörper in den drei Achsen erfassen, und eine Auswerteeinheit, die derart ausgelegt ist, dass sie basierend auf den von den Messtastern erfassten Daten die räumliche Position der Messspitze und basierend auf zwei einander zugeordneter räumlicher Positionen der Messspitze die räumliche Lage einer diese miteinander verbindenden Geraden berechnet. Das erfindungsgemäße Messsystem ist dahingehend von Vorteil, dass es einen einfachen und preiswerten Aufbau aufweist. Zudem kann es vergleichsweise klein ausgeführt werden, so dass es sich bei gängigen Läuferbauweisen radial in die zwischen benachbarten Radscheiben vorhandenen Ringspalte einführen lässt, so dass die dort positionierten Sicherungsstifte für das Messsystem problemlos zugänglich sind. Darüber hinaus lässt sich mit dem erfindungsgemäßen Messsystem die räumliche Lage eines Sicherungsstiftes sehr präzise erfassen, so dass hierauf basierend ein exaktes Ausbohren erfolgen kann.
Bevorzugt wird die Messsystemaufnahme durch ein Spannfutter gebildet, insbesondere durch ein Hydrodehnspannfutter, so dass eine exakte Aufnahme des Messsystems in nahezu jeder handelsüblichen CNC-Bearbeitungsmaschine möglich ist, die beim Ausbohren von Sicherungsstiften zum Einsatz kommt.
Gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weist der Prüfkörper zwei Messspitzen aufweist, die in entgegengesetzte Richtungen weisen und miteinander fluchten. Ein derartiger Aufbau des Prüfkörpers ist dahingehend von Vorteil, dass auf zwei Seiten des Prüfkörpers Messungen durchgeführt werden können, wodurch die Handhabbarkeit des Messsystems stark vereinfacht wird und Umrüstarbeiten entfallen.
Vorteilhaft sind der Prüfkörper und die Auswerteeinheit von einer Schutzabdeckung umgeben, aus der die Messspitze vorsteht bzw. die Messspitzen vorstehen. Auf diese Weise wird einer versehentlichen Beschädigung des Messsystems entgegengewirkt.
Ferner schafft die vorliegende Erfindung zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe ein Verfahren zum Ausbohren eines an seinen stirnseitigen freien Enden mit jeweils einer Zentrierungsvertiefung versehenen geraden Sicherungsstiftes, insbesondere eines solchen Sicherungsstiftes, der eine Laufschaufel an einem Läufer sichert, unter Verwendung eines Messsystems nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend die Schritte: a) Montage des Messsystems an einer CNC-Bearbeitungsmaschine unter Verwendung der Messsystemaufnahme; b) Erfassen der räumlichen Lage zumindest eines Sicherungsstiftes, indem die Messspitze in den beiden Zentrierungsvertiefungen des Sicherungsstiftes positioniert wird (bzw. jeweils eine der Messspitzen in den beiden Zentrierungsvertiefungen des Sicherungsstiftes positioniert wird, wenn zwei Messspitzen vorhanden sind), dabei die jeweiligen räumlichen Positionen der Messspitze erfasst werden und eine diese räumlichen Positionen der Messspitze miteinander verbindende Geraden berechnet wird, welche der räumliche Lage des Sicherungsstiftes entspricht; c) Demontage des Messsystems und Montage eines Bohrwerkzeugs an derselben CNC-Bearbeitungsmaschine; und d) Ausbohren des Sicherungsstiftes basierend auf der in Schritt b) berechneten räumlichen Lage des Sicherungsstiftes.
Bevorzugt werden in Schritt b) die räumlichen Lagen sämtlicher auszubohrender Sicherungsstifte erfasst, woraufhin in Schritt d) alle auszubohrenden Zentrierstifte ausgebohrt werden. Auf diese Weise wird die Zeitdauer, die zum Ausbohren sämtlicher Sicherungsstifte erforderlich ist, deutlich optimiert.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der nachfolgenden Beschreibung eines Messsystems gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung deutlich. Darin ist:

1 eine perspektivische Ansicht eines Messsystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei eine Schutzabdeckung zu Darstellungszwecken nicht gezeigt ist;
2 eine weitere, teilweise geschnittene perspektivische Ansicht des Messsystems;
3 eine perspektivische Ansicht des Messsystems, wobei eine Auswerteeinheit, Messtaster und Verkabelungen zu Darstellungszwecken nicht gezeigt sind;
4 eine weitere, teilweise geschnittene perspektivische Ansicht des Messsystems gemäß 3;
5 eine perspektivische Darstellung des Messsystems mit Schutzabdeckung und Verkabelung;
6 eine perspektivische Teilansicht eines Läufers einer Dampfturbine;
7 eine vergrößerte Ansicht des in 6 mit dem Bezugszeichen VII gekennzeichneten Ausschnitts;
8 eine perspektivische Ansicht des Messsystems während der Erfassung der räumlichen Lage eines Sicherungsstiftes des Läufers; und
9 eine perspektivische Ansicht eines Bohrwerkzeugs während des Ausbohrens des Sicherungsstiftes.

Die 1 bis 5 zeigen ein Messsystem 1 mit einem Basiskörper 2, der über eine Messsystemaufnahme 3, die vorliegend als Hydrodehnspannfutter ausgebildet ist, an einer korrespondierenden Werkzeugaufnahme einer CNC-Bearbeitungsmaschine aufgenommen werden kann. Das Messsystem 1 weist ferner einen Prüfkörper 4 auf, der in drei Achsen entlang entsprechender, jeweils senkrecht zueinander angeordneter Führungen 5, 6 und 7 schwimmend gelagert an dem Basiskörper 2 angeordnet und über Rückstellelemente 8, die vorliegend jeweils als Federdruckstifte ausgebildet sind, in einer Ausgangsposition gehalten ist. Die sich in Y-Richtung erstreckende erste Führung 5 verbindet den Basiskörper 2 mit einer Befestigungskonsole 9, wobei die Relativbewegung zwischen dem Basiskörper 2 und der Befestigungskonsole 9 auf wenige Millimeter beschränkt ist. Hierzu sind an der Befestigungskonsole 9 vorliegend zwei in Y-Richtung voneinander beabstandet angeordnete Anschläge 10 vorgesehen, an denen jeweils ein sich in Y-Richtung erstreckendes Rückstellelement 8 befestigt ist, wobei die zueinander weisenden freien Enden der Rückstellelemente 8 zwischen sich einen vom Basiskörper 2 in X-Richtung vorstehenden Vorsprung 11 aufnehmen. Die sich in X-Richtung erstreckende zweite Führung 6 verbindet die Befestigungskonsole 9 mit einem Prüfkörperhalter, wobei auch die Bewegung in X-Richtung auf wenige Millimeter beschränkt ist. Hierzu sind an der Befestigungskonsole 9 in X-Richtung voneinander beabstandet zwei Anschläge 10 vorgesehen, an denen sich in X-Richtung erstreckende Rückstellelemente 8 befestigt sind, deren zueinander weisenden freien Enden zwischen sich einen in Y-Richtung von dem Prüfkörperhalter 12 vorstehenden Vorsprung 14 aufnehmen. Die sich in Z-Richtung erstreckende dritte Führung 7 verbindet den Prüfkörperhalter 12 mit dem Prüfkörper 4, wobei die Relativbewegung in Z-Richtung zwischen diesen beiden Komponenten ebenfalls auf wenige Millimeter beschränkt ist. Hierzu sind an dem Prüfkörper 4 zwei in Z-Richtung voneinander beabstandet angeordnete Anschläge 15 vorgesehen, an denen sich in Z-Richtung erstreckende Rückstellelemente 8 gehalten sind, deren zueinander weisenden freien Enden einen von dem Prüfkörperhalter 12 in Y-Richtung vorstehenden Vorsprung 16 zwischen sich aufnehmen. Zur Erfassung der Relativbewegungen des Prüfkörpers 4 relativ zum Basiskörper 2 in X-, Y- und Z-Richtung entlang der zugehörigen Führungen 5, 6 und 7 umfasst das Messsystem 1 drei Messtaster 17, 18, 19, wobei der erste Messtaster 17 Bewegungen in X-Richtung, der zweite Messtaster 18 Bewegungen in Y-Richtung und der dritte Messtaster 19 Bewegungen in Z-Richtung erfasst. Der erste und der zweite Messtaster 17 und 18 erstrecken sich dabei jeweils in Richtung der entsprechenden X- bzw. Y-Achse, so dass sie die Bewegung direkt aufnehmen. Der dritte Messtaster 19 erstreckt sich hingegen in Y-Achse und damit senkrecht zur eigentlichen Messrichtung. Er ist auf eine definierte Schrägfläche aufgesetzt, so dass anhand der Verstellung des Messtasters 19 in Y-Richtung die Verstellung in Z-Richtung berechnet werden kann. Diese Anordnung des dritten Messtasters 19 wurde gewählt, um die Abmessungen des Messsystems 1 in Z-Richtung so klein wie möglich zu halten, so dass das Messsystem 1 zur Erfassung der räumlichen Lage von Sicherungsstiften 26 zwischen benachbarten Radscheiben eines Läufers 27 eingeführt werden kann, wie es nachfolgend unter Bezugnahme auf die 6 und 7 noch näher erläutert ist. Der Prüfkörper 4 ist mit zwei Messspitzen 20 und 21 versehen, die in Z-Richtung miteinander fluchtend angeordnet sind. Grundsätzlich wäre es auch möglich, nur eine einzelne Zentrierspitze an dem Prüfkörper 4 vorzusehen. An der Oberseite der Befestigungskonsole ist eine Auswerteeinheit 22 positioniert, die einerseits mit den Messtastern 17, 18 und 19 über entsprechende Datenkabel 23 verbunden ist und andererseits über Datenkabel 24 mit einer Maschinensteuerung einer CNC-Bearbeitungsmaschine verbunden werden kann. Ein Teil des Basiskörpers 2, die Befestigungskonsole 9, der Prüfkörperhalter 12 und der Prüfkörper 4 sind von einer Schutzabdeckung 25 umgeben, aus der lediglich die Messspitzen 20 und 21 des Prüfkörpers 4 auswärts vorstehen.
Das Messsystem 1 wird erfindungsgemäß dazu eingesetzt, die räumliche Lage von Sicherungsstiften 26 zu erfassen, die an einem Läufer 27 einer Dampfturbine befestigte Laufschaufeln 28 gegen radial wirkende Kräfte sichern, wie es in 6 dargestellt ist. Die Sicherungsstifte 26, die jeweils gerade mit einem konstanten kreisförmigen Querschnitt ausgebildet sind, sind an ihren stirnseitigen freien Enden jeweils mit einer Zentrierungsvertiefung 29 versehen, wie es insbesondere in 7 gut zu erkennen ist. Die exakte Erfassung der räumlichen Lage solcher Sicherungsstifte 26 ist dahingehend von Bedeutung, dass sie ein ebenso exaktes Ausbohren der Sicherungsstifte 26 ermöglichen, wenn ein Ausbau der Laufschaufeln 28 gewünscht ist.
Zum Ausbohren der in 6 dargestellten Sicherungsstifte 26 wird in einem ersten Schritt das Messsystem 1 an einer CNC-Bearbeitungsmaschine, die später auch zur Durchführung der Bohrarbeiten eingesetzt wird, unter Verwendung der Messsystemaufnahme 3 montiert und über die Datenkabel 25 mit der Maschinensteuerung verbunden. Anschließend kann das System genullt werden, indem mit einer der Messspitzen 21 ein vorbestimmter Punkt im Raum angefahren wird.
Zum Erfassen der räumlichen Lage der Sicherungsstifte 26 wird ein erster Sicherungsstift, wie es in 8 gezeigt ist, derart angefahren, dass eine der Messspitzen 20, 21 des Messsystems in eine der beiden Zentrierungsvertiefungen eintaucht. Die Messspitze 20, 21 richtet sich während des Eintauchens aufgrund ihrer schwimmenden Lagerung automatisch aus. Die während dieser Ausrichtung durchgeführten Bewegungen entlang der Führungen 5, 6 und 7 in X-, Y- und Z-Richtungen werden dabei von den zugeordneten Messtastern 17, 18 und 19 erfasst, wobei die erfassten Daten an die Auswerteeinheit 22 übermittelt werden, die aus diesen Daten und den aktuellen Positionsdaten des Messsystems, welche die Maschinensteuerung liefert, die räumliche Position des einen freien Endes des Sicherungsstiftes 26 ermittelt. In gleicher Weise erfolgt auch die Ermittlung der räumlichen Position des zweiten freien Endes des Sicherungsstiftes 26 durch Eintauschen der Messspitze 20, 21 in die entsprechende Zentrierungsvertiefung. Basierend auf diesem Datenpaar der räumlichen Positionen beider freien Enden des Sicherungsstiftes 26 wird eine beide Positionen miteinander verbindende Gerade und damit die genaue räumliche Lage des Sicherungsstiftes 26 berechnet und gespeichert.
In gleicher Weise werden die räumlichen Lagen sämtlicher Sicherungsstifte 26 unter Einsatz des Messsystems 1 ermittelt und gespeichert.
In einem weiteren Schritt wird das Messsystem demontiert und, wie es in 9 dargestellt ist, ein Bohrwerkzeug 30 zum Ausbohren der Sicherungsstifte 26 an derselben CNC-Bearbeitungsmaschine montiert. Auch hier kann das System genullt werden, indem mit der Bohrerspitze der vorbestimmte Punkt im Raum angefahren wird.
In einem letzten Schritt erfolgt das Ausbohren der Sicherungsstifte basierend auf den vorab berechneten räumlichen Lagen.
Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.

Claims

Messsystem (1) zur Erfassung der räumlichen Lage eines an seinen stirnseitigen freien Enden mit jeweils einer Zentrierungsvertiefung (29) versehenen geraden Sicherungsstiftes (26), insbesondere eines solchen Sicherungsstiftes (26), der eine Laufschaufel (28) an einem Läufer (27) sichert, umfassend einen Basiskörper (2), der über eine Messsystemaufnahme (3) an einer CNC-Bearbeitungsmaschine aufgenommen werden kann, einen zumindest eine Messspitze (20) aufweisenden Prüfkörper (4), der in drei Achsen (X,Y,Z) entlang entsprechender Führungen (5,6,7) schwimmend gelagert an dem Basiskörper (2) angeordnet und über Rückstellelemente (8) in einer Ausgangsposition gehalten ist, zumindest drei Messtaster (17,18,19), welche die Auslenkungen des Prüfkörpers (2) aus der Ausgangsposition relativ zum Basiskörper (2) in den drei Achsen (X,Y,Z) erfassen, und eine Auswerteeinheit (23), die derart ausgelegt ist, dass sie basierend auf den von den Messtastern (17,18,19) erfassten Daten die räumliche Position der Messspitze (20) und basierend auf zwei einander zugeordneter räumlicher Positionen der Messspitze (20) die räumliche Lage einer diese miteinander verbindenden Geraden berechnet.
Messsystem (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messsystemaufnahme (3) durch ein Spannfutter gebildet wird, insbesondere durch ein Hydrodehnspannfutter.
Messsystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Prüfkörper (4) zwei Messspitzen (20,21) aufweist, die in entgegengesetzte Richtungen weisen und miteinander fluchten.
Messsystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Prüfkörper (4) und die Auswerteeinheit (22) von einer Schutzabdeckung (25) umgeben sind, aus der die Messspitze (20) vorsteht bzw. die Messspitzen (20,21) vorstehen.
Verfahren zum Ausbohren eines an seinen stirnseitigen freien Enden mit jeweils einer Zentrierungsvertiefung (29) versehenen geraden Sicherungsstiftes (26), insbesondere eines solchen Sicherungsstiftes (26), der eine Laufschaufel (28) an einem Läufer (27) sichert, unter Verwendung eines Messsystems (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend die Schritte: a) Montage des Messsystems (1) an einer CNC-Bearbeitungsmaschine unter Verwendung der Messsystemaufnahme (3); b) Erfassen der räumlichen Lage zumindest eines Sicherungsstiftes (26), indem die Messspitze (20) in den beiden Zentrierungsvertiefungen (29) des Sicherungsstiftes (26) positioniert wird, dabei die jeweiligen räumlichen Positionen der Messspitze (20) erfasst werden und eine diese räumlichen Positionen der Messspitze (20) miteinander verbindende Geraden berechnet wird, welche der räumliche Lage des Sicherungsstiftes (26) entspricht; c) Demontage des Messsystems (1) und Montage eines Bohrwerkzeugs an derselben CNC-Bearbeitungsmaschine; und d) Ausbohren des Sicherungsstiftes (26) basierend auf der in Schritt b) berechneten räumlichen Lage des Sicherungsstiftes (26).
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt b) die räumlichen Lagen sämtlicher auszubohrender Sicherungsstifte (26) erfasst werden, woraufhin in Schritt d) alle auszubohrenden Zentrierstifte (26) ausgebohrt werden.