DE102019112217A1

DE102019112217A1 - Prüfvorrichtung und Verfahren zum zerstörungsfreien Prüfen von Bauteilen und Computerprogrammprodukt

Info

Publication number: DE102019112217A1
Application number: DE102019112217.1A
Authority: DE
Inventors: Armin Huber; Manfred Schönheits; Philipp Gänswürger
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2019-05-10
Filing date: 2019-05-10
Publication date: 2020-11-12
Anticipated expiration: 2039-05-11
Also published as: DE102019112217B4

Abstract

Prüfvorrichtung (102) zum zerstörungsfreien Prüfen von Bauteilen, die Prüfvorrichtung (102) aufweisend ein Trägermodul (110), ein Ultraschallsendermodul (104) zum Senden von Ultraschall, ein Ultraschallempfängermodul (106) zum Empfangen von Ultraschall und wenigstens ein Aktuatormodul (112), bei der das Ultraschallsendermodul (104) und/oder das Ultraschallempfängermodul (106) mithilfe des wenigstens einen Aktuatormoduls (112) mit einem Freiheitsgrad f ≥ 3 bewegbar sind/ist, Verfahren zum zerstörungsfreien Prüfen von Bauteilen mithilfe einer derartigen Prüfvorrichtung (102), wobei das Ultraschallsendermodul (104) in Prüfpositionen bewegt wird, in der ein Bauteil mit Ultraschall beaufschlagbar ist, um in einem Bauteil Lamb-Wellen anzuregen und/oder das Ultraschallempfängermodul (106) in Prüfpositionen bewegt wird, in der von einem Bauteil abgestrahlte Ultraschallwellen empfangbar sind, und Computerprogrammprodukt umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Programms durch eine Kontrollvorrichtung diese veranlassen, ein derartiges Verfahren auszuführen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Prüfvorrichtung zum zerstörungsfreien Prüfen von Bauteilen, die Prüfvorrichtung aufweisend ein Trägermodul, ein Ultraschallsendermodul zum Senden von Ultraschall, ein Ultraschallempfängermodul zum Empfangen von Ultraschall und wenigstens ein Aktuatormodul. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum zerstörungsfreien Prüfen von Bauteilen mithilfe einer Prüfvorrichtung. Außerdem betrifft die Erfindung ein Computerprogrammprodukt.
Aus dem Dokument DE 10 2014 105 110 A1 ist eine Prüfeinrichtung bekannt zum zerstörungsfreien Prüfen von Bauteilen, insbesondere Faserverbundbauteilen, die eine Sendeeinrichtung zum Senden von Ultraschall und eine Empfangseinrichtung zum Empfangen von Ultraschall aufweist, wobei die Sendeeinrichtung und die Empfangseinrichtung jeweils voneinander gesondert translatorisch und/oder rotatorisch einstellbar sind. Außerdem ist aus dem Dokument DE 10 2014 105 110 A1 ein Verfahren bekannt zum zerstörungsfreien Prüfen von Bauteilen, insbesondere Faserverbundbauteilen, mithilfe einer Prüfeinrichtung mit einer Sendeeinrichtung zum Senden von Ultraschall und einer Empfangseinrichtung zum Empfangen von Ultraschall, wobei zunächst die Sendeeinrichtung und/oder die Empfangseinrichtung unter Berücksichtigung einer digitalen Repräsentation eines zu prüfenden Bauteils und an eine jeweilige Prüfposition angepasst eingestellt werden und nachfolgend Ultraschall berührungslos in das Bauteil eingeleitet wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine eingangs genannte Prüfvorrichtung strukturell und/oder funktionell zu verbessern. Außerdem liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein eingangs genanntes Verfahren zu verbessern. Außerdem liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein eingangs genanntes Computerprogrammprodukt bereitzustellen.
Die Aufgabe wird gelöst mit einer Prüfvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Außerdem wird die Aufgabe gelöst mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 8. Außerdem wird die Aufgabe gelöst mit einem Computerprogrammprodukt mit den Merkmalen des Anspruchs 14. Vorteilhafte Ausführungen und/oder Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die Prüfvorrichtung kann zum berührungslosen Prüfen von Bauteilen dienen. Die Prüfvorrichtung kann zur Ultraschallprüfung von Bauteilen dienen. Die Prüfvorrichtung kann zur koppelmittelfreien Ultraschallprüfung von Bauteilen dienen. Die Prüfvorrichtung kann zur Anordnung an einem Industrieroboter dienen. Die Prüfvorrichtung kann mithilfe eines Industrieroboters bewegbar sein. Die Prüfvorrichtung kann als Effektor eines Industrieroboters dienen. Der Industrieroboter kann eine Kontrollvorrichtung aufweisen. Die Kontrollvorrichtung des Industrieroboters kann als Kontrollvorrichtung der Prüfvorrichtung dienen. Die Prüfvorrichtung kann mithilfe eines Industrieroboters bewegbar sein. Die Prüfvorrichtung kann mithilfe eines Industrieroboters entlang einer Prüfbahn bewegbar sein.
Ein Bauteil kann in einem fertigen, teilfertigen oder unfertigen Herstellungszustand vorliegen. Ein Bauteil kann ein Flugzeugteil sein. Ein Bauteil kann beispielsweise ein Rumpfteil oder ein Seitenleitwerkteil sein. Ein Bauteil kann ein Fahrzeugteil sein. Ein Bauteil kann beispielsweise ein Karosserieteil sein. Ein Bauteil kann gekrümmt sein. Ein Bauteil kann einfach oder mehrfach gekrümmt sein. Ein Bauteil kann als Faserverbundbauteil hergestellt sein. Ein Faserverbundbauteil kann Fasern aufweisen. Ein Faserverbundbauteil kann Glasfasern, Kohlenstofffasern, Keramikfasern, Aramidfasern, Naturfasern und/oder Kunststofffasern aufweisen. Die Fasern können gerichtet sein. Die Fasern können vorgegebene Verläufe aufweisen. Ein Faserverbundbauteil kann als Laminatbauteil hergestellt sein. Ein Faserverbundbauteil kann mehrere Lagen aufweisen. Die Fasern können als Gewebe, Gelege oder Matte vorliegen. Ein Faserverbundbauteil kann in einem Legeverfahren, Pressverfahren, Prepreg-Verfahren, Vakuum-Infusionsverfahren, Wickelverfahren oder Spritzverfahren hergestellt sein. Ein Faserverbundbauteil kann ein Spritzguss-Bauteil, Spritzpress-Bauteil, Strangzieh-Bauteil oder Sheet-Molding-Compound-Bauteil sein. Die Fasern können in einen Matrixwerkstoff eingebettet sein. Der Matrixwerkstoff kann ein thermoplastischer oder durplastischer Kunststoff sein.
Das Trägermodul kann einen Verbindungsabschnitt zur Verbindung mit einem Industrieroboter aufweisen. Der Verbindungsabschnitt kann eine Schnellwechselkupplung aufweisen. Das Trägermodul kann einen Basisabschnitt und/oder einen Armabschnitt aufweisen. Das Ultraschallsendermodul kann wenigstens einen Ultraschallsender aufweisen. Mithilfe des Ultraschallsendermoduls kann ein Bauteil mit Ultraschall beaufschlagbar sein, um in dem Bauteil Lamb-Wellen anzuregen. Das Ultraschallempfängermodul kann wenigstens einen Ultraschallempfänger aufweisen. Mithilfe des Ultraschallempfängermoduls kann Ultraschall empfangbar sein, der durch Lamb-Wellen in einem Bauteil von diesem abgestrahlt wird. Das Ultraschallsendermodul und/oder das Ultraschallempfängermodul können/kann auch als Prüfkopf bezeichnet werden.
Lamb-Wellen können auch als Plattenwellen bezeichnet werden. Mithilfe des eingeleiteten Ultraschalls können in dem zu prüfenden Bauteil Schwingungen angeregt werden, bei denen Auslenkungen sowohl senkrecht zu einer Bauteiloberfläche als auch in Ausbreitungsrichtung parallel zur Bauteiloberfläche vorkommen. Die Lamb-Wellen können gemischte Druck- und Scherwellen sein. Die Lamb-Wellen können symmetrisch sein. Bei symmetrischen Lamb-Wellen können sich an einer Position des Bauteils gegenüberliegende Bauteiloberflächen zugleich von einer Bauteilmitte weg und wieder auf die Bauteilmitte zu bewegen. Die Lamb-Wellen können antisymmetrisch sein. Bei antisymmetrischen Lamb-Wellen können sich an einer Position des Bauteils gegenüberliegende Bauteiloberflächen zugleich in dieselbe Richtung bewegen. Bei antisymmetrischen Lamb-Wellen kann sich an einer Position des Bauteils eine Bauteiloberfläche von einer Bauteilmitte wegbewegen, während sich zugleich eine gegenüberliegende Bauteiloberfläche auf die Bauteilmitte zu bewegt und umgekehrt.
Eine Wellenlänge kann bezogen auf eine Bauteildicke lang sein. Dann können symmetrische Lamb-Wellen im Wesentlichen Longitudinalwellen mit Ausbreitungsrichtung in der Bauteilebene sein, eine Bewegung quer dazu kann durch Querkontraktionen zustande kommen. Antisymmetrische Lamb-Wellen können dann Biegeschwingungen des Bauteils sein.
Eine Wellenlänge kann bezogen auf eine Bauteildicke kurz sein. Dann können für eine Wellenlänge mehrere Schwingungsmodi auftreten. Bei höheren Schwingungsmodi können in Dickenrichtung des Bauteils mehrere gegeneinander schwingende Bereiche auftreten. Wenn die Wellenlänge wesentlich kleiner als die Bauteildicke ist, kann die Lamb-Welle zur Überlagerung von zwei Rayleigh-Wellen werden. Derartige Wellen können auch als Lamb-Rayleigh-Wellen bezeichnet werden.
Die Lamb-Wellen können dispersiv sein. Dann kann eine Ausbreitungsgeschwindigkeit, d. h. eine Phasengeschwindigkeit und eine Gruppengeschwindigkeit, von einer Wellenlänge abhängen. Die Lamb-Wellen können eine quasi-konstante Ausbreitungsgeschwindigkeit aufweisen. Bedingt durch Lamb-Wellen in dem Bauteil kann von dem Bauteil Ultraschall abstrahlbar sein.
Die Prüfvorrichtung kann ein einziges Aktuatormodul aufweisen. Das einzige Aktuatormodul kann zwischen dem Trägermodul und dem Ultraschallempfängermodul wirksam sein. Das Ultraschallsendermodul kann ohne Zwischenschaltung eines Aktuatormoduls mit dem Trägermodul verbunden sein. Das Ultraschallsendermodul kann fest mit dem Trägermodul verbunden sein. Das einzige Aktuatormodul kann zwischen dem Trägermodul und dem Ultraschallsendermodul wirksam sein. Das Ultraschallempfängermodul kann ohne Zwischenschaltung eines Aktuatormoduls mit dem Trägermodul verbunden sein. Das Ultraschallempfängermodul kann fest mit dem Trägermodul verbunden sein. Die Prüfvorrichtung kann ein erstes Aktuatormodul und ein zweites Aktuatormodul aufweisen. Das erste Aktuatormodul kann zwischen dem Trägermodul und dem Ultraschallsendermodul wirksam sein. Das zweite Aktuatormodul kann zwischen dem Trägermodul und dem Ultraschallempfängermodul wirksam sein.
Mithilfe des ersten Aktuatormoduls können/kann das Ultraschallsendermodul und/oder das Ultraschallempfängermodul mit einem Freiheitsgrad f ≥ 3 relativ zu dem Trägermodul bewegbar sein. Das Ultraschallsendermodul und/oder das Ultraschallempfängermodul können/kann zusammen mit dem Trägermodul mit einem Freiheitsgrad f = 6 bewegbar sein.
Das wenigstens eine Aktuatormodul kann Gelenke und Arme aufweisen. Die Gelenke können antreibbar sein. Die Gelenke können jeweils einen Antrieb aufweisen. Die Gelenke und die Arme können eine kinematische Kette bilden. Arme können mithilfe eines Gelenks miteinander verbunden sein. Das wenigstens eine Aktuatormodul kann mithilfe eines Gelenks mit dem Trägermodul verbunden sein. Das Ultraschallsendermodul und/oder das Ultraschallempfängermodul können/kann mithilfe eines Gelenks mit dem wenigstens einen Aktuatormodul verbunden sein. Das wenigstens eine Aktuatormodul kann drei Gelenke und zwei Arme aufweisen.
Das Ultraschallsendermodul und/oder das Ultraschallempfängermodul können/kann mithilfe des wenigstens einen Aktuatormoduls in zwei Translationsfreiheitgraden und einem Rotationsfreiheitsgrad bewegbar sein.
Das wenigstens eine Aktuatormodul kann zwei Lineargelenke und ein Drehgelenk aufweisen. Das wenigstens eine Aktuatormodul kann drei Drehgelenke mit parallelen Drehachsen aufweisen. Die Drehachsen können voneinander beabstandet sein.
Das wenigstens eine Aktuatormodul kann einen Antrieb für jeden Freiheitsgrad aufweisen. Die Antriebe können jeweils einen Motor, wie Elektromotor, ein Getriebe und/oder Sensoren, wie Positions-, Geschwindigkeits- und/oder Drehmomentsensoren, aufweisen. Die Antriebe können Antriebe der Gelenke des wenigstens einen Aktuatormoduls sein. Die Antriebe können koordiniert kontrollierbar sein. Die Antriebe können insgesamt und/oder gruppenweise koordiniert kontrollierbar sein. Ein Kontrollieren kann ein elektrisches Kontrollieren sein. Ein Kontrollieren kann ein regelungstechnisches und/oder steuerungstechnisches Kontrollieren sein. Die Antriebe können jeweils ein Kommunikationsmodul zur Kommunikation untereinander und/oder mit einer Kontrollvorrichtung aufweisen.
Die Prüfvorrichtung kann eine Kontrollvorrichtung zum koordinierten Kontrollieren der Antriebe aufweisen. Die Kontrollvorrichtung kann eine elektrische Kontrollvorrichtung sein. Die Kontrollvorrichtung kann zum regelungstechnischen und/oder steuerungstechnischen Kontrollieren dienen. Die Kontrollvorrichtung kann einen Prozessor aufweisen. Die Kontrollvorrichtung kann einen Computer aufweisen. Die Kontrollvorrichtung kann einen Programmspeicher und/oder einen Datenspeicher aufweisen. Die Kontrollvorrichtung kann wenigstens eine Datenschnittstelle aufweisen.
Das Verfahren kann automatisiert durchgeführt werden. Das Verfahren kann im Rahmen einer Serienfertigung durchgeführt werden. Das Prüfen kann ein Erkennen und Lokalisieren von Defekten umfassen. Das Verfahren kann als Reflexionsschallverfahren durchgeführt werden. Das Verfahren kann als Durchschallungsverfahren durchgeführt werden. Das Verfahren kann in einem kombinierten Verfahren durchgeführt werden. Zum Durchführen des Verfahrens können das Ultraschallsendermodul und das Ultraschallempfängermodul auf derselben Bauteilseite angeordnet sein. Zum Durchführen des Verfahrens können das Ultraschallsendermodul und das Ultraschallempfängermodul an unterschiedlichen Seiten des Bauteils angeordnet sein.
Das Ultraschallsendermodul kann zusammen mit dem Trägermodul in Prüfpositionen bewegt werden. Das Ultraschallsendermodul kann mithilfe des wenigstens einen Aktuatormoduls in Prüfpositionen bewegt werden. Das Ultraschallempfängermodul kann zusammen mit dem Trägermodul in Prüfpositionen bewegt werden. Das Ultraschallempfängermodul kann mithilfe des wenigstens einen Aktuatormoduls in Prüfpositionen bewegt werden.
Die Prüfposition des Ultraschallsendermoduls kann eine Position sein, in der das Ultraschallsendermodul einen vorbestimmten Abstand von dem Bauteil und/oder einen vorbestimmten Winkel zu einer Oberfläche des Bauteils aufweist. Dieser Winkel kann auch als Einschallwinkel bezeichnet werden. Die Prüfposition des Ultraschallsendermoduls kann von lokalen Parametern des Bauteils abhängig sein. Die Prüfposition des Ultraschallempfängermoduls kann eine Position sein, in der das Ultraschallempfängermodul einen vorbestimmten Abstand von dem Bauteil und/oder einen vorbestimmten Winkel zu einer Oberfläche des Bauteils aufweist. Die Prüfposition des Ultraschallempfängermoduls kann von lokalen Parametern des Bauteils abhängig sein. In den Prüfpositionen kann zwischen dem Ultraschallsendermodul und/oder dem Ultraschallempfängermodul einerseits und dem Bauteil andererseits eine Luftschicht vorhanden sein.
Das Ultraschallsendermodul kann mithilfe eines Industrieroboters bewegt werden. Das Ultraschallsendermodul kann mithilfe des wenigstens einen Aktuatormoduls bewegt werden. Das Ultraschallempfängermodul kann mithilfe eines Industrieroboters bewegt werden. Das Ultraschallempfängermodul kann mithilfe des wenigstens einen Aktuatormoduls in die Prüfpositionen bewegt werden.
Das Ultraschallsendermodul und das Ultraschallempfängermodul können hierarchisch kontrolliert bewegt werden. Das Ultraschallsendermodul und das Ultraschallempfängermodul können nach einem Master-Slave-Prinzip bewegt werden. Das Ultraschallsendermodul kann eine Master-Funktion und das Ultraschallempfängermodul kann eine Slave-Funktion übernehmen. Das Ultraschallempfängermodul kann eine Master-Funktion und das Ultraschallsendermodul kann eine Slave-Funktion übernehmen.
Prüfpositionen des Ultraschallsendermoduls und/oder Prüfpositionen des Ultraschallempfängermoduls können mithilfe einer digitalen Repräsentation des Bauteils bestimmt werden. Prüfpositionen des Ultraschallsendermoduls und/oder Prüfpositionen des Ultraschallempfängermoduls können mithilfe einer CAD-Software und einer Software zur Lösung mathematischer Probleme und zur grafischen Darstellung der Ergebnisse bestimmt werden. Die digitale Repräsentation kann in einem Modellierungsverfahren erstellt sein. Die digitale Repräsentation kann CAD-Daten und/oder FEM-Daten umfassen. Die digitale Repräsentation kann ein Kantenmodell, Drahtmodell, Flächenmodell, Volumenmodell, Körpermodell oder parametrisches Modell sein. Die FEM-Daten können zur Festkörpersimulation dienen. Die digitale Repräsentation kann Informationen über eine Bauteilgeometrie, eine innere Struktur, ein Sandwichaufbau, einen Lagenaufbau und/oder eine Faserorientierung aufweisen.
Zum Bestimmen von Prüfpositionen des Ultraschallsendermoduls und/oder von Prüfpositionen des Ultraschallempfängermoduls können jeweils die Schritte Tesselieren von Oberflächenabschnitten eines Bauteils, Exportieren in STL-Datensätze, Extrahieren von Punktewolken, Anpassen von Punktewolken, Definieren von Gitterabständen und/oder Gitterpunkten, Festlegen von Abtastbahnen entlang von Gitterpunkten, Ermitteln von Bauteildickenwerten, Ermitteln lokaler Bauteilstrukturen, Bestimmen von Prüfwinkeln und Prüfabständen und/oder Anwenden lokaler Koordinatensystemverschiebungen durchgeführt werden.
Die Prüfvorrichtung kann entlang einer Prüfbahn bewegt werden. Die Prüfbahn kann entlang einer Abfolge von Prüfpositionen der Prüfvorrichtung verlaufen. Prüfpositionen der Prüfvorrichtung können durch Bewegen der Prüfvorrichtung relativ zu dem Bauteil angefahren werden. Jeder Prüfpositione der Prüfvorrichtung können Prüfpositionen des Ultraschallsendermoduls und/oder des Ultraschallempfängermoduls zugeordnet sein. Prüfpositionen des Ultraschallsendermoduls und/oder des Ultraschallempfängermoduls können durch Bewegen des Ultraschallsendermoduls und/oder des Ultraschallempfängermoduls relativ zu dem Trägermodul angefahren werden. Bei einem Bewegen der Prüfvorrichtung entlang der Prüfbahn können/kann das Ultraschallsendermodul und/oder das Ultraschallempfängermodul bahnsynchron verstellt werden.
Das Verfahren kann ein computerimplementiertes Verfahren sein. Das Computerprogrammprodukt kann durch eine Kontrollvorrichtung des Industrieroboters und/oder durch eine Kontrollvorrichtung der Prüfvorrichtung ausgeführt werden. Das Computerprogrammprodukt kann in ausführbarer oder installierbarer Form vorliegen. Das Computerprogrammprodukt kann auf einem computerlesbaren Speichermedium vorliegen. Das Computerprogrammprodukt kann als elektromagnetisches Trägersignal vorliegen.
Zusammenfassend und mit anderen Worten dargestellt ergibt sich somit durch die Erfindung unter anderem eine luftgekoppelte Ultraschallprüfung mit adaptiver Lamb-Wellen-Anregung.
Das Verfahren kann mithilfe einer Softwarekette durchgeführt werden. Die Softwarekette kann wenigstens zwei Komponenten aufweisen. Die wenigstens zwei Komponenten können funktionell gesondert oder funktionell zusammengefasst sein. Die Softwarekette kann CATIA und MATLAB aufweisen. Begonnen werden kann mit einem CAD-Model des Bauteils in CATIA. Eine obere und untere Oberfläche des Bauteils können separat tesseliert und zu zwei STL-Datensätzen exportiert werden. Diese Daten können in MATLAB importiert werden. Eine Punktewolke dieser Oberflächen kann extrahiert und in MATLAB gefittet werden. Nun können Gitterabstände definiert werden und ob eine Abzeilung parallel zu einer x- oder y-Achse erfolgen soll. Es können quadratische Gitterpunkte x_i,y_i in der x-y-Ebene erzeugt werden, wobei eine Ausdehnung der gesamten Oberfläche des Bauteils abgedeckt werden kann. Die Messpunkte können so angeordnet werden, dass abwechselnd Zeilen in positiver und negativer Richtung abgefahren werden. Durch Auswertung einer Fitfunktion an den Punkten x_i,y_i kann eine bisher fehlende dritte Koordinate z_i erhalten werden. An jedem Gitterpunkt können nun Dreibeine, bestehend aus einer Bewegungsrichtung ${\vec{t}}_{i},$
einer Oberflächennormalen ${\vec{n}}_{i}$
und einer Binormalen ${\vec{b}}_{i}$
berechnet werden.
Während des Prozesses können sich die Positionen der Prüfköpfe zueinander während der Prüffahrt gemäß einer Einschallwinkellandkarte ändern. Jeder Prüfkopf kann drei Freiheitsgrade aufweisen, insbesondere zwei translatorische (Verschiebung) und einen rotatorischen. Dies kann entweder durch eine Kombination aus zwei prismatischen Gelenken und einem Drehgelenk implementiert werden oder durch drei in einer Ebene bewegliche Drehgelenke.
Der adaptive Endeffektor kann eine Schnellwechselkupplung, ein Aluminiumprofil und Aktuatoren aufweisen. Die Aktuatoren können an Verbindungsarmen aus Aluminium so nah wie möglich zueinander befestigt sein. In einer Anfangssituation können die Prüfköpfe parallel zueinander ausgerichtet und die beiden Verbindungsarme in einer 45-90-45-Ausrichtung angeordnet sein. Alle festen Teile können mit Referenzbohrungen versehen sein, welche mit einem Laser Tracker vermessen werden können.
Die Prüfvorrichtung, das Ultraschallsendermodul und/oder das Ultraschallempfängermodul können/kann jeweils entlang einer Trajektorie geführt werden. Die Trajektorien können durch Posen der Prüfköpfe in Form von Wegpunkten definiert sein. Die Trajektorien können synchronisiert werden, sodass die Wegpunkte jeweils zur selben Zeit erreicht werden
Ein Master-Slave Prinzip kann implementiert werden. Ein Sender kann an einem Roboter montiert sein, welcher das Bauteil abfährt. Der Empfänger kann vom einem Aktuatormodul geführt werden, der sich entsprechend der Senderposition einstellt. Um eine Trajektorie des Roboters zu generieren, kann ein Programm für einen Roboter Controller aus den berechneten Senderposen generiert werden. Dies kann mittels eines Programm-Generators geschehen, der als Teil der Softwarekette implementiert sein kann. Die Posen für den Arm des Aktuatormoduls können ebenfalls in MATLAB generiert und als CSV-Datensatz (comma separated value) exportiert werden. Der Roboter Controller kann die Senderpose und den aktuellen Wegpunkt in Echtzeit an einen Computer senden. Der Computer kann die Senderpose und den Wegpunkt nutzen, um die Empfängerposition zu interpolieren und nutzt eine Schnittstelle des Aktuatormoduls, um die Trajektorie in Echtzeit zu planen.
Mit der Erfindung wird ein Aufwand, wie Zeitaufwand und/oder Kostenaufwand, für eine Herstellung von Bauteilen, insbesondere von Faserverbundbauteilen, reduziert. Eine Bauteilqualität und/oder eine Reproduzierbarkeit werden/wird erhöht. Manuelle Arbeitsanteile können reduziert werden, ein Automatisierungsgrad kann erhöht werden. Eine prozessintegrierbare Qualitätssicherung wird ermöglicht. Eine Prüfung und/oder Auswertung auch größerer Bauteile wird ermöglicht, vereinfacht und/oder verbessert. Unterbrechungen eines Prüfprozesses können vermieden werden, eine Prüfung kann kontinuierlich erfolgen. Es wird eine kompakte Kinematik bereitgestellt, die ein reduziertes Kollisionsrisiko aufweist. Gleichzeitig wird ein ausreichend großer Arbeitsraum zur Verfügung gestellt. Zwischen den beiden Prüfköpfen kann ein breiter Winkelbereich eingestellt werden. Eine Präzision der Prüfvorrichtung wird erhöht. Fertigungsungenauigkeiten als Fehlerquellen in der Messgenauigkeit der Ultraschallprüfung können ausgeschaltet werden.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf Figuren näher beschrieben, dabei zeigen schematisch und beispielhaft:

1 einen Industrieroboter mit einer Prüfvorrichtung zur automatisierten Ultraschallprüfung von Bauteilen,
2 eine Prüfvorrichtung mit einem Ultraschallsendermodul und einem Ultraschallempfängermodul zur automatisierten Ultraschallprüfung von Bauteilen und
3 ein Ultraschallsendermodul und ein Ultraschallempfängermodul einer Prüfvorrichtung in Prüfpositionen an einem Bauteil.

1 zeigt einen Industrieroboter 100 mit einer Prüfvorrichtung 102. 2 zeigt die Prüfvorrichtung 102 mit einem Ultraschallsendermodul 104 und einem Ultraschallempfängermodul 106. 3 zeigt das Ultraschallsendermodul 104 und das Ultraschallempfängermodul 106 der Prüfvorrichtung 102 in Prüfposition an einem Bauteil 108.
Die Prüfvorrichtung 102 dient als Effektor des Industrieroboters 100 zur automatisierten Ultraschallprüfung von Bauteilen, wie 108. Das Bauteil 108 ist beispielsweise ein Faserverbundbauteil mit mehreren Faserlagen, bei dem die Fasern vorgegebene Verläufe aufweisen. Mithilfe des Industrieroboters 100 kann die Prüfvorrichtung 102 bewegt und kontrolliert werden.
Die Prüfvorrichtung 102 weist ein Trägermodul 110 auf. Das Ultraschallsendermodul 104 ist mit dem Trägermodul 110 fest verbunden. Damit ist die Prüfvorrichtung 102 mithilfe des Industrieroboters 100 mit einem Freiheitsgrad f = 6 bewegbar.
Die Prüfvorrichtung 102 weist ein Aktuatormodul 112 auf. Das Aktuatormodul 112 ist einerseits mit dem Trägermodul 110 und andererseits mit dem Ultraschallempfängermodul 106 verbunden. Das Aktuatormodul 112 weist drei antreibbare Drehgelenke 114, 116, 118 mit parallelen Drehachsen und zwei in etwa in einer gemeinsamen Ebene angeordnete Arme 120, 122 auf. Das Drehgelenk 114 ist zwischen dem Trägermodul 110 und dem Arm 120 wirksam. Das Drehgelenk 116 ist zwischen dem Arm 120 und dem Arm 122 wirksam. Das Drehgelenk 118 ist zwischen dem Arm 122 und dem Ultraschallempfängermodul 106 wirksam. Damit ist das Ultraschallempfängermodul 106 mit einem Freiheitsgrad f = 3 in zwei Translationsfreiheitgraden und einem Rotationsfreiheitsgrad relativ zu dem Trägermodul 110 bewegbar.
Die Drehgelenke 114, 116, 118 weisen jeweils einen Antrieb mit Elektromotor, Getriebe, Sensoren und Daten-/Leistungsschnittstelle auf und sind koordiniert kontrollierbar.
In 2 ist das Ultraschallempfängermodul 106 in einer zu dem Ultraschallsendermodul 104 parallelen Ausgangsposition gezeigt, eine Prüfposition, in der das Ultraschallempfängermodul 106 zu dem Ultraschallsendermodul 104 winklig angeordnet ist, ist gestrichelt dargestellt.
Zum Prüfen des Bauteils 108 wird die Prüfvorrichtung 102 mithilfe des Industrieroboters 100 bewegt, bis das Ultraschallsendermodul 104 seine in 3 gezeigte Prüfposition erreicht hat, in der das Ultraschallsendermodul 104 bezüglich einer Oberfläche 124 des Bauteils 108 einen vorgegebenen Abstand und einen vorgegebenen Winkel aufweist. Gleichzeitig wird das Ultraschallempfängermodul 106 mithilfe des Aktuatormoduls 112 in seine in 3 gezeigte Prüfposition bewegt, in der das Ultraschallempfängermodul 106 bezüglich einer Oberfläche 124 des Bauteils 108 einen vorgegebenen Abstand und einen vorgegebenen Winkel aufweist.
In der Prüfposition wird das Bauteil 108 mithilfe des Ultraschallsendermoduls 104 mit Ultraschall beaufschlagt, sodass in dem Bauteil 108 Lamb-Wellen angeregt werden. Durch die Lamb-Wellen wird von dem Bauteil 108 Ultraschall abgestrahlt, der in der der Prüfposition mithilfe des Ultraschallempfängermodul 106 empfangen wird. Signale des Ultraschallsendermoduls 104 und des Ultraschallempfängermodul 106 werden zur Prüfung des Bauteils 108 ausgewertet.
Die Prüfvorrichtung 102 wird entlang einer Prüfbahn bewegt, die entlang einer Abfolge von Prüfpositionen verläuft, dabei werden das Ultraschallsendermodul 104 und das Ultraschallempfängermodul 106 bahnsynchron verstellt.
Mit „kann“ sind insbesondere optionale Merkmale der Erfindung bezeichnet. Demzufolge gibt es auch Weiterbildungen und/oder Ausführungsbeispiele der Erfindung, die zusätzlich oder alternativ das jeweilige Merkmal oder die jeweiligen Merkmale aufweisen.
Aus den vorliegend offenbarten Merkmalskombinationen können bedarfsweise auch isolierte Merkmale herausgegriffen und unter Auflösung eines zwischen den Merkmalen gegebenenfalls bestehenden strukturellen und/oder funktionellen Zusammenhangs in Kombination mit anderen Merkmalen zur Abgrenzung des Anspruchsgegenstands verwendet werden.
Bezugszeichenliste

100: Industrieroboter
102: Prüfvorrichtung
104: Ultraschallsendermodul
106: Ultraschallempfängermodul
108: Bauteil
110: Trägermodul
112: Aktuatormodul
114: Drehgelenk
116: Drehgelenk
118: Drehgelenk
120: Arm
122: Arm
124: Oberfläche

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102014105110 A1 [0002]

Claims

Prüfvorrichtung (102) zum zerstörungsfreien Prüfen von Bauteilen (108), die Prüfvorrichtung (102) aufweisend ein Trägermodul (110), ein Ultraschallsendermodul (104) zum Senden von Ultraschall, ein Ultraschallempfängermodul (106) zum Empfangen von Ultraschall und wenigstens ein Aktuatormodul (112), dadurch gekennzeichnet, dass das Ultraschallsendermodul (104) und/oder das Ultraschallempfängermodul (106) mithilfe des wenigstens einen Aktuatormoduls (112) mit einem Freiheitsgrad f ≥ 3 bewegbar sind/ist.
Prüfvorrichtung (102) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ultraschallsendermodul (104) und/oder das Ultraschallempfängermodul (106) mithilfe des wenigstens einen Aktuatormoduls (112) in zwei Translationsfreiheitgraden und einem Rotationsfreiheitsgrad bewegbar sind/ist.
Prüfvorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Aktuatormodul zwei Lineargelenke und ein Drehgelenk aufweist.
Prüfvorrichtung (102) nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Aktuatormodul (112) drei Drehgelenke (114, 116, 118) mit parallelen Drehachsen aufweist.
Prüfvorrichtung (102) nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Aktuatormodul (112) einen Antrieb für jeden Freiheitsgrad aufweist.
Prüfvorrichtung (102) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebe koordiniert kontrollierbar sind.
Prüfvorrichtung (102) nach wenigstens einem der Ansprüche 5 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Prüfvorrichtung (102) eine Kontrollvorrichtung zum koordinierten Kontrollieren der Antriebe aufweist.
Verfahren zum zerstörungsfreien Prüfen von Bauteilen (108) mithilfe einer Prüfvorrichtung (102) nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Ultraschallsendermodul (104) in Prüfpositionen bewegt wird, in der ein Bauteil (108) mit Ultraschall beaufschlagbar ist, um in einem Bauteil (108) Lamb-Wellen anzuregen und/oder das Ultraschallempfängermodul (106) in Prüfpositionen bewegt wird, in der von einem Bauteil (108) abgestrahlte Ultraschallwellen empfangbar sind.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Ultraschallsendermodul (104) mithilfe eines Industrieroboters und/oder des wenigstens einen Aktuatormoduls (112) und/oder das Ultraschallempfängermodul (106) mithilfe eines Industrieroboters und/oder des wenigstens einen Aktuatormoduls (112) in die Prüfpositionen bewegt wird.
Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 8 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Ultraschallsendermodul (104) und das Ultraschallempfängermodul (106) hierarchisch kontrolliert bewegt werden.
Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass Prüfpositionen des Ultraschallsendermoduls (104) und/oder Prüfpositionen des Ultraschallempfängermoduls (106) mithilfe einer CAD-Software und einer Software zur Lösung mathematischer Probleme und zur grafischen Darstellung der Ergebnisse bestimmt werden.
Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass zum Bestimmen von Prüfpositionen des Ultraschallsendermoduls (104) und/oder von Prüfpositionen des Ultraschallempfängermoduls (106) jeweils die Schritte Tesselieren von Oberflächenabschnitten eines Bauteils (108), Exportieren in STL-Datensätze, Extrahieren von Punktewolken, Anpassen von Punktewolken, Definieren von Gitterabständen und/oder Gitterpunkten, Festlegen von Abtastbahnen entlang von Gitterpunkten, Ermitteln von Bauteildickenwerten, Ermitteln lokaler Bauteilstrukturen, Bestimmen von Prüfwinkeln und Prüfabständen und/oder Anwenden lokaler Koordinatensystemverschiebungen durchgeführt werden.
Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Prüfvorrichtung (102) entlang einer Prüfbahn bewegt wird und dabei das Ultraschallsendermodul (104) und/oder das Ultraschallempfängermodul (106) bahnsynchron verstellt wird/werden.
Computerprogrammprodukt umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Programms durch eine Kontrollvorrichtung diese veranlassen, das Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 8 bis 13 auszuführen.