DE102019113500B4

DE102019113500B4 - Verfahren zum digitalen Wuchten eines Rotors

Info

Publication number: DE102019113500B4
Application number: DE102019113500.1A
Authority: DE
Inventors: Thomas Maywald; Christoph Rocky Heinrich; Arnold Kühhorn
Original assignee: Brandenburgische Technische Universitaet Cottbus
Current assignee: Brandenburgische Technische Universitaet Cottbus
Priority date: 2019-05-21
Filing date: 2019-05-21
Publication date: 2022-10-20
Anticipated expiration: 2039-05-22
Also published as: DE102019113500A1

Abstract

Verfahren zum digitalen Wuchten eines Rotors (10)umfassend die folgenden Schritte:a) Dreidimensionale Geometrievermessung des Rotors (10), wodurch digitale Messdaten erhalten werden, die die Oberfläche des realen Rotors (10) beschreiben,b) Erstellung eines numerischen Rotormodelles (10) auf Basis der dreidimensionalen Geometrievermessung,c) Berechnung des Versatzes (12) und/oder der Verdrehung (18) der Schwerachse (14) zur Drehachse am Rotormodell (10),d) Durchführung eines virtuellen Materialabtrags (22) und/oder Materialauftrags (20) am Rotormodell,e) Berechnung des Versatzes und/oder der Verdrehung der Schwerachse zur Drehachse für ein nach Schritt d) moduliertes Rotormodellf) Wiederholung der Schritte d) und e) zur Bestimmung einer optimierten Massenkonfiguration, welche den Versatz und/oder die Verdrehung der Schwerachse zur Drehachse minimiert,g) Übertragung der aufgefundenen optimierten Massenkonfiguration auf den realen Rotor (10).

Description

Die Erfindung betrifft in einem ersten Aspekt ein Verfahren zum digitalen Wuchten eines Rotors.
Stand der Technik:
Ein Rotor entspricht im Sinne der Erfindung vorzugsweise einem sich drehenden Maschinenteil, wobei solche Maschinenteile bei Rotation üblicherweise in Bezug auf die Drehachse einer gewissen Unwucht unterliegen. Solche unerwünschten Unwuchtphänomene können beispielsweise eine konstruktive Notwendigkeit darstellen oder durch die Fertigung des rotierenden Bauteils bedingt sein. Insbesondere durch den möglichen Versatz bzw. die mögliche Verdrehung der Schwerelinie in Bezug auf die Drehachse ergeben sich umlaufende Kräfte, die den Betrieb einer Maschine massiv beeinträchtigen oder ihr schaden können. Um derartige Schwingungsprobleme zu eliminieren, findet vor der Inbetriebnahme eines Rotors üblicherweise ein Massenausgleich statt, wobei die entsprechende Prozedur im Sinne der Erfindung bevorzugt als Wuchten bezeichnet wird.
Die Rotorunwucht wird nach aktuellem Stand der Technik zumeist experimentell identifiziert und anschließend durch einen Massenauftrag und/oder einen Massenabtrag ausgeglichen bzw. ausbalanciert. Das Auffinden eines optimalen Massenausgleichs erfolgt dabei insbesondere im Rahmen eines iterativen Verfahrens. Das bedeutet im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass die mit Blick auf die Minimierung der umlaufenden Last optimale Massenkonfiguration schrittweise im Rahmen wiederholter Rotationsversuche eingestellt wird. Dies geschieht vorzugsweise an einem Rotationsprüfstand.
Nachteilig an den Verfahren, die aus dem Stand der Technik bekannt sind, ist, dass die Inbetriebnahme bzw. der Unterhalt der benötigten Prüfstände zeit- und kostenintensiv ist. Die verwendete Anlage muss an das jeweilige Bauteil bzw. an den jeweiligen Rotor angepasst werden, wobei nicht jede Rotorkontur gleichermaßen gut oder überhaupt zugänglich ist. Bei nicht oder schwer zugänglichen Rotorbestandteilen wird das Wuchten erst durch den Einsatz von Hilfskonstruktionen möglich, die den finanziellen und personellen Aufwand für das Wuchten weiter erhöhen. Das experimentelle Wuchten repräsentiert einen zusätzlichen Arbeitsschritt des Rotors im Rahmen des Fertigungsprozesses für den Rotor und verlängert diesen somit oder gestaltet ihn aufwändiger.
Die US 2016/0033006 A1 offenbart ein Verfahren sowie ein Computerprogramm für das Wuchten von Kurbelwellen. Zunächst wird ein dreidimensionaler Scan der Kurbelwelle erzeugt. Der Scan wird ferner zu einem 3D-Modell bearbeitet. In einem nachfolgenden Schritt werden Querschnitte des 3D-Modells mit Querschnitten eines Bearbeitungsmodells verglichen. Das Bearbeitungsmodell ist durch einen vorbestimmten Eingriffsbereich der materialabtragenden Fertigungsmaschinen definiert. Aus dem Vergleich wird bestimmt, welche Bereiche der jeweiligen Querschnitte innerhalb der Kurbelwelle entfernt werden, unter der Annahme, dass eine ausgewählte Drehachse der Kurbelwelle äquivalent zur Achse des Bearbeitungsmodells ist. Anschließend wird eine Massenverteilung der neu berechneten Kurbelwelle bestimmt und analysiert. Die Analyse umfasst eine Überprüfung, ob die ausgewählte Drehachse im Hinblick auf eine Unwucht für die neu berechnete Kurbelwelle geeignet wäre. Falls die Analyse zu dem Ergebnis kommt, dass die Drehachse zu einer nachteiligen Unwucht der neu bearbeiteten Kurbelwelle führen würde, wird der Vorgang des Vergleichs des 3D Models mit dem Bearbeitungsmodell unter Annahme einer veränderten Drehachse durchgeführt. Im Falle einer geeigneten Drehachse wird die Kurbelwelle aufgrund der bestimmten Bereiche, die unter Verwendung der ermittelten (geeigneten) Drehachse entfernt werden sollen, fertigungstechnisch bearbeitet.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Wuchten eines Rotors bereitzustellen, das nicht die Mängel und Nachteile des Standes der Technik aufweist. Insbesondere ist es ein Anliegen der Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, bei dem auf das kostenintensive und aufwändige Vorhalten von Rotationsprüfständen verzichtet werden kann. Darüber hinaus sollen besonders robuste und mechanisch stabile Rotoren bereitgestellt werden, die besonders unkompliziert, schnell und mit geringem Personalaufwand gewuchtet werden können, so dass sich insbesondere der Fertigungsprozess für Rotoren vereinfacht und verbilligt.
Beschreibung der Erfindung:
Gelöst wird die Aufgabe durch die Merkmale des unabhängigen Anspruches. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Erfindungsgemäß ist ein Verfahren zum digitalen Wuchten eines Rotors vorgesehen, das die folgenden Schritte umfasst:

a) Dreidimensionale Geometrievermessung des Rotors, wodurch digitale Messdaten erhalten werden, die die Oberfläche des realen Rotors beschreiben,
b) Erstellung eines numerischen Rotormodelles auf Basis der dreidimensionalen Geometrievermessung
c) Berechnung des Versatzes und/oder der Verdrehung der Schwerachse zur Drehachse am Rotormodell
d) Durchführung eines virtuellen Materialabtrags bzw. Materialauftrags am Rotormodell ,
e) Berechnung des Versatzes und/oder der Verdrehung der Schwerachse zur Drehachse für ein nach Schritt d) moduliertes Rotormodell
f) Wiederholung der Schritte d) und e) zur Bestimmung einer optimierten Massenkonfiguration, welche den Versatz und/oder die Verdrehung der Schwerachse zur Drehachse minimiert,
g) Übertragung der für das Rotormodell aufgefundenen optimierten Massenkonfiguration auf den realen Rotor.

Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren zum digitalen Wuchten auf Grundlage einer dreidimensionalen Oberflächenvermessung bzw. ein Verfahren zur Identifizierung einer Rotorunwucht, wobei die Ergebnisse einer Geometrievermessung des Rotors ausgenutzt werden, um die Rotorunwucht mittels eines numerischen Simulationsverfahrens, beispielsweise einer Finite Elemente-Simulation (FE-Simulation, einer Generalisierten Finite Elemente Methode oder eines Isogeometrischen Verfahrens, zunächst digital am Rotormodell und später am tatsächlichen Rotor zu minimieren. Das vorgeschlagene Verfahren ist mit dem Vorteil verbunden, dass das im Stand der Technik bekannte experimentelle Wuchten eines Rotors ersetzt werden kann durch das vorgeschlagene digitale Wuchtverfahren. Insbesondere wird das aus dem Stand der Technik bekannte Experimentieren am realen Rotor, bei dem Material an den Rotor hinzugefügt oder von diesem abgetragen wird, ersetzt durch digitale Arbeitsschritte an einem Modell des Rotors, das vorzugsweise durch numerische Simulation, wie beispielsweise eine FE-Simulation auf Basis der dreidimensionalen Geometrievermessung erhalten wird.
Vorzugsweise werden die sonst üblicherweise am realen Rotor vorgenommenen Materialabträge und/oder Materialaufträge bzw. ihre Auswirkungen auf das Rotationsverhalten des Rotors an dem Modell des Rotors simuliert, um zu prüfen, an welchen Stellen bzw. Bereichen des Rotors Material hinzugefügt oder abgetragen werden muss, um ein optimales Rotationsverhalten des Rotors zu erhalten. Die Begriffe „Modell des Rotors“, „Rotormodell“, „numerisches Modell“ „digitaler Rotor“, „Rechenmodell des Rotors“, „numerisches Simulationsmodell des Rotors“ oder dergleichen werden im Sinne der Erfindung synonym verwandt und bezeichnen bevorzugt ein mittels eines computerimplementieren Verfahrens generiertes Modell des Rotors, welches auf Messdaten einer dreidimensionale Geometrievermessung des realen Rotors und nummerischen Simulationsmethoden basiert.
Eine Optimierung des Rotationsverhaltens des Rotors bzw. Rotormodelles besteht im Sinne der Erfindung vorzugsweise darin, einen Versatz und/oder eine Verdrehung der Schwerachse des Rotors in Bezug auf die Drehachse zu minimieren.
Der Begriffe Drehachse bezeichnt bevorzugt jene Achse, um welche sich der Rotor in der vorgesehenen Anwendung tatsächlich dreht bzw. rotiert. Die Drehachse eines jeden Rotors ist bautechnisch vorgegeben und wird beispielsweise durch entsprechende Anschlussmöglichkeiten an eine Antriebswelle definiert. Für einen Propeller entspricht die Drehachse beispielsweise der Propellerachse.
Die Schwerachse kann auch als Hauptachse oder Hauptträgheitsachse bezeichnet, werden und entspricht einer Rotationsachse eines Körpers, um die der Körper rotieren kann ohne, dass eine dynamische Unwucht auftritt. D.h. bei einer Rotation um die Schwerachse kann die Richtung der Rotationsachse konstant bleiben, ohne dass ein äußeres Drehmoment einwirken muss. Die Schwerachse verläuft durch den Schwerpunkt des Rotors. Die Schwerachse kann mit der Drehachse zusammenfallen. In der Regel ist die Schwerachse jedoch nicht mit der Drehachse identisch, wobei es zu einem Versatz oder einer Verdrehung kommen kann.
Mit anderen Worten ist es im Sinne der Erfindung bevorzugt, einen Rotor mit minimalem Versatz bzw. einer minimalen Verdrehung der Schwerachse zu finden. Der Begriff „Versatz“ steht im Sinne der Erfindung bevorzugt für eine Verschiebung der Drehachse in Bezug auf die Schwerachse des Rotors. Mit anderen Worten entspricht der Versatz vorzugsweise dem Abstand zwischen der Schwerachse und der Drehachse des Rotors. Der Begriff „Verdrehung“ meint im Sinne der Erfindung bevorzugt das Vorliegen eines Schnittwinkels größer 0° zwischen Schwerachse und Drehachse.
Ein weiterer Vorteil des vorgeschlagenen Verfahrens besteht darin, dass bei der Durchführung des Verfahrens ggf. auf bereits zur Verfügung stehende digitale Daten zurückgegriffen werden kann. Denn beispielsweise können die digitalen Messdaten, wie sie in Schritt a) des Verfahrens erhoben werden, auch bei einer vorzugsweise hochgenauen Digitalisierung im Rahmen der Qualitätskontrolle ermittelt werden. Diese im Rahmen der Qualitätskontrolle ermittelten digitalen Messdaten können dann in den folgenden Schritten des Verfahrens verwendet werden, um den Rotor zu wuchten.
Bei einem Rotor handelt es sich im Sinne der Erfindung bevorzugt um ein Bauteil, das sich - beispielsweise im Kontext eines komplexen Geräts oder einer komplexen Maschine - um eine Drehachse dreht. Sich drehende Bauteile sind häufig rotationssymmetrisch bzw. zyklisch rotationssymmetrisch ausgebildet, d.h. im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass sie eine Massenverteilung aufweisen, wobei die Masse des Rotors vorzugsweise in alle Richtungen symmetrisch um die Drehachse angeordnet ist. Diese rotationssymmetrische bzw. zyklisch rotationssymmetrische Massenverteilung führt vorteilhafterweise dazu, dass der Rotor, wenn er sich dreht, möglichst „rund“ um die Drehachse rotiert, was vorzugsweise dadurch erreicht wird, dass keine ungleichen Fliehkräfte auf den Rotor wirken, die zu einer „unrunden“ Bewegung des Rotors führen würden.
Im Sinne der Erfindung meint der Begriff Unwucht bevorzugt, dass auftreten ungleicher Fliehkräfte bei Drehung des Rotors. Das Vorliegen einer Unwucht wird durch Reduktion des Versatzes oder der Verdrehung der Schwerachse zur Drehachse verringert. Verfahren zur Reduktionen einer Unwucht werden als Wuchten bezeichnet. Der Begriff „Digitales Wuchten“ meint im Sinne der Erfindung bevorzugt ein Wuchtverfahren welches Verfahrensschritte auf Basis eines computerimplementierten Verfahrens umfasst. Vorliegend erfolgen bevorzugt die Verfahrensschritte b) bis f) computerimplementiert. Diese umfassen insbesondere die Erstellung eines Rotormodelles sowie eine Berechnung des Versatzes und/oder der Verdrehung der Schwerachse zur Drehachse am Rotormodell in Bezug auf verschiedene Konfiguration von Materialaufträgen und/oder Materialabträgen. Die Übertragung der numerischen gefundenen optimierten Massenkonfiguration kann am gegenständlichen (realen) Rotor nach konventionellen, dem Fachmann bekannten Verfahrensschritten durchgeführt werden.
Durch das vorgeschlagene Verfahren werden die wesentlichen, bisher experimentell am realen Rotor durchgeführten Schritte zum Wuchten des Rotors digital durchgeführt, insbesondere durch eine Geometrievermessung des Rotors, eine Erstellung eines Rotormodelles, durch einen optionalen Abgleich mit einer Sollkontur und mit numerischen Simulationen, wie beispielsweise FE-Simulationen, des Massenausgleichs, bei denen verschiedene Kombinationen von Materialabträgen und Materialaufträgen an unterschiedlichen Stellen des Rotors simuliert werden, um einen effizienten und einen die Unwucht minimierenden Massenausgleich für den zu wuchtenden Rotor zu simulieren und diesen anschließend auf den realen Rotor zu übertragen.
Dadurch kann vorteilhafterweise auf das Vorhalten eines Rotationsprüfstandes verzichtet werden, wobei Rotationsprüfstände häufig sehr kostenintensiv und personalaufwändig im Betrieb sind.
Insbesondere kann mit dem vorgeschlagenen Verfahren auf das physische Wuchten des Rotors verzichtet werden, das üblicherweise in einem Rotationsprüfstand stattfindet. Stattdessen wird mit dem vorgeschlagenen Verfahren eine Prognose für einen optimalen Massenausgleich bereitgestellt, indem verschiedene Massenausgleiche an einem Rotormodell simuliert werden. Bei dem Rotormodell handelt es sich vorzugsweise um ein Finite Elemente-Modell (FE-Modell). Ein solches FE-Modell wird im Sinne der Erfindung vorzugsweise unter Anwendung von numerischen Simulationen, besonders bevorzugt Finite Elemente-Methoden erzeugt bzw. berechnet. Das Rotormodell und die entsprechenden Simulationen basieren dabei vorzugsweise auf einem detailgetreuen geometrischen Abbild des zu wuchtenden, realen Rotors. Die ermittelte Unwucht wird dann durch eine Übertragung des optimalen Massenausgleichs auf den realen Rotor minimiert, wobei der optimale Massenausgleich vorzugsweise durch eine numerische Simulation, bevorzugt eine FE-Simulationen ermittelt wird.
Außerdem wird Material eingespart, weil der Materialauftrag und/oder der Materialabtrag nicht mehr „in Wirklichkeit“ in Form eines iterativen Prozesses auf den Rotor erfolgen muss, sondern die entsprechenden Materialabträge und Materialaufträge werden in einem digitalen Modell, vorzugsweise einem numerischen Modell, besonders bevorzugt einem FE-Modell. simuliert, bevor die ermittelte optimale Kombination von Materialauftrag und der Materialabtrag sowie ihre Anordnung in Bezug auf den Rotor auf den Rotor übertragen werden. Somit stellt das vorgeschlagene Verfahren auch ein besonders umweltfreundliches und ressourcenschonendes Wuchtverfahren dar, das darüber hinaus deutlich günstiger in der Durchführung ist als konventionelle experimentelle Wuchtverfahren, die aus dem Stand der Technik bekannt sind.
Gemäß dem ersten Verfahrensschritt erfolgt eine dreidimensionale Geometrievermessung des Rotors wodurch der Rotor digitalisiert wird. Das bedeutet im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass die Oberfläche des realen Rotors vermessen wird, um die realen bzw. tatsächlichen Abmessungen des Rotors zu ermitteln. Die dabei erhaltenen Daten werden im Sinne der Erfindung bevorzugt als „digitale Messdaten“ bezeichnet, wobei diese digitalen Messdaten bevorzugt die dreidimensionale Form des zu wuchtenden Rotors beschreiben. Vorzugsweise erfolgt die Digitalisierung des Rotors flächig.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens erfolgt die dreidimensionale Geometrievermessung des Rotors flächig, indem die räumliche Lage einer Vielzahl von Punkten auf der Rotoroberfläche vermessen werden und wobei mittels eins Triangulierungs-Algorithmus ein Oberflächenmodell des Rotors erstellt wird.
Bei der Digitalisierung des Rotors wird bevorzugt ein digitales Oberflächenmodell des realen dreidimensionalen Rotors erstellt, indem die räumliche Lage einer Vielzahl von Punkten auf der Rotoroberfläche vermessen wird. Diese Punkte werden anschließend genutzt, um mithilfe von Triangulierungs-Algorithmen, ein numerisches Oberflächenmodell zu erzeugen. Da das digitale Abbild des Rotors nur dessen Oberfläche abbildet, handelt es sich um ein flächiges Modell.
Es kann im Sinne der Erfindung bevorzugt sein, dass für die Digitalisierung des Rotors eigene Messungen im Rahmen des Wuchtverfahrens angestellt werden. Es kann im Sinne der Erfindung aber insbesondere auch bevorzugt sein, auf vorhandene Digitaldaten des Rotors zurückzugreifen, beispielsweise wenn solche digitalen Messdaten durch Messungen im Rahmen der Qualitätskontrolle bereits vorliegen. Verfahrensschritt a) kann dann im Sinne der Erfindung so verstanden werden, dass keine Digitalisierung des Rotors stattfindet, sondern dass bereits vorhandene digitale Messdaten des zu wuchtenden Rotors bereitgestellt und verwendet werden.
Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass die Digitalisierung des Rotors mit einem Streifenprojektionsverfahren erfolgt. Beispielsweise kann dazu ein Blaulicht-Streifenprojektor verwendet werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens erfolgt die dreidimensionale Geometrievermessung des realen Rotors mit einem Streifenprojektionsverfahren.
Ein Streifenprojektionsverfahren erlaubt eine hochgenaue Vermessung der Bauteiloberfläche. Nach Abschluss der Messung liegt eine hochaufgelöste, dreidimensionale Beschreibung der Bauteiloberfläche vor. Auf Grundlage dieser Messergebnisse wird das zum digitalen Wuchten benötigte numerische Simulationsmodell erstellt.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Streifenprojektionsverfahren folgende Schritte:

1) Präparation des Rotors, insbesondere Beschichtung des Rotors zur Reflexionsminderung (z.B. Airbrush mit Titan-Dioxid-Pulver)
2) Diskrete Orientierungsmessung umfassend a) Positionierung von endlich vielen Referenzmarken um den Rotor herum bzw. auf Rotor, b) Einmessen der Referenzpunktwolke mittels Photogrammmetrie
3) Flächige Rotorvermessung: Durch Einsatz eines Streifenprojektors erfolgt eine flächige Digitalisierung des vollständigen Rotors unter Ausnutzung der aus 2) bekannten Referenzpunkte.
4) Auswertung der Messung: Eine abschließende Triangulation liefert die Kontur des realen Rotors in Form eines hochaufgelösten Dreiecksflächengitters.

Das Dreiecksflächengitter entspricht digitalen Messdaten, welche die Oberfläche des Rotors beschreiben.
Zur Digitalisierung bzw. dreidimensionalen Geometrievermessung des Rotors können auch fertige Systemlösungen (Messkopf/Scanner + Mess-PC + Mess-Software) von Herstellern optischer Messtechnik verwandt werden. Diese Systeme nutzen das Streifenprojektionsverfahren, um ein digitales Abbild eines Bauteils, wie das eines Rotors, zu erzeugen. Typische Hersteller solcher Systeme sind: GOM GmbH, OTTO Vision Technology GmbH, Carl Zeiss Optotechnik GmbH.
Das Streifenprojektionsverfahren ist mithin eine Methode zur optischen Erfassung von Objektgeometrien. Es ermöglicht eine flächige Rekonstruktion des Untersuchtungsobjektes mit dem Ziel ein digitales Modell des Versuchsträgers zu erstellen. Im Rahmen der innerhalb dieses Patents vorgeschlagenen Methodik kann das Streifenprojektionsverfahren als Black-Box interpretiert werden, welche das reale Objekt als Eingangsgröße und das digitale Oberflächenmodell als Ausgangsgröße aufweist (Objekt ->Black-Box (Streifenprojektionsverfahren) -> 3D-(Rotor)Modell).
Basis des Streifenprojektionsverfahrens sind photogrammetrische Methoden, also Verfahren zur Bestimmung der räumlichen Lage einzelner Punkte eines Objektes auf Grundlage photographischer Abbildungen. Das mathematische Fundament bildet die Zentralprojektion des Raumes.
Ein wesentlicher Unterschied der Streifenlichtprojektion zur einfachen Photogrammetrie besteht in der gleichzeitigen Vermessung einer Vielzahl von Raumpunkten.
Dies erfolgt bevorzugt durch die Projektion verschiedener Streifenmuster auf die Oberfläche des Rotors bei gleichzeitiger photographischer Aufnahme der auf der Objektoberfläche verzerrten Muster zur Lösung des sogenannten Korrespondenzproblems.
Das Korrespondenzproblem beschreibt die Identifikation von Bildpunkten in den einzelnen Messaufnahmen, welchen identischen Raumpunkte auf dem Untersuchungsobjekt zugeordnet werden können. Die Lösung dieses Problems stellt eine der wesentlichen Herausforderungen bei der Verwendung von Triangulationsverfahren zur flächigen Vermessung von Versuchsgegenständen dar. Um dieses Problem zu lösen nutzt das Streifenprojektionsverfahren bevorzugt eine binäre Codierung durch die projizierten Streifen. Mithilfe der Codierung können die Bildpunkte in den einzelnen Aufnahmen exakt den zugehörigen Raumpunkten zugeordnet werden. Dies ermöglicht eine schnelle, automatisierte Auswertung und Vermessung von zahlreichen Punkten auf der Oberfläche des Objektes.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Verfahrungsablauf einer Streifenlichtprojektion insbesondere in Bezug auf eine flächige Digitalisierung des vollständigen Rotors folgende Schritte:

1. Projektion verschiedener Streifenmuster auf das Untersuchungsobjekt
2. photographische Aufnahme jedes Musters auf der Oberfläche des Untersuchungsobjektes
3. Lösung des Korrespondenzproblems durch Zuordnung der Bildpunkte zu den zugehörigen Raumpunkten mithilfe der binären Codierung, die sich aus den Streifenmustern ergibt
4. Bestimmung der räumlichen Lage der Objektpunkte durch Triangulation
5. Erzeugung einer Oberfläche durch Triangulierung der Datenpunkte

In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Verfahren einen Vergleich der in Schritt a) erhaltenen digitalen Messdaten mit einer Sollkontur des Rotors.
Das vorgeschlagene Verfahren umfasst bevorzugt einen weiteren Verfahrensschritt, bei welchem die digitalen Messdaten mit einer Sollkontur des Rotors verglichen werden. Die Sollkontur des Rotors kann beispielsweise vorgegeben oder in einer Datenbank hinterlegt sein. Durch den Vergleich der digitalen Messdaten mit der Sollkontur werden vorzugsweise Vergleichsdaten erhalten, wobei die digitalen Messdaten vorzugsweise die Istkontur des Rotors beschreiben bzw. die Istkontur des Rotors mit dieser korrespondieren. Die Istkontur entspricht vorzugsweise der Kontur, der Oberfläche und oder der dreidimensionalen Form des realen Rotors vor seiner Wuchtung. Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass bei dem Vergleich mögliche Unterschiede zwischen der Sollkontur und den digitalen Messdaten ermittelt werden. Diese Unterschiede zwischen der Soll- und der Istkontur führen zu einem Versatz, d.h. im Sinne der Erfindung zu einer Verschiebung der Schwerachse in Bezug auf die Drehachse des Rotors, und/oder zu einer Verdrehung der Schwerachse des Rotors.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens erfolgt der Vergleich der digitalen Messdaten mit der Sollkontur, um Wuchtbereiche festzulegen und eine Durchführung des digitalen Materialabtrags bzw. des Materialauftrags in den Wuchtbereichen erfolgt.
Das vorgeschlagene Verfahren umfasst den optionalen Verfahrensschritt, dass Wuchtbereiche festgelegt werden, wobei in den Wuchtbereichen später ein Materialauftrag und/oder Materialabtrag erfolgen soll. Vorzugsweise erfolgt die Festlegung und/oder Definition von Wuchtbereichen unter Berücksichtigung der Vergleichsdaten, die in Schritt b) des vorgeschlagenen Verfahrens ermittelt werden und die vorteilhafterweise die reale Rotorgeometrie bzw. die Oberflächenkontur des Rotors beschreiben. Der Materialabtrag bzw. Materialauftrag an beliebigen Bereichen des Rotormodells, jedoch bevorzugt an den bestimmten Wuchtbereichen, wird vorzugsweise zunächst digital simuliert, d.h. es wird berechnet, welche Folgen für das Rotationsverhalten des Rotors ein entsprechender Materialabtrag bzw. Materialauftrag hat. Dabei erfolgt der Materialabtrag bzw. Materialauftrag insbesondere in den festgelegten Wuchtbereichen des Rotors, die vorzugsweise vorab festgelegte Rotorbereiche darstellen. Es ist im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass eine Vielzahl von Simulationen von verschiedenen Kombinationen von Materialabträgen bzw. Materialaufträgen an verschiedenen Stellen des Rotormodelles durchgeführt werden, um ein optimales Rotationsverhalten des Rotormodelles zu ermitteln. Durch Vorauswahl von Wuchtbereichen als Stellen an denen ein Materialauftrag und/oder Materialabtrag simuliert wird, kann auf besonders schnelle und effektive Weise eine Optimierung des Rotationsverhaltens des Rotormodells erfolgen.
Eine Optimierung des Rotationsverhaltens des Rotors bzw. Rotormodelles besteht im Sinne der Erfindung vorzugsweise darin, den Versatz und/oder die Verdrehung der Schwerachse hin zur Drehachse des Rotors zu minimieren. Mit anderen Worten ist es im Sinne der Erfindung bevorzugt, einen Rotor mit minimalem Versatz bzw. einer minimalen Verdrehung der Schwerachse hin zur Drehachse zu finden. Dies erfolgt vorzugsweise zunächst durch die digitale Simulation von verschiedenen Konfigurationen von Materialabträgen bzw. Materialaufträgen, um einen optimal rotierenden Rotor zu erhalten, der eine möglichst geringe Unwucht aufweist. Hierzu wird kann an verschiedenen, ggf. in Form von Wuchtbereichen vordefinierten, Stellen des Oberflächenmodelles des Rotors Materialabträge und/oder Materialaufträge simuliert werden, um im Anschluss für ein derart moduliertes Rotormodell den Versatz und/oder die Verdrehung der Schwerachse hin zur Drehachse zu berechnen. Durch Wiederholte Simulation von verschiedenen Konfigurationen von Materialabträgen bzw. Materialaufträgen unter Berechnung des Versatzes und/oder der Verdrehung, erfolgt eine Bestimmung einer optimierten Massenkonfiguration, welche den Versatz und/oder der Verdrehung der Schwerachse zur Drehachse minimiert. Die optimierte Massenkonfiguration gibt mithin an, welche Konfiguration von Materialabträgen und/oder Materialaufträgen zu einer besonders geringen Unwucht führt. Hierzu kann beispielsweise ein Schwellwert für eine Versatzes und/oder eine Verdrehung der Schwerachse zur Drehachse definiert werden, wobei eine optimierte Massenkonfiguration vorliegt, sobald der Schwellwert unterschritten wird.
Im Anschluss an die Optimierungssimulation können die Ergebnisse vorzugsweise auf den realen Rotor übertragen werden, wodurch ein gewuchteter bzw. ein optimierter Rotor erhalten wird, ohne dass die verschiedenen Kombinationen von Materialabträgen bzw. Materialaufträgen am realen Rotor durchprobiert werden müssen. Dieses aus dem Stand der Technik bekannte Vorgehen ist zum einen sehr aufwändig und führt zum anderen zu erheblichen mechanischen Belastungen für die Rotoren. Diese Nachteile werden durch das vorgeschlagene Verfahren vorteilhafterweise überwunden. Insbesondere ist es auch nicht mehr erforderlich, Rotationsprüfstände vorzuhalten, um ein experimentelles Wuchten am realen Rotor durchzuführen.
Das vorgeschlagene Verfahren umfasst den weiteren Verfahrensschritt, dass ein numerisches Simulationsmodell, bevorzugt ein Finite Elemente-Modell, ein Generalisiertes Finite Elemente Modell oder Isogeometrisches Model, ) des Rotors auf Grundlage der digitalen Messdaten erstellt wird. Bei den digitalen Messdaten handelt es sich vorzugsweise um die unter Verfahrensschritt a) des vorgeschlagenen Verfahrens ermittelten Digitaldaten. Vorzugsweise berücksichtigt das numerische Simulationsmodell die reale bzw. tatsächlich vorhandene Oberflächenkontur des Rotors.
Darüber hinaus umfasst das vorgeschlagene Verfahren den weiteren Verfahrensschritt, dass der Versatz und/oder die Verdrehung der Schwerachse in Bezug zur Drehachse des Rotors berechnet werden. Dies erfolgt vorzugsweise an dem Model des Rotors, d.h. im numerischen Modell. Mit anderen Worten ist es im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass ein Abstand zwischen der Dreh- und der Schwerachse des vermessenen, realen Rotors berechnet werden, und zwar vorzugsweise auf Grundlage des des numerischen Modells des Rotors, das bevorzugt auf Basis der unter Verfahrensschritt a) erhobenen digitalen Messdaten erstellt wird. Darüber hinaus kann analog die Verdrehung der Schwerachse des Rotors berechnet werden. Vorzugsweise kann auf Basis des ermittelten Versatzes bzw. der ermittelten Verdrehung berechnet werden, an welchen Stellen des realen Rotors Material abgetragen oder aufgetragen werden muss, um den Versatz und/oder die Verdrehung zu eliminieren und/oder zu minimieren. Es ist im Sinne der Erfindung besonders bevorzugt, dass die Berechnung des Versatzes und/oder der Verdrehung der Schwerachse in Bezug auf die Drehachse des Rotors und/oder die Durchführung des digitalen Materialabtrags bzw. Materialauftrags an dem numerischen Simulationsmodell, bevorzugt einem FE-Model, erfolgt.
Um verschiedene Kombinationen von Materialabträgen bzw. Materialaufträgen nicht am realen Rotor ausprobieren zu müssen, umfasst das vorgeschlagene Verfahren den weiteren Verfahrensschritt, dass ein digitaler Materialabtrag bzw. Materialauftrag durchgeführt wird. Der Begriff „digital“ bedeutet im Kontext der Erfindung bevorzugt, dass die Auswirkungen und technischen Wirkungen des Materialabtrags bzw. des Materialauftrags an dem numerischen Simulationsmodell, bevorzugt einem FE-Model, simuliert werden, um die Auswirkungen verschiedener Kombinationen von Materialabträgen bzw. Materialaufträgen miteinander vergleichen zu können; dies mit dem Ziel, um diejenige Kombination zu ermitteln, die zu dem geringsten Versatz und/oder der geringsten Verdrehung am Rotor führt, wenn das Ergebnis der Berechnung bzw. des Vergleichs auf den realen Rotor übertragen wird. Es ist im Sinne der Erfindung darüber hinaus besonders bevorzugt, dass die Durchführung des digitalen Materialabtrags bzw. des Materialauftrags in den Wuchtbereichen erfolgt, die in einem vorhergehenden optionalen Verfahrensschritt festgelegt werden.
Vorteilhafterweise wird durch die Durchführung des digitalen Materialabtrags bzw. Materialauftrags eine optimierte Massenkonfiguration des Rotors erhalten. Der Begriff „optimiert“ ist dabei vorzugsweise als „optimiert in Bezug auf das Rotationsverhalten des Rotors“ zu verstehen. Es stellt einen besonderen Vorteil des vorgeschlagenen Verfahrens dar, dass ein besonders effizienter Massenausgleich für den Rotor ermittelt wird. Mit der Durchführung des digitalen Materialabtrags bzw. Materialauftrags wird es vorteilhafterweise ermöglicht, dass ein aufwändiges Herumexperimentieren am realen Rotor nach der Trial and Error-Methode vermieden wird. Die Materialabträge und Materialaufträge können an unterschiedlichen Orten - vorzugsweise in den Wuchtbereichen - erfolgen, wobei die Kombination von Materialabträgen und Materialauftragen insgesamt vorzugsweise zu einem Massenausgleich führt bzw. zu einer optimierten Massenkonfiguration, die die Einstellung eines minimalen Versatzes bzw. einer minimal verdrehten Schwerachse ermöglicht. Es ist im Sinne der Erfindung insbesondere bevorzugt, dass das vorgeschlagene Verfahren eine Optimierung der Massekonfiguration am Rechenmodell in Bezug auf Betrag und/oder Position der Ausgleichsmasse umfasst.
Darüber hinaus umfasst das vorgeschlagene Verfahren den weiteren Verfahrensschritt, dass die aufgefundene optimierte Massenkonfiguration auf den realen Rotor übertragen wird. Dies bedeutet im Sinne der Erfindung bevorzugt, dass nur die optimierte Massenkonfiguration auf den realen Rotor angewendet werden muss, ohne vorheriges Herumexperimentieren am realen Rotor. Der Begriff „optimierte Massenkonfiguration“ steht im Sinne der Erfindung für eine optimale Kombination von Materialabträgen und Materialauftragen, so dass ein optimiertes Rotationsverhalten des optimierten Rotors im Vergleich zu dem realen Ausgangsrotor erhalten wird.
In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung einen Rotor, der mit dem vorgeschlagenen Verfahren gewuchtet wurde. Solche Rotoren können besonders kostengünstig bereitgestellt werden, weil sie ohne das Vorhalten von Rotationsprüfständen gewuchtet werden können. Darüber hinaus sind sie vorteilhafterweise mechanisch besonders stabil, da das Wuchten nicht in einem iterativen Prozess am realen Rotor erfolgt, sondern durch einen einmaligen Wuchtprozess, bei dem lediglich ein Mal Material auf den Rotor aufgetragen und/oder abgetragen wird. Ferner werden bei der Bereitstellung eines mit dem vorgeschlagenen Wuchtungsverfahren erzeugten Rotors erhebliche Mengen Material, zumeist Metall, eingespart, so dass der bereitgestellte Rotor einerseits besonders kosteneffizient hergestellt werden kann, andererseits aber auch umwelt- und ressourcenschonend erzeugt werden kann. Die für das Verfahren beschriebenen Definitionen, technischen Wirkungen und Vorteile gelten vorzugsweise für den vorgeschlagenen Rotor analog. Die Merkmale und Verfahrensschritte des Verfahrens bzw. des Rotors gelten jeweils auch für den anderen Aspekt der Erfindung offenbart, so dass wechselseitig auf die Merkmale Bezug genommen werden kann, wobei jede Kombination von Merkmalen erfindungswesentlich sein kann.
Die Erfindung wird durch die nachfolgende Figur näher beschrieben; es zeigt:

1 Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform eines Rotors
2 Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform eines Versatzes
3 Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform einer Verdrehung
4 beispielhafte Darstellung eines Massenausgleichs durch Materialaufträge und/oder Materialabträge
5 Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform eines generischen Rotors
6 Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform eines Versatzes für einen generischen Rotor
7 Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform einer Verdrehung für einen generischen Rotor
8 beispielhafte Darstellung eines Massenausgleichs durch Materialaufträge und/oder Materialabträge für einen generischen Rotor

1 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform eines realen Rotors (10) (unten) sowieeines Finite Elemente-Modelles (FE-Modell) des realen Rotors (10) (oben). Bei einem Rotor (10) handelt es sich im Sinne der Erfindung bevorzugt um ein sich drehendes Bauteil, das vorzugsweise Bestandteil einer größeren Maschine, eines größeren Geräts oder einer komplexen Vorrichtung sein kann.
2 bzw. 6 zeigen eine bevorzugte Ausführungsform eines Versatzes (12) an einem Rotor (10). Dabei wird der Versatz (12) vorzugsweise von einem Abstand zwischen, d.h. einem Auseinanderfallen von Schwerachse (14) und Drehachse (16) des Rotors (10) gebildet. 2 zeigt insbesondere das FE-Modell des Rotors (12) zur Berechnung des Schwereachsen-Versatzes (12). Wenn ein Versatz (12) auftritt, ist es im Sinne der Erfindung besonders bevorzugt, dass die Schwerachse (14) und die Drehachse (16) des Rotors (10) im Wesentlichen parallel zueinander verschoben sind, wobei die Verschiebung bzw. der Abstand zwischen der Drehachse und der Schwerachse den Versatz (12) des Rotors (10) angibt.
3 bzw. 7 zeigen eine bevorzugte Ausführungsform einer Verdrehung (18) eines Rotors (10). Die Verdrehung (18) des Rotors (10) wird insbesondere durch einen Drehwinkel charakterisiert, wobei die Schenkel des Drehwinkels vorzugsweise orthogonal zu der Schwerachse (14) und der Drehachse (16) angeordnet sind. Der Drehwinkel stellt somit vorzugsweise ein Maß dafür dar, wie stark Schwerachse (14) und Drehachse (16) des Rotors (10) zueinander verdreht sind. 3 zeigt insbesondere das FE-Modell des Rotors (12) zur Berechnung der Schwereachsen-Verdrehung (18).
4 bzw. 8 zeigen beispielhaft einen Massenausgleich durch Materialaufträge (20) und/oder Materialabträge (22). In dem in 4 dargestellten Beispiel wird in einem oberen Bereich des Rotors (10) (obere Bildhälfte) Material zu dem zu wuchtenden Rotor (10) hinzugefügt, während von einem unteren Bereich des zu wuchtenden Rotors (10) Material abgetragen wird. Der Materialauftrag (20) und der Materialabtrag (22) werden zunächst digital simuliert und nur die als optimal befundene Kombination von Materialauträgen (20) und Materialabträgen (22) wird auf den realen Rotor (10) übertragen. Insbesondere zeigt 4 eine Optimierung von Betrag und Position der Ausgleichsmasse am Rechenmodell des Rotors (10). Die gestrichelten Linien deuten an, dass verschieden viel Material auf- und/oder abgetragen werden kann. Insbesondere sind auch unterschiedliche Positionen für den Materialauftrag (20) und/oder den Materialabtrag (22) denkbar. Die als optimal aufgefundene Kombination von Materialaufträgen (20) und/oder Materialabträgen (22) wird im Sinne der Erfindung bevorzugt als „optimale Massenkonfiguration“ bezeichnet und entspricht vorzugsweise der Massenkonfiguration mit minimalem Versatz (12) und/oder minimaler Verdrehung (18) der Schwerachse (14) des Rotors (14).
Bezugszeichenliste

10: Rotor bzw. Rotormodell
12: Versatz
14: Schwerachse
16: Drehachse
18: Verdrehung
20: Materialauftrag
22: Materialabtrag

Claims

Verfahren zum digitalen Wuchten eines Rotors (10) umfassend die folgenden Schritte: a) Dreidimensionale Geometrievermessung des Rotors (10), wodurch digitale Messdaten erhalten werden, die die Oberfläche des realen Rotors (10) beschreiben, b) Erstellung eines numerischen Rotormodelles (10) auf Basis der dreidimensionalen Geometrievermessung, c) Berechnung des Versatzes (12) und/oder der Verdrehung (18) der Schwerachse (14) zur Drehachse am Rotormodell (10), d) Durchführung eines virtuellen Materialabtrags (22) und/oder Materialauftrags (20) am Rotormodell, e) Berechnung des Versatzes und/oder der Verdrehung der Schwerachse zur Drehachse für ein nach Schritt d) moduliertes Rotormodell f) Wiederholung der Schritte d) und e) zur Bestimmung einer optimierten Massenkonfiguration, welche den Versatz und/oder die Verdrehung der Schwerachse zur Drehachse minimiert, g) Übertragung der aufgefundenen optimierten Massenkonfiguration auf den realen Rotor (10).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren einen Vergleich der in Schritt a) erhaltenen digitalen Messdaten mit einer Sollkontur des Rotors umfasst.
Verfahren nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass der Vergleich der digitalen Messdaten mit der Sollkontur erfolgt, um Wuchtbereiche festzulegen und eine Durchführung des digitalen Materialabtrags (22) bzw. des Materialauftrags (20) in den Wuchtbereichen erfolgt.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die dreidimensionale Geometrievermessung des Rotors (10) flächig erfolgt, indem die räumliche Lage einer Vielzahl von Punkten auf der Rotoroberfläche vermessen werden und wobei mittels eins Triangulierungs-Algorithmus ein Oberflächenmodell des Rotors (10) erstellt wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die dreidimensionale Geometrievermessung des realen Rotors (10) mit einem Streifenprojektionsverfahren erfolgt.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Berechnung des Versatzes (12) und/oder der Verdrehung (18) der Schwerachse (14) zur Drehachse an einem numerischen Simulationsmodell des Rotors, bevorzugt einem Finite Elemente Modell (FEM), einem generalisierten Finite Elemente Modell oder einem isogeometrischen Modell erfolgt.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Durchführung des digitalen Materialabtrags (22) und/oder Materialauftrags (20) an einem numerischen Simulationsmodell des Rotors, bevorzugt einem Finite Elemente Modell (FEM), einem generalisierten Finite Elemente Modell oder einem isogeometrischen Modell erfolgt.