DE60203210T2 - Automatisches System zum Reparieren von Artikeln - Google Patents

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Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein automatisiertes System und ein Verfahren zum Reparieren von Bauteilen wie Turbinenschaufeln.
  • Bauteile in Gasturbinenmaschinen werden hohen Temperaturen und Drücken während ausgedehnter Zeitdauern ausgesetzt. Eine typische Anwendung sind Hochdruckturbinenschaufeln, wobei die Temperatur der Bauteile weit über 2000°F (1093°C) ansteigen kann. Unter diesen Bedingungen wird von dem Bauteil erwartet, dass es seine Festigkeit und seine Form lange genug beibehält, um für einen wirtschaftlichen Betrieb der Maschine ohne übermäßig häufigen Wartungs- oder Ersetzungsbedarf zu sorgen.
  • Nach ausgedehntem Einsatz ziehen sich manche Bauteile einen Schaden aufgrund von Erosion oder Ermüdungs-induziertem Brechen zu. Schließlich müssen diese Bauteile repariert oder überholt werden.
  • Während der Überholung ist es notwendig, ein zähflüssiges Lötreparaturmaterial über die Strömungsprofiloberflächen und die Plattformen der Bauteile aufzubringen, um jegliche Bruchstellen und alle der Kühlungslöcher, die in dem Bauteil vorhanden sein können, zu füllen. Anschließend wird das Bauteil in einen Ofen gebracht, um den Lötvorgang abzuschließen. Typischerweise gibt es verbleibend an den Oberflächen des Bauteils überschüssiges Reparaturmaterial, wobei das Reparaturmaterial entfernt und/oder manuell vergleichmäßigt werden muss, um das Bauteil so nahe wie möglich an seine ursprüngliche Form zurückzuführen. Die in diesem Verfahren verwendeten Lötmaterialien haben eine hohe Härte, d.h. Rc 50 oder mehr, und sehr geringe Bearbeitbarkeit. Dementsprechend braucht manuelles Vergleichmäßigen eine lange Zeit zur Fertigstellung – im Durchschnitt 60 bis 75 min pro Schaufel. Nur sehr qualifizierte Arbeiter können manuelles Vergleichmäßigen konsistent ausführen, da die komplexe Strömungsprofilform blind zurück-vergleichmäßigt wird, da viele Oberflächen mit dem Reparaturmaterial bedeckt sind. Ferner ist die erhaltene Form nicht akkurat aufgrund der Begrenzungen des manuellen Vorgangs.
  • Die Herausforderung ist hierbei, dass im Gegensatz zur normalen Teilfertigung, bei der die Bauteilgeometrie bekannt ist und somit ein konstanter Vergleichmäßigungsweg erzeugt werden kann, sich hier die Reparaturbauteilgeometrie von Bauteil zu Bauteil ändert. Dies liegt daran, dass das Bauteil für eine lange Zeit in einer Hochtemperaturumgebung an einer Maschine im Einsatz war. Aufgrund der harten Betriebsbedingungen sind die zur Überholung oder Reparatur kommenden Bauteile normalerweise deformiert. Das bedeutet, dass existierende CAD-Geometriedaten nicht verwendet werden können, um einen Standard-Vergleichmäßigungsweg zu erzeugen, um alle die Bauteile zu vergleichmäßigen. Die zusätzliche Herausforderung hierbei ist, dass die außenseitige Strömungsprofilgeometrie konsistent mit der innenseitigen hohlen Geometrie vergleichmäßigt werden muss, um einen Konstruktionsbetrag der Metalldicke aufrechtzuerhalten, weil sowohl das Innenseiten- als auch das Außenseiten-Profil durch Betriebsbedingungen deformiert sind. Die reparierte, beschichtete Oberfläche bietet wenige ursprüngliche unberührte Oberflächen als Referenz oder Einrichtungsmöglichkeit.
  • US-A-4 998 005 offenbart ein Visionssystem zum Automatisieren eines Schweißsystems. DE-A-42 39 344 offenbart ein Robotersystem.
  • Ein System zum Reparieren eines Bauteils mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 ist offenbart in Bremer C, "Kompressor- und Turbinenschaufeln automatisch reparieren", Werkstatt und Betrieb, Carl Hanser Verlag, München, DE, Ausgabe 129 Nr. 7/8, 1. August 1996, Seiten 672 bis 674.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Demgemäß ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein System und ein Verfahren zum Reparieren von Bauteilen bereitzustellen.
  • Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein System und ein Verfahren wie oben bereitzustellen, welches Verfahrensdauer und Arbeitskosten reduziert.
  • Es ist noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein System und ein Verfahren wie oben bereitzustellen, welches ein repariertes Bauteil mit gesteigerter Qualität erzeugt.
  • Es ist noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein System und ein Verfahren wie oben bereitzustellen, bei dem das Strömungsprofil-Profil des Bauteils näher an der erforderten Form ist.
  • Die vorangehenden Aufgaben werden erreicht durch das System und das Verfahren der vorliegenden Erfindung, wie in den Ansprüchen 1 und 8 definiert.
  • In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung wird ein System zum Reparieren eines Bauteils bereitgestellt. Das System umfasst allgemein eine Einrichtung zum Erzeugen von Anweisungen zur Durchführung eines Vorgangs, um jegliches überschüssiges Reparaturmaterial von jeder Oberfläche eines Bauteils, das repariert wird, zu entfernen und um die reparierten Oberflächen zu vergleichmäßigen, und eine automatisierte Einrichtung zum Durchführen des Vergleichmäßigungsvorgangs in Übereinstimmung mit den erzeugten Anweisungen. Das System weist eine Einrichtung zum Erzeugen eines Bildes jeder Bauteiloberfläche mit Reparaturmaterial darauf, das ein Entfernen und/oder Vergleichmäßigen erfordert, auf.
  • Weiterhin in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Reparieren eines Bauteils vorgesehen. Das Verfahren umfasst allgemein die Schritte des Erzeugens von Anweisungen zum Durchführen eines Vorgangs, um überschüssiges Reparaturmaterial von jeder Oberfläche der Komponente, die repariert wird, zu entfernen und die reparierten Oberflächen zu vergleichmäßigen, und des Durchführens des Vergleichmäßigungsvorgangs in Übereinstimmung mit den erzeugten Anweisungen.
  • Andere Einzelheiten des Systems und des Vorgangs der vorliegenden Erfindung sowie andere diese begleitende Vorteile sind in der nachfolgenden detaillierten Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform und den begleitenden Zeichnungen ausgeführt, wobei gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente bezeichnen.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 ist eine schematische Wiedergabe eines Systems zum Reparieren von Bauteilen in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung; und
  • 2 veranschaulicht ein Vergleichmäßigungsprogramm für eine zu reparierende Schaufel.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
  • Wie oben diskutiert, wird auf zu reparierende Bauteile 16 zuerst ein Löt- oder Reparaturmaterial aufgebracht. Das Lötmaterial wird überall dort aufgebracht, wo ein Riss gefunden wird und wo es notwendig ist, um einen Bereich des Bauteils 16 zu rekonstruieren. Typischerweise wird das Lötmaterial auf die Strömungsprofiloberflächenbereiche, die Vorder- und die Hinterkante und die Plattformbereiche jedes Bauteils 16 aufgebracht. Nachdem das Lötmaterial aufgebracht wurde, wird das Bauteil 16 in einen Lötofen platziert, um den Lötvorgang abzuschließen. Anschließend an das Löten wird es notwendig, jegliches überschüssiges Lötmaterial zu entfernen und das verbleibende Lötmaterial in das Bauteil zu vergleichmäßigen, so dass das aufpolierte Bauteil so nahe wie möglich an seiner ursprünglichen Form ist.
  • Nun bezugnehmend auf die Zeichnungen ist ein System 10 zum Überholen, Aufpolieren oder Reparieren von Bauteilen 16, wie z.B. Erste-Stufe-Schaufeln an einer Gasturbinenmaschine, in 1 veranschaulicht. Das System 10 ist dazu ausgelegt, diesen Teil des Reparaturvorgangs zu automatisieren, der ein Vergleichmäßigen und/oder Entfernen von Löt- oder Reparaturmaterial, das auf dem Bauteil 16 aufgebracht ist, erfordert.
  • Das System 10 erhält zuerst ein Bild des Bauteils 16 mit dem Lötmaterial darauf. Dazu weist das System 10 eine Scannervorrichtung 12 auf, um ein digitales Bild jeder Oberfläche des Bauteils 16, auf der Lötmaterial aufgebracht wurde, zu erhalten. Das Bild wird durch die Scannervorrichtung 12 aus mehreren Winkeln aufgenommen, so dass der volle Oberflächenbereich des Bauteils 16 abgedeckt ist. Die Scannervorrichtung 12 kann einen Laser 13 zum Beleuchten jeder Bauteiloberfläche mit Lötmaterial darauf aufweisen. Der Laser 13 beleuchtet jede jeweilige Oberfläche mit einer Mehrzahl von Linien oder Streifen. Die Scannervorrichtung 12 hat ferner mindestens eine Kamera 14, um ein Bild jeder jeweiligen Oberfläche mit den mehreren Streifen darauf aufzunehmen. Um die Scannervorrichtung 12 in die Lage zu versetzen, Bilder aller Oberflächen des Bauteils 16 aufzunehmen, ist das Bauteil 16 an einem programmierbaren Roboter 18 montiert, wie z.B. einem programmierbaren 6-Achsen-Roboter. Der Roboter 18 wird verwendet, um die Komponente 16 so zu bewegen, dass die Scannervorrichtung die gewünschten Bilder erhält.
  • Wenn der Scanvorgang abgeschlossen ist, stellt die Scannervorrichtung 12 dreidimensionale digitale Punktwolkenbilder jeder Bauteiloberfläche einer zentralen Verarbeitungseinheit 20 bereit. Auf diese Weise stellt die Scannervorrichtung 12 Information über die aktuelle Form des Bauteils 16 als Punktwolken bereit.
  • Die programmierte zentrale Verarbeitungseinheit 20 empfängt die digitalen Bilddaten von der Scannervorrichtung 12. Die zentrale Verarbeitungseinheit 20 ist vorzugsweise dahingehend programmiert, die Integrität der empfangenen digitalen Bilddaten zu prüfen und jegliche unnötigen Punktwolken zu löschen.
  • Ferner ist die zentrale Verarbeitungseinheit 20 dahingehend programmiert, die digitalen Bilddaten aus den verschiedenen Ansichten jeder Bauteiloberfläche so zu integrieren, dass die Daten in der richtigen Sequenz kombiniert werden, um vollständige dreidimensionale digitale Daten der gesamten Bauteiloberfläche zu erhalten. Auf diese Weise erzeugt die zentrale Verarbeitungseinheit 20 ein dreidimensionales Bild des Bauteils 16, wie es ist, mit dem Lötmaterial auf dessen jeweiligen Oberflächen.
  • Die zentrale Verarbeitungseinheit 20 ist ferner dahingehend programmiert, die dreidimensionalen digitalen Daten, die jede gesamte Bauteiloberfläche wiedergeben, mit ihrer Soll- oder Originalform zu vergleichen. Information über die Soll- oder Originalform jeder Oberfläche eines speziellen Bauteils, das repariert wird, kann in einer der zentralen Verarbeitungseinheit 20 zugeordneten Speichervorrichtung 19 gespeichert sein oder kann durch einen Anwender in die zentrale Verarbeitungseinheit 20 mittels jeglicher im Stand der Technik bekannter geeigneter Eingabeeinrichtung eingegeben werden. Aus diesem Vergleich erzeugt die zentrale Verarbeitungseinheit 20 ein Vergleichmäßigungswegprogramm für jede Oberfläche mit Lötmaterial darauf, das entfernt und/oder an dem Bauteil 16 vergleichmäßigt werden muss. Das derart erzeugte Vergleichmäßigungswegprogramm wird dem Roboter 18 zugeführt, so dass der Roboter 18 die Orientierung jedes Bauteils 16 manipulieren kann in Bezug auf eine Reihe von Vergleichmäßigungswerkzeugen, die später benutzt werden, um den Überhol- oder Reparaturvorgang abzuschließen. 2 veranschaulicht ein solches Vergleichmäßigungswegprogramm für eine Oberfläche einer zu reparierenden Turbinenschaufel.
  • Ferner kann die zentrale Verarbeitungseinheit 20 einem Anwender ein visuelles Bild des Lötmaterials, das entfernt werden muss, bereitstellen. Ein solches Bild kann erzeugt werden durch Subtrahieren der Sollform jeder Oberfläche des Bauteils von der gescannten Form des Bauteils 16, die durch die Scannervorrichtung 12 aufgenommen wurde.
  • Die zentrale Verarbeitungseinheit 20 kann jeden im Stand der Technik bekannten, geeigneten Computer aufweisen und kann in jeder geeigneten Programmiersprache programmiert sein.
  • Wie zuvor angemerkt, ist der Roboter 18 ein programmierbarer Sechs-Achsen-Roboter zum Halten des Bauteils 16 und Bewegen des Bauteils 16 um jede der sechs Achsen. Der Roboter 18 lagert das Bauteil 16 kontinuierlich gelenkig und bewegt es entlang einem programmierten Weg in Bezug auf einen Satz von Werkzeugen, wobei er vorzugsweise selbst in einer stationären Position verbleibt.
  • Das System 10 weist ferner eine Vergleichmäßigungszelle 22 auf, die aus mehreren Werkzeugstationen 24 zum Vergleichmäßigen des Bauteils 16 mittels verschiedener nachgiebiger Werkzeuge besteht. Die Zelle 22 ist so ausgelegt, dass das Vergleichmäßigen in Stufen fortschreitet, wobei jede Station in der Zelle auf das Vergleichmäßigen eines Merkmals des Bauteils spezialisiert ist. Die Anzahl von Werkzeugstationen 24 in der Vergleichmäßigungszelle 22 und der Typ von Werkzeug an jeder Station sind eine Funktion des Bauteils 16, das repariert wird. Wenn z.B. das Bauteil 16 eine Erste-Stufe-Turbinenschaufel ist, kann die Zelle 22 Werkzeuge aufweisen zum Vergleichmäßigen solcher Merkmale wie die konkave, Strömungsprofil-geformte Oberfläche der Schaufel, die konvexe, Strömungsprofil-geformte Oberfläche der Schaufel, die Vorderkante der Schaufel, die Hinterkante der Schaufel, die Plattform(en) der Schaufel. Ein zusätzliches Werkzeug, dass, wenn gewünscht, in die Zelle 22 eingebaut werden kann, kann eine Poliereinrichtung zum Polieren der Oberflächen des Bauteils 16 nach Abschluss der Vergleichmäßigungsstufen sein.
  • Die Vergleichmäßigungszelle 22 ist dazu ausgelegt, einen nachgiebigen Ansatz zu verwenden, bei dem die Belastung auf einen speziellen Vergleichmäßigungsbereich einer jeweiligen Oberfläche des Bauteils 16 konstant gehalten wird. Dies erfolgt durch die Verwendung von Belastungssensoren 26 an jedem Werkzeug und durch das Design der Werkzeuge selbst. Jeder Belastungssensor 26 detektiert den Kraftbetrag, der durch ein jeweiliges Werkzeug auf einen speziellen Vergleichmäßigungsbereich an einer jeweiligen Oberfläche des Bauteils 16, die bearbeitet wird, ausgeübt wird. Der Belastungssensor 26 sendet ein Signal an das jeweilige Werkzeug, um das Werkzeug und die Kraft, die durch das Werkzeug auf den speziellen Vergleichmäßigungsbereich ausgeübt wird, anzupassen, wenn die Belastung, die ausgeübt wird, nicht auf einem gewünschten Niveau ist.
  • Nachdem ein spezieller Vergleichmäßigungs- und/oder Poliervorgang abgeschlossen wurde, ist es wünschenswert, die Oberflächen des Bauteils 16, die bearbeitet und repariert wurden, zu inspizieren. Obwohl es möglich ist, eine separate Inspektionseinrichtung vorzusehen, ist es bevorzugt, dass die Scannervorrichtung 12 als ein periodisches Inspektionswerkzeug verwendet wird, um den Fortschritt des Vergleichmäßigungsvorgangs zu überwachen.
  • Wie aus dem Vorangehenden zu ersehen, wurden ein automatisiertes System und ein automatisiertes Verfahren zum Reparieren, Instandsetzen oder Überholen von Bauteilen beschrieben. Das Verfahren und das System sind so anpassbar, dass sie bei der Instandsetzung einer breiten Vielzahl von Bauteilen, die einer Lötreparaturtechnik unterzogen wurden, verwendet werden können. Ferner können Bauteile mittels des Verfahrens und des Systems der vorliegenden Erfindung schneller und wirtschaftlicher instandgesetzt werden.
  • Es ist ersichtlich, dass in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung ein automatisiertes System zum Reparieren von Bauteilen bereitgestellt wurde, das die hierin zuvor ausgeführten Aufgaben, Mittel und Vorteile vollständig erfüllt. Obwohl die vorliegende Erfindung im Kontext von deren spezifischen Ausführungsformen beschrieben wurde, werden andere Variationen, Alternativen und Modifikationen denjenigen Fachleuten, die die vorangehende Beschreibung gelesen haben, ersichtlich werden. Es ist daher beabsichtigt, diese Variationen, Alternativen und Modifikationen, die in den Umfang der angehängten Ansprüche fallen, zu umfassen.

Claims (14)

  1. System zum Reparieren eines Bauteils (16) mit mindestens einer Oberfläche, an der ein Reparaturmaterial aufgebracht wurde, aufweisend: eine Einrichtung zum Erzeugen von Anweisungen zum Durchführen eines Vorgangs, um jedes überschüssige Reparaturmaterial von jeder solchen Oberfläche zu entfernen und die Oberfläche des Bauteils zu vergleichmäßigen; eine automatisierte Einrichtung zum Durchführen des Vorgangs in Übereinstimmung mit den erzeugten Anweisungen; und ferner aufweisend eine Einrichtung zum Erzeugen eines Bildes jeder solchen Oberfläche, an der das Reparaturmaterial aufgebracht wurde, dadurch gekennzeichnet, dass die Bilderzeugungseinrichtung eine Scannervorrichtung (12) aufweist und wobei die Scannervorrichtung einen Laser (13) zum Erzeugen mehrerer Laserstreifen an einer individuellen Oberfläche des Bauteils (16) und mindestens eine Kamera (14) zum Aufnehmen eines Bildes der individuellen Oberfläche, die durch die Laserstreifen beleuchtet ist, hat.
  2. System nach Anspruch 1, wobei die Bilderzeugungseinrichtung ein digitalisiertes Bild jeder solchen Oberfläche erzeugt, wo das Reparaturmaterial aufgebracht wurde, und die Anweisungserzeugungseinrichtung eine Einrichtung zum Vergleichen des digitalisierten Bildes jeder solchen Oberfläche mit einem Soll-Bild für jede solche Oberfläche und zum Erstellen eines Vergleichmäßigungswegs gemäß dem Vergleich aufweist.
  3. System nach Anspruch 2, wobei die Anweisungserzeugungseinrichtung ein Vergleichmäßigungswegprogramm zum Durchführen des Vorgangs erzeugt, wobei die automatisierte Einrichtung einen programmierbaren Roboter (18) zum Halten des Bauteils (16) während der Bilderzeugung und des Vorgangs aufweist und wobei der programmierbare Roboter das Vergleichmäßigungswegprogramm empfängt.
  4. System nach Anspruch 3, wobei der Roboter (18) einen programmierbaren Sechs-Achsen-Roboter aufweist und die automatisierte Einrichtung ferner eine Zelle (22) mit mindestens einer Werkzeugstation (24) mit einem Werkzeug zum Durchführen eines Vergleichmäßigungsvorgangs aufweist.
  5. System nach Anspruch 4, wobei die Zelle (22) eine Mehrzahl von Werkzeugen (24) zum Bearbeiten von verschiedenen der Oberflächen des Bauteils hat, wobei jedes solches Werkzeug (24) einen Sensor (26) hat, der damit verbunden ist, um zu gewährleisten, dass das Werkzeug eine konstante Kraft auf ein entsprechendes Vergleichmäßigungsgebiet an einer entsprechenden Oberfläche des Bauteils (16) ausübt.
  6. System nach einem der Ansprüche 1 bis 5, ferner aufweisend eine Einrichtung zum Inspizieren des Bauteils, nachdem der Vorgang abgeschlossen wurde.
  7. System nach Anspruch 6, wobei die Inspektionseinrichtung die Bilderzeugungseinrichtung ist.
  8. Verfahren zum Reparieren eines Bauteils (16) mit mindestens einer Oberfläche, an der ein Reparaturmaterial aufgebracht wurde, aufweisend die folgenden Schritte: Erzeugen von Anweisungen zum Durchführen eines Vorgangs, um jedes überschüssige Reparaturmaterial von jeder solchen Oberfläche des Bauteils zu entfernen und jede solche Oberfläche zu vergleichmäßigen; Durchführen des Vorgangs in Übereinstimmung mit den erzeugten Anweisungen; Erzeugen eines Bildes jeder solchen Oberfläche mit dem darauf aufgebrachten Reparaturmaterial; und dadurch gekennzeichnet, dass das Bild durch eine Scannervorrichtung erzeugt wird mit einem Laser, der mehrere Laserstreifen an einer individuellen Oberfläche des Bauteils erzeugt, und mit mindestens einer Kamera (14), die ein Bild der mit den Laserstreifen beleuchteten individuellen Oberfläche aufnimmt.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei der Bilderzeugungsschritt ein Erzeugen eines digitalisierten Bildes jeder solchen Oberfläche aufweist; und wobei der Anweisungserzeugungsschritt ein Vergleichen des digitalisierten Bildes für jede solche Oberfläche mit einem Soll-Bild für jede solche Oberfläche aufweist.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei der Anweisungserzeugungsschritt ein Erzeugen eines Vergleichmäßigungswegprogramms zum Durchführen des Vorgangs aufweist.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, ferner aufweisend: Bereitstellen eines programmierbaren Roboters (18) zum Manipulieren des Bauteils während des Vorgangs; und Übertragen des Vergleichmäßigungswegprogramms auf den programmierbaren Roboter (18).
  12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei der Roboter-Bereitstellungsschritt ein Bereitstellen eines programmierbaren Sechs-Achsen-Roboters (18) aufweist.
  13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, ferner aufweisend: Bereitstellen mindestens eines Werkzeugs (24) zum Durchführen des Vorgangs; und wobei der Durchführungsschritt ein Bewegen einer jeweiligen Oberfläche des Bauteils (16) in Kontakt mit dem Werkzeug (24) mittels des Roboters (18) aufweist.
  14. Verfahren nach Anspruch 13, wobei: der Werkzeug-Bereitstellungsschritt ein Bereitstellen einer Mehrzahl von Werkzeugen (24) aufweist; und der Durchführungsschritt ein Bewegen jeweiliger Oberflächen des Bauteils (16) in Kontakt mit jedem der Werkzeuge (24) in einem Stufenvorgang aufweist.
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