JP2010522089A - ダムブレードのターボ機械翼などの加工片を修復する方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、ターボ機械の翼などの加工片（１）を、部品（Ｂ）の知られているプロセスから機械加工することによって修復する方法に関し、上記方法は、モーフィングプロセスによってプロフィル（Ｂ）を、変形プロフィルが部品上で測定された点群（Ａ）を補間するように変形させるステップ（３２）を含む。プロフィル（Ｂ）の変形は、機械加工される部分（１）の過剰の厚みまたは不充分な厚みを有したそれぞれ（２０）を、それぞれがマッピングと点の部分の形態である基本変形構成図（ＣＥＤ）（５）と比較することを含み、基本変形構成図（ＣＥＤ）（５）はデータベース（１００）内に記憶されており、データベース（１００）は、各基本変形構成図（ＣＥＤ）（１０２）にモーフィング関数（１０１）のパラメータを関連付ける。

Description

本発明は、ターボ機械のブレードまたはブレードディスクのブレードなどの機械加工構成部品を修復する分野に関する。

ターボジェットエンジンは、エンジンの軸のまわりで回転する様々なロータを備える。これらのロータはディスクを備え、ディスクの周縁部にブレードが取り付けられている。従来、ブレードは、保持する目的で設けられたハウジング内にブレードの根元部によって保持されてきた。エンジンに対するかつてないほどに厳しい性能要件を満たすために、現在ではこれらのロータは単一体として製造される場合がある。それらはブレードディスク（またはブリスク）と呼ばれる。ブリスクにおいては、ブレードとディスクは単一の構成部品を形成している。これを達成するように、鍛造された生地板がディスクを形成するように機械加工されるが、ブレードはディスクの円周から半径方向に延在させて、全てが単一体として形成される。いくつかの部品が溶接されて、その結果得られるブリスクが単一体を形成するということも可能である。一体型ロータの利点は多数あるが、特に質量の点で有利である。

ブレードは、使用されるにつれて損耗し（腐食、摩擦によって）、様々な種類の衝撃から大きな損傷（引裂け、ばり、亀裂など）を受ける。したがってブレードのプロフィルが変化して、その空気力学的性能が低下する。ブリスクは単一体として製作されることから、損耗したブレードを抜き取り、それを交換することが可能ではない。したがってそのブレードに対して適切な空気力学的プロフィルを復元するためにブレードを修復することが必要である。

図１を参照すると、ブリスクのブレード１を修復するために、損耗部分を補修するように、損傷部を適正な材料の部片と交換すること、または材料を追加すること１１が必要である。この材料の追加部は、「パッチ」という英語の名称によって当業者に広く知られている。ブレード１の表面上にこのパッチ２が溶接され、次いでブレードが機械加工されて、ブレードの空気力学的プロフィルを復元する。損傷構成部品１の機械加工は、工作機械の特殊かつ高度に精確なパラメータ化を必要とする手の込んだ作業である。具体的には、修復されるブリスクは、その耐用期間中に現れた変形および損耗のために元の形状とは異なった形状を有する。このパラメータ化は、従来から経験的に実施されているが、複雑である。これは、ブリスクの損耗の平均度を考慮しながら損傷ブレードがその元の形状に復元されなければならないことによる。したがって、ブレードを修復することを可能にするためには、ブレードの元の形状がどのように形成されていたかを把握することが重要である。

理論モデルの計算
図２を参照すると、コンピュータに基づいた空気力学的な計算２１が、ブレードの理論モデルを画定２２することを可能にしている。この空気力学的な計算２１は、空気力学的断面として知られる付与の立面（断面レベル）におけるブレードのプロフィルを得ることを可能にする。機械設計部（ＭＤＤ）が、これらの空気力学的断面をベジエ曲線に変換し、空気力学的計算時に事前画定されたワイヤーフレームボリュームを完成させる。このワイヤーフレームボリュームから、ＭＤＤは、数学的ベジエ要素をこれらの曲線に適用することによって表面のボリュームを構築して、所望プロフィルの接触および湾曲の点で実現し得る最良の調和を達成する。この構築は、ベジエ曲線を処理する能力のある任意のコンピュータ支援設計（ＣＡＤ）パッケージを使用して実施される。

この一組の要素は理論メッシュＢを形成している。メッシュＢは、ブレードの３次元（３Ｄ）のボリュームを精確に画定するように設計されている。メッシュＢはメッシュ要素から構成され、メッシュ要素は三角形、四角形、または他の多角形であってよい。メッシュは、最も大きな曲率を有するブレードの区域において密度が高い。この理論メッシュＢは、工業化と、機械加工と、新たな構成部品の点検との全てについて設計モデルとしての役目を果たす。

理論メッシュＢは、構成部品がその耐用期間を通じて受ける損耗および変形を組み込んでいないので、修復用のモデルとしての役目を果たすことができない。構成部品の現状態を表す実際的なモデルに依存することが必要である。

実際の構成部品の測定
図１を参照すると、損傷構成部品１に対するボリュームに基づいた測定１２が、物理的感知測定または非接触測定を行う３次元測定機械（３ＤＭＭ）を使用して、構成部品の表面上の点の座標を測定することによって実施される。これが、損傷構成部品１の形状に対応したクラスタ点Ａ、即ちクラスタ点、実測Ａとして知られているものを生み出す。

損傷構成部品の機械加工
損傷構成部品を修復するために、ＣＡＭ（コンピュータ支援製造）ソフトウェアは、理論モデルＢを損傷構成部品１上に認められた損耗および変形に合わされた実用モデルに変形させるために、所謂「モーフィング」関数を使用する。

「逆関数」は、損傷構成部品の、新たな状態の構成部品への変換に対応する。この逆関数は、損傷構成部品１を機械加工するために工作機械をパラメータ化する（正確な寸法を復元するために削られるべき厚み）のに必要な関数である。

目的は、理論モデル変形モーフィング関数を使えるようにし、工作機械がパラメータ化されるのを可能にする逆関数を推定することである。

位相差の測定
図３を参照して、クラスタ点、実測Ａと理論モデルＢとを比較することによって、不充分な厚みを有した区域と過剰な厚みを有した区域とを識別すること３２を可能にする位相モデルが創出３１される。次いでモーフィングによって変形されたモデル上に機械加工路が計算され３３、修復構成部品３を得るよう構成部品が機械加工される３４。

位相モデル３１は一組の座標点（ｘ、ｙ、ｚ、Δ）を備え、ｘ、ｙ、およびｚは、３本の直交軸に沿った群Ａ内の各点の座標であり、Δは、点の、上記点に最も近い理論メッシュ要素の法線への投影である。

このように、Δが正の値を有する場合、損傷構成部品１は、理論モデルＢと比較して過剰な材料を有し、Δが負の値を有する場合、損傷構成部品１は、理論モデルＢと比較して不充分な材料を有する。商標名ＣＡＴＩＡで市販されているソフトウェアパッケージなどのコンピュータ支援設計（ＣＡＤ）ソフトウェアを使用して、自動的に位相モデルを得ること３１ができ、そのようにして機械加工の必要な、過剰な材料を有した区域と材料を追加する必要のある区域とを可視化することができる。

モーフィングを使用したメッシュの理論的変形
モーフィングを使用して理論モデルＢを変形させるには、クラスタ点、実測Ａから最大点数を最もうまく補間するように変位させる理論モデルＢの最良の点を識別することが必要である。これらの点は制御点として知られている。このように、理論メッシュＢを変形させて、損傷構成部品１に対応したメッシュを得ることが可能である。

モーフィングステップの複雑さ
モーフィングを実施するために位相モデルを解析３２することは、経験と高度の熟練とを必要とする複雑なステップである。これは、理論メッシュＢ内の制御点位置に対して局所的修正を加えることは、変形ベジエ表面の形状および位置と表面同士が合うところの接触とに全体的な影響をもたらすことによる。

曲率条件と接触条件もブレードの形状の不規則性について考慮されなければならない。熟練者は、変形理論モデルとクラスタ点Ａとの差異が可能な限り小さくなるように、変位させるべき理論モデルＢの最良の点を計算する。

モーフィング法はゆっくりとした複雑なステップであり、その結果は採用される熟練者によって変わる。したがって、モーフィング関数の計算は極めて厄介な作業である。したがって、モーフィングの方法は工業用途には適していない。

本発明は、少なくともこれらの欠点を軽減することを目指す。

本発明は、機械加工を使用して、ターボ機械のブレードなどの構成部品加工片を、構成部品の知られているプロフィルから修復する方法であって：
ａ．構成部品加工片のエンベロープ上の、クラスタ点を形成した一組の点の座標を得るステップと、
ｂ．過剰な厚みまたは不充分な厚みを有した構成部品加工片上の区域を画定するために、知られているプロフィルをクラスタ点と比較するステップと、
ｃ．モーフィング法を使用して、プロフィルを、変形プロフィルがクラスタ点を補間するように変形させる、モーフィング関数を規定するステップと、
ｄ．モーフィング関数に基づいてパラメータ化された工作機械を使用して構成部品加工片を機械加工するステップとを備えた方法に関する。

本発明によれば、方法は、プロフィルを変形させることが、過剰な厚みまたは不充分な厚みを有した構成部品加工片の各区域を、それぞれがプロフィル（Ｂ）をシミュレートしたメッシュ部分とクラスタ点（Ａ）の点をシミュレートした点との形態である基本変形構成図（ＥＤＣ）と比較することを伴い、基本変形構成図（ＥＤＣ）はデータベース内にファイルされ、データベースはモーフィング関数のパラメータを各基本変形構成図（ＥＤＣ）に関連付ける、方法である。

本発明の方法は、有利には構成部品を自動的に機械加工することを可能にし、モーフィング関数のパラメータはデータベース内で知られている。

このモーフィング関数から、修復される構成部品を機械加工する機械をパラメータ化する関数が推定されることが可能である。モーフィングプロセスを自動化することは、
形状の差異と不良とが反復されない構成部品へのこれらの作業に対して、安定した、完全に反復可能な工業プロセスを提供することを可能にする。これは時間を節約し、品質を向上させ、したがってコストを節約する。

好ましくは、構成部品のプロフィルは点のメッシュの形態となる。

さらに好ましくは、制御点として知られているクラスタ点を補間するために変位されるメッシュの点の座標および変位ベクトルが、モーフィング関数のパラメータとなる。

さらに好ましくは、物理的感知を行う、または行わない三次元測定機械（３ＤＭＭ）が、構成部品加工片のエンベロープ上の点の座標を得る。

さらに好ましくは、構成部品加工片は材料が追加された構成部品である。

本発明はまた、本発明の方法を実施して、モーフィング関数のパラメータを基本変形構成図（ＥＤＣ）に関連付けるためのデータベースに関する。

以下の説明を読み、添付図面を見れば、本発明がより充分に理解される。

本発明による構成部品加工片のエンベロープ上の点の座標を得るステップを示す図である。 本発明による理論メッシュを創出するステップを示す図である。 損傷構成部品を修復するための本発明の方法のステップを示す図である。 本発明の方法による、モーフィングによって変形された理論モデル上の機械加工路を計算するステップを示す図である。 本発明による基本変形構成図を示す図である。 モーフィングによる変形後の図５ａの基本変形構成図を示す図である。 過剰な厚みを有した構成加工部品の区域を示す図である。

図４を参照すると、位相モデル全体に対する解析法３２に従って、過剰な厚みまたは不充分な厚みを有した区域が、パラメータ１０１を備えたデータベース１００内に記憶された基本変形構成図（ＥＤＣ）１０２と比較されている。パラメータ１０１は、機械加工路を計算３３するように理論モデルＢがモーフィングによって変形４１されることを可能にする。

基本変形構成図（ＥＤＣ）
基本変形構成図（ＥＤＣ）１０２は、ベジエ曲線によって画定されたパラメータ化表面である。本明細書では、ＥＤＣは、様々なパターンを使用してもよいメッシュ要素と、パラメータ化表面の実測プロフィルを表した点とから形成されたメッシュ部分を備える。点とメッシュ要素との距離は、パラメータ化表面の理論プロフィルと実測プロフィルとの間の距離としての差異を表している。

基本変形構成図（ＥＤＣ）は、モーフィング関数の局所的視点からの解析である。ＥＤＣは構成部品の理論プロフィルのメッシュ部分をシミュレートしたメッシュ部分と、実際の構成部品の測定点をシミュレートしたいくつかの点とを含む。基本構成ＥＤＣは、実際の構成部品と理論プロフィルとの間に局所的に存在する可能性のある差異を表示したものである。

ＥＤＣをよりうまく定義するために、図５ａを参照すると、ＥＤＣ５は３本の行と３本の列に配置された９つのメッシュ要素から構成されたメッシュ部分を備え、各メッシュ要素は４つの辺を有する。ＥＤＣ５は４つの点Ａ１、Ａ２、Ａ３、Ａ４も備える。

点をその直近のメッシュ要素から隔てているそれぞれの距離は、Ａ１からＡ４までの上記点から出発する上記メッシュ要素の法線に沿って延びた直線によって表示されている。これらの距離は、位相モデルについて上記に画定された差異測定値Δと同様である。これらの距離が短いほど、メッシュは点に近い。

言うまでもなく、パラメータ化表面の形態であり、変形の差異を表す値を表面上の各点に関連付けるＥＤＣも同様に適切である。言うまでもなく、ビットマップまたは解析形のＥＤＣを数学的に表したものも同様に適切である。

ＥＤＣの変形パラメータのデータベースへの記憶
ここでも図５ａを参照すると、４つの制御点Ｂ１からＢ４がＥＤＣ５のメッシュ部分上に示されている。これらは中央メッシュ要素の角に対応している。１つの制御点を変位させると、メッシュのベジエ曲線全体が修正され、メッシュ要素の様々な辺の長さとメッシュ要素の相互の接触との両方に影響を与える。

変位される制御点とそれらの変位ベクトルとを選択すると、モーフィングによってメッシュを変形させ、Ａ１からＡ４をよりうまく補間することが可能になる。

各ＥＤＣとデータベース１００とについて、これらのパラメータは事前に熟練者によって計算され、データベース１００内に入力されている。図４を参照すると、データベース１００は、各ＥＤＣ１０２をこれらのパラメータ１０１に関連付けている。一例として、図５ａおよび図５ｂは、図５ａのＥＤＣのメッシュに対するモーフィングによる変形を示している。制御点Ｂ２は、ベクトルＶに沿って点Ｂ２’に変位され、そのようにしてメッシュが点Ａ１からＡ４を補間することを可能にする。例えば、点Ａ１からＡ４とメッシュとの差異が図５ｂで縮小していることに留意されたい。データベース１００では、ＥＤＣ５は、変位される点Ｂ２の座標と変位ベクトルＶとに関連付けられている。

この例では、制御点が１つだけ、この場合ではＢ２が変位される。しかしながら、点Ａ１からＡ４を補間するために数個の制御点が同様に変位されてもよい。

データベース１００は、様々なメッシュと点の位置とを備えた多数のＥＤＣ１０２を含み、それらについて、点を最もうまく補間するようにメッシュの最適な変形が計算されている。ＥＤＣ１０２は、それらの曲率、凹性、メッシュ要素の数、接続部の接続性、メッシュ要素の接触において互いに異なる。

例示的実施形態
以上で本発明の手段の仕組みについて説明したが、次に本発明がどのように役に立ち、実施されることができるのかについて説明する。

図３を参照すると、構成部品１の全体的な位相モデルを創出３１するために、材料が追加されていてもよい２損傷構成部品１のクラスタ点Ａが理論モデルＢと比較されている。

全体的な位相モデルを解析３２すると、過剰な厚みまたは不充分な厚みを有した区域に対応する局所的位相区域を識別することが可能になる。解析後、機械加工路を計算３２するステップと構成部品１を機械加工３４するステップとが実施される。図６を参照すると、これらの局所位相区域２０はそれぞれデータベース１００内のＥＤＣ１０２と比較されている。

この比較は、形状の差異と、縮尺比と、理論メッシュＢのメッシュ要素の位置に応じた解析とによって実施される。

データベース１００は、選択された局所位相区域２０を識別することを可能にするように、幅広い種類のＥＤＣ１０２を含み、ＥＤＣ１０２は数学的な意味での基礎部を構成している。ＥＤＣが識別されると、ＥＤＣ１０２に関連付けられたパラメータ１０１がデータベース１００から読み取られる。これらのパラメータ１０２は、局所位相区域２０のメッシュＢが変形されるのを可能にする。

この比較のステップは、理論メッシュＢを変形させるのに必要な一組の局所パラメータ１０１を得るように、局所位相区域２０ごとに実施される。これらのパラメータ１０１は、損傷構成部品１に正確な空気力学的プロフィルを復元するように、理論モデルＢ上の機械加工路を計算３３するために必要である。

局所位相区域２０がデータベース１００から識別されることが可能でない場合は、上記区域２０のメッシュは、変位されるべき制御点とそれらの変位ベクトルとを決定する熟練者によって変形される。

局所位相区域とこの区域用の変位パラメータとがデータベース１００内に入力されて、熟練者によって計算されたパラメータが後日再度使用されることを可能にする。データベース１００の強化は、熟練者が何度も同様の問題を解決しなければならなくなるのを防止することを可能にする。モーフィングによる変形は自動化される。

１ ブレード、構成部品加工片
２ 材料追加部、パッチ
３ 機械加工された構成部品
５、１０２ 基本変形構成図（ＥＤＣ）
１１ 材料を追加するステップ
１２ 構成部品に対してボリュームに基づいた測定を行うステップ
２０ 局所位相区域
２１ 空気力学的計算をするステップ
２２ 理論モデルを創出するステップ
３１ 位相モデルの創出
３２ 全体的位相モデルの解析
３３ 機械加工路の計算
３４ 機械加工
４１ モーフィングを使用した理論モデルの変形
１００ データベース
１０１ パラメータ

Claims (6)

1. 機械加工を使用して、ターボ機械のブレードなどの構成部品加工片を、構成部品の知られているプロフィルから修復する方法であって、
   ａ．構成部品加工片のエンベロープ上の、クラスタ点を形成した一組の点の座標を得るステップと、
   ｂ．過剰な厚みまたは不充分な厚みを有した構成部品加工片上の区域を画定するために、知られているプロフィルをクラスタ点と比較するステップと、
   ｃ．モーフィング法を使用して、プロフィルを、変形プロフィルがクラスタ点を補間するように変形させる、モーフィング関数を規定するステップと、
   ｄ．モーフィング関数に基づいてパラメータ化された工作機械を使用して構成部品加工片を機械加工するステップとを備え、
   プロフィルを変形させることが、過剰な厚みまたは不充分な厚みを有した構成部品加工片の各区域を、それぞれがプロフィルをシミュレートしたメッシュ部分とクラスタ点の点をシミュレートした点との形態である基本変形構成図（ＥＤＣ）と比較することを伴い、基本変形構成図（ＥＤＣ）がデータベース内にファイルされ、データベースがモーフィング関数のパラメータを各基本変形構成図（ＥＤＣ）に関連付ける、方法。
2. 構成部品のプロフィルが点のメッシュの形態である、請求項１に記載の方法。
3. 制御点として知られている、クラスタ点を補間するように変位されるメッシュの点の座標および変位ベクトルが、モーフィング関数のパラメータである、請求項２に記載の方法。
4. 物理的感知を行う、または行わない三次元測定機械（３ＤＭＭ）が、構成部品加工片のエンベロープ上の点の座標を得る、請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
5. 構成部品加工片が材料の加えられた構成部品である、請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
6. モーフィング関数のパラメータを基本変形構成図（ＥＤＣ）に関連付ける、請求項１から５のいずれか一項に記載の方法を実施するためのデータベース。

Images