JP3789388B2 - 部品を補修するためのシステム - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はタービン用ベーンなどの部品を補修するための、自動化されたシステムおよび方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガスタービンエンジンの部品は長時間にわたって高温高圧に曝される。代表的な使用例は高圧タービンのベーンであり、この場合、部品の温度は２０００°Ｆ（１０９３℃）を優に越えることがある。このような条件下で、部品はその形状と強度を長期間にわたって保ち、過度に頻繁な修理や交換を要することなく、エンジンの経済的な運転を可能にすることが期待される。
【０００３】
長期間の使用において、一部の部品は浸食や疲労原因の亀裂による損傷を生じる。最終的には、これらの部品には補修やオーバーホールが必要になる。
【０００４】
オーバーホールにおいては、ペースト状のろう付け補修材料を部品のエアフォイル表面およびプラットフォーム上に塗布し、部品上に存在するすべての亀裂や冷却孔を塞ぐ。その後、部品を炉に入れてろう付け作業を完成させる。通常は、過剰な補修材料が部品表面に残っているので、部品の元の形状（オリジナル形状）に出来るだけ近い形状に戻すために、補修材料を除去し、および／または手作業でブレンド（blend）ないしブレンディング（blending）、つまり手直しをしなくてはならない。この工程において使用されるろう付け材料は高い硬度を有し、すなわちＲｃ５０またはそれ以上であり、機械加工性が非常に低い。従って、手作業によるブレンドには長時間を要し、完了には平均してベーンあたり６０ないし７５分を要する。補修材料で覆われた多くの表面を、カンを頼りに元の複雑なエアフォイル形状にブレンドしなおさなければならないので、非常に熟練した作業者のみがこの手作業によるブレンドを確実に行うことができる。また手作業の限界の故に、得られる形状は正確ではない。
【０００５】
問題は、部品形状が知られており、従って一定のブレンド経路を生成できる通常の部品製造とは異なり、この場合は補修すべき部品の形状が部品ごとに異なることである。これは部品がエンジン中で高温下に長期間、使用状態にあったことによる。過酷な運転条件によって、オーバーホールや補修にまわされる部品は変形しているのが通常である。このことは、既存のＣＡＤ形状データを、すべての部品をブレンドするための標準のブレンド経路を作成するのに用いることができない、ということを意味する。もう一つの問題は、エアフォイルの内外のプロファイルが両方とも、運転条件によって変形しているので、設計された金属の厚みを保つにはエアフォイルの外部形状を内部空洞の形状に一致させながらブレンドしなければならない、ということである。補修された被覆表面には基準となる、あるいは加工に役立つ、元々の無垢の表面は少ない。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明の目的は、部品を補修するシステムおよび方法を提供することである。
本発明の他の目的は、工程時間および労働コストを低減できる、上記のシステムおよび方法を提供することである。
本発明のさらに他の目的は、高い品質の補修済み部品が得られる、上記のシステムおよび方法を提供することである。
本発明のさらに別の目的は、部品のエアフォイルのプロファイルが所要の形状に近い、上記のシステムおよび方法を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上述の目的は、本発明のシステムおよび工程によって達成される。
本発明によれば、部品を補修するためのシステムが提供される。このシステムは、概略的には、補修すべき部品の各表面から余分な補修材料を除去するため、および補修された表面をブレンドする作業ないし操作を実施するための指示を生成する手段と、生成された指示に従ってブレンド作業を実施するための自動化された手段とを有してなる。本システムはさらに、除去および／またはブレンド作業を必要とし補修材料をその上に有する各部品表面の画像を生成するための手段を含んでいる。
【０００８】
さらに本発明によれば、部品を補修するための方法が提供される。この方法は、概略的には、補修すべき部品の各表面から余分な補修材料を除去するため、および補修された表面をブレンドする作業ないし操作を実施するための指示を生成するステップと、生成された指示に従ってブレンド作業を実施するステップとからなる。
【０００９】
本発明のシステムおよび方法のその他の詳細、及びそれに伴うその他の目的や利点は以下の詳細な説明及び添付図面に示されている。図中において、類似の構成要素は類似の参照符号で表されている。
【００１０】
【発明の実施の形態】
上述したように、補修すべき部品１６には、まず最初に、ろう材料ないし補修材料が塗布される。ろう材料は、クラックつまり亀裂や割れが見つかった場所、および部品１６の一部の復元が必要なところすべてに塗布される。通常、ろう材料は、各部品１６のエアフォイル表面部分、前縁部と後縁部、およびプラットフォーム部分などに塗布される。ろう材料を塗布した後に、部品１６をろう付け炉に入れ、ろう付け作業ないし操作を完了ないし完結させる。ろう付けの後、余分なろう材料を除去し、残ったろう材料を部品に対してブレンドして、改修された部品をオリジナル形状にできるだけ近づける。
【００１１】
図面を参照すると、例えばタービンエンジンの第１段ベーンなどの部品１６をオーバーホール、改修、または補修するためのシステム１０が図１に例示されている。システム１０は、部品１６の上に堆積されたろう材料または補修材料のブレンドおよび／または除去が必要とされる補修作業の部分を自動化するように設計されている。
【００１２】
システム１０は、先ず最初に、その上にろう材料を備えたつまりろう付けが施された部品１６の画像を取得する。この目的のために、システム１０はスキャニング装置（スキャナー装置）１２を含んでおり、これにより、部品１６の、ろう材料が堆積された各表面のデジタル画像が取得される。スキャニング装置１２による画像は、部品１６の全表面積をカバーするように、多くの角度から撮られる。スキャニング装置１２は、ろう材料が施された各部品表面を照明つまり照らし出すために、レーザー１３を有しても良い。レーザー１３は、それぞれの個々の表面を多数の走査線または走査帯で照らし出す。スキャニング装置１２はさらに、多数の走査帯を有するそれぞれの表面の画像を取得するために、少なくとも１個のカメラ１４を有する。スキャニング装置１２が部品１６の全表面の画像を取得できるように、部品１６は例えばプログラム可能な六軸ロボットのような、プログラム可能ロボット１８に取り付けられてる。ロボット１８はスキャニング装置が所望の画像を得られるように、部品１６を動かすのに用いられる。なお、このロボット１８はスキャニング工程および後続の作業（操作）に際して、つまりこれらスキャニング行程や後続の作業（操作）の間において、部品を保持するために機能する。
【００１３】
スキャニング作業が完了すると、スキャニング装置１２は中央処理ユニット２０に、各部品表面の三次元点集合デジタル画像を供給する。このように、スキャニング装置１２は部品１６の現在の形状の情報を、点の集合として提供する。
【００１４】
プログラムされた中央処理ユニット（ＣＰＵ）２０はスキャニング装置１２からデジタル画像データを受領ないし受け取る。中央処理ユニット２０は好ましくは、受領したデジタル画像データの完全性をチェックして、不必要な点の集合があれば削除するようにプログラムされている。さらにまた、中央処理ユニット２０は各部品の表面のいろいろな視点からのデジタル画像データを統合し、データを正しいシーケンス（順序））で組み合わせて、部品の全表面の完全な三次元デジタルデータを得るようにプログラムされている。このようにして中央処理ユニット２０は、部品１６の、ろう材料が施されたそれぞれの表面の三次元画像を作成する。
【００１５】
中央処理ユニット２０はさらに、すべての部品表面、つまり部品の全表面をそれぞれ代表する三次元デジタルデータを、部品の基準の、あるいはオリジナルの形状と比較するようにプログラムされている。補修すべき特定の部品の各表面の基準の、あるいはオリジナルの形状の情報は中央処理ユニット２０に付属する記憶装置１９に記憶されていてもよく、また使用者が当業界公知の適切な入力装置を用いて中央処理ユニット２０に入力してもよい。このような比較に基づいて（比較に従って）、中央処理ユニット２０はろう材料が施された各表面について、部品１６のろう材料を除去し、および／またはブレンドするためのブレンド経路ないしブレンド経路プログラムを作成する。このようにして作成されたブレンド経路プログラムはロボット１８に供給され、これによってロボット１８は一連のブレンド工具に関する各部品１６の向きを操作することができる。これらの工具は後にオーバーホールまたは補修工程を達成するためのもの、つまりオーバーホールや補修工程のために使用されるものである。図２は、このようなブレンド経路プログラムの一例を、補修すべきタービンベーンの一表面について示している。
【００１６】
さらに、中央処理ユニット２０は作業者に対して、除去されるべきろう材料の視覚画像を提供することができる。このような画像は部品の各表面の基準形状を、スキャニング装置１２によって取得された部品１６の走査形状から差し引くことによって得られる。
【００１７】
中央処理ユニット２０は当業界公知の任意の適切なコンピューターからなってよく、また任意の適切なプログラム言語でプログラムされてよい。
【００１８】
上述したように、ロボット１８は好ましくはプログラム可能な６軸ロボットであり、部品１６を保持して６軸のうち任意の軸の周りに部品１６を動かすことができる。ロボット１８は、部品１６を一式の工具に関して連続的に操作し、かつブレンド経路に沿って動かす。この際ロボット自身は固定した位置に留まることが好ましい。
【００１９】
システム１０はさらに、各種の適切な工具、つまり所定の仕様や規格などに準拠ないし対応している工具を用いて部品１６をブレンドするための多数の工具ステーション２４からなる、ブレンドセル２２を含んでいる。セル２２は、部品のある一つの特徴部分をブレンドするのに特殊化ないし専門化したセル内の各ステーション毎にブレンド作業が段階的に進行するように設計されている。ブレンドセル２２内の工具ステーション２４の数、および各ステーションで用いられる工具の種類は、補修すべき部品１６の関数であり、つまり部品１６の機能によって決まる。例えば、部品１６が第一段タービンベーンであれば、セル２２は、ベーンの凹状のエアフォイル形状表面、ベーンの凸状のエアフォイル形状表面、ベーンの前縁部、ベーンの後縁部、ベーンのプラットフォームないし各プラットフォームなどの特徴部分をブレンドするための工具を含んでいても良い。必要に応じてセル２２に組み込まれてもよいその他の工具としては、ブレンド段階が完了した後に部品１６の表面を研磨するためのポリッシャー（研磨機ないし艶出し機）がある。
【００２０】
ブレンドセル２２は、部品１６の各表面の特定のブレンド領域における負荷を一定に保つ場合に、適切な対応が取れるように設計されている。これは各工具に負荷センサー２６を用いることによって、また工具自体の設計によって行われる。各負荷センサー２６は、加工中の部品１６の各表面の特定のブレンド領域に対して各工具から掛かっている力の大きさを検知する。負荷センサー２６は、特定のブレンド領域に工具から掛かっている負荷が所望のレベルにない場合、各工具に信号を送って工具および工具に掛かる力を調整する。
【００２１】
特定のブレンドおよび／または研磨作業が完了した後、加工された補修済みの部品１６、つまり加工および補修済みの部品１６の表面を検査することが望ましい。別個の検査装置を設けることもできるが、スキャニング装置１２を周期的な検査器具として用いて、ブレンド工程の進行をモニターすることが好ましい。
【００２２】
以上、部品を補修し、改修し、またはオーバーホールするための自動化されたシステムおよび方法を説明した。この方法およびシステムは、ろう付け補修技術に属する広範な部品の改修に用いられるように適合ないし適用可能なものである。さらにまた、本発明の方法およびシステムを用いることで、より迅速且つ経済的に部品を改修できる。
【００２３】
以上の通り、本発明によれば、上述の目的、手段、および利点を完全に満足する部品補修自動化システムが提供されることは明らかである。また、以上では本発明をその特定の実施例について説明したが、上記説明を読むことで当業者には他の別法、改造、および変形は自明である。従って、添付の広い特許請求の範囲はこれらの別法、改造、および変形を包含するように意図されたものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による部品補修システムの図式的な説明図である。
【図２】補修されるべきベーンのブレンディングプログラムを例示した説明図である。
【符号の説明】
１０ システム
１２ スキャニング装置
１３ レーザー
１４ カメラ
１６ 部品
１８ ロボット
２０ 中央処理ユニット
２２ ブレンドセル
２４ 工具ステーション
２６ 負荷センサー

Claims (13)

1. 補修材料が堆積された少なくとも一つの表面を有する部品を補修するためのシステムであって、
   前記部品の各前記表面から余分な補修材料を除去し、および前記部品の前記表面をブレンドする作業を実施するための指示を生成するための手段と、
   前記生成された指示に従って前記作業を実施するための自動化された手段と、
   前記補修材料が堆積された各前記表面の画像を生成する手段とを有してなり、
   前記画像生成手段はスキャナー装置を有し、また前記スキャナー装置は、前記部品の個々の表面上に多数のレーザー帯を生成させるためのレーザーと、前記レーザー帯により照らし出された前記個々の表面の画像を取得するための少なくとも一つのカメラを有してなる、ことを特徴とするシステム。
2. 前記画像生成手段は前記補修材料が堆積された各前記表面のデジタル化された画像を生成し、および前記指示生成手段は、各前記表面のデジタル化された画像と各前記表面の基準の画像とを比較する手段を有し、また前記比較に基づいてブレンド経路を作成する、ことを特徴とする請求項１記載のシステム。
3. 前記指示生成手段は前記作業を実施するためのブレンド経路プログラムを生成し、前記自動化された手段は前記画像生成および前記作業に際して前記部品を保持するためのプログラム可能なロボットを有し、および前記プログラム可能なロボットは前記ブレンド経路プログラムを受領する、ことを特徴とする請求項２記載のシステム。
4. 前記ロボットがプログラム可能な６軸ロボットを有してなり、および前記自動化された手段はさらに、ブレンド作業を実施するための工具を備えた少なくとも一つの工具ステーションを備えたセルを有してなる、ことを特徴とする請求項３記載のシステム。
5. 前記セルは前記部品の前記表面の異なる一つをそれぞれ加工するための複数の工具を有してなり、各前記工具は、前記工具が前記部品のそれぞれの表面のそれぞれのブレンド領域に一定の力をかけることを保証するためにそれに接続されたセンサーを有する、ことを特徴とする請求項４記載のシステム。
6. 前記作業が完了した後に前記部品を検査する手段をさらに有してなる、ことを特徴とする請求項１記載のシステム。
7. 前記検査手段が前記画像生成手段である、ことを特徴とする請求項６記載のシステム。
8. 補修材料が堆積された少なくとも一つの表面を有する部品を補修するための方法であって、
   前記部品の各前記表面から余分な補修材料を除去するため、および各前記表面をブレンドする作業を実施するための指示を生成するステップと、
   前記生成された指示に従って前記作業を実施するステップと、
   堆積された前記補修材料を有する各前記表面の画像を生成するステップとを有してなり、
   前記画像生成ステップは各前記表面のデジタル化された画像を生成するステップを有し、かつ前記指示生成ステップは各前記表面の前記デジタル化された画像と各前記表面の基準画像とを比較するステップを有してなる、ことを特徴とする方法。
9. 前記指示生成ステップは、前記作業を実施するためのブレンド経路プログラムを生成するステップを有してなる、ことを特徴とする請求項８記載の方法。
10. 前記作業に際して前記部品を操作するためのプログラム可能なロボットを備えるステップと、
    前記ブレンド経路プログラムを前記プログラム可能なロボットに送出するステップとをさらに有してなる、ことを特徴とする請求項９記載の方法。
11. 前記ロボットを備えるステップは、プログラム可能な６軸ロボットを備えるステップである、ことを特徴とする請求項１０記載の方法。
12. 前記作業を実施するための少なくとも一つの工具を備えるステップをさらに有してなり、
    前記実施するステップが、前記ロボットを用いて前記部品のそれぞれの表面を動かして前記工具に接触させるステップを有してなる、ことを特徴とする請求項１０記載の方法。
13. 前記工具を備えるステップは複数の工具を備えるステップを有してなり、および
    前記実施するステップが、段階的な作業において、前記部品のそれぞれの表面を動かして各々の前記工具に接触させるステップを有してなる、ことを特徴とする請求項１２記載の方法。

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