WO2017068040A1 - Vorrichtung und verfahren zur bearbeitung eines gasturbinen-bauteils mittels eines manipulators - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zur bearbeitung eines gasturbinen-bauteils mittels eines manipulators Download PDF

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component
subspace
movement
machining
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PCT/EP2016/075225
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Christoph Schwienbacher
Michael Ernst
Thiemo Ullrich
Thorsten SCHÜPPSTUHL
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Lufthansa Technik Ag
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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Definitions

  • the present invention relates to an apparatus and a method for processing a component having the features of the preambles of the independent claims.
  • Aircraft components are exposed to high stress during operation. In addition to components made of composite materials, such as structural components, or metallic components, such as suspension components, this can lead to a defective cracking, especially in the components of an aircraft engine. Similar damage patterns are also present in other gas turbines, for example in stationary gas turbines. Combustor components are particularly affected by the formation of cracks in gas turbines.
  • Cracks are local material separations within a structure or within a component. Cracking is typically a local event in the microstructure of the surface, which is usually caused by lattice defects in the microstructure or by cyclical operating loads. As a rule, cracks spread perpendicular to the normal stress. This spread is referred to as normal voltage controlled.
  • cracks occur due to high thermal and mechanical stress.
  • the cracking is caused by the prevailing high temperatures and, on the other hand, the vibrations transmitted to the combustion chamber from the upstream and downstream modules, the High-pressure compressor and the high-pressure turbine crack growth and cracking.
  • the main problem is to detect the damage incurred during operation, in particular cracks, and to repair the components by appropriate measures. Due to the individually different crack or damage characteristics, this is often difficult.
  • the established repair processes comprise an approximately completely manual process chain, which is characterized by a long and unstable throughput time and a low reproducibility of the repair results.
  • the manual process for repair includes, for example, the steps of component alignment, milling to prepare the weld, welding, and milling to rework the weld.
  • further processing steps may be provided, such as the application of a heat protection layer or the heat treatment of a component. Ensuring a consistently high quality in this manually performed process is costly, especially since it must be ensured and documented that the high aviation requirements are met.
  • a machining tool such as a cutting tool or a welding tool
  • robot For the purpose of the most accurate positioning of a machining tool, such as a cutting tool or a welding tool, it is known from the prior art to position the machining tool by robot relative to a component. These are typically around a six-axis robot through which the machining tool can theoretically reach every point of the component to be machined.
  • EP 0 158 447 A1 shows a six-axis robot which guides a machining tool over a component which is positioned on a turntable.
  • a simplification of the robot movement is achieved by a superposition of the motion components of the robot with those of the turntable.
  • the object of the invention is to improve positioning and orientation errors and thus the precision of automatic processing equipment with a multi-axis positioning.
  • a device for machining a component which has a multi-axis positioning device, a machining tool and a control device for controlling the positioning device, wherein the machining tool is movable relative to the component by the positioning device, wherein the machining tool is determined by the positioning device for each axis is movable within a respective working area, the control means being arranged to restrict movement of the positioning means along or about at least one restricted axis within the corresponding working area to a sub-area or sub-space, the restriction of movement along or around the restricted axis can be compensated by an additional possibility of movement of the positioning and / or the component around and / or along an external axis.
  • the positioning device By means of the positioning device, any movements of the machining tool within a working space are possible.
  • the working space is determined by the possibility of movement along or about the respective axes of movement of the positioning device within the corresponding working area of the respective axis.
  • the working space is the space that can be reached by the part of the positioning device that receives the machining tool.
  • the positioning device u is a six-axis system, so that any desired processing points of the component to be processed can be achieved within the working space.
  • any other multi-axis positioning devices with rotary and / or linear axes are also conceivable.
  • the positioning device is advantageously a multi-axis robot, in particular a six-axis industrial robot with additional axis (s).
  • the control device achieves an artificial restriction of the freedom of movement of the positioning device, with the result that movements along and / or around the limited axis are not possible at all or only to a limited extent. This restriction makes it possible to minimize position uncertainties along or around the restricted axis.
  • the limitation imposed by the control device on the subspace is compensated by a possibility of movement along or about an external axis.
  • an external axis in the sense of this application is to be understood as meaning an axis which is not assigned directly to the positioning device.
  • it is an axis that is redundant to an axis of the positioning device, i. which would not actually be required to reach a certain processing point of the component, because this would be possible by the degrees of freedom of the positioning device itself.
  • the external axis is aligned parallel to an axis of the positioning device.
  • the external axis is arranged such that the component to be processed can be moved rotationally and / or translationally by the additionally resulting degree of freedom.
  • the external axis can also be arranged so that the positioning device itself can be moved in a rotational and / or translatory manner by the resulting degree of freedom.
  • all Bige combinations of external axes for movement of the component and the positioning possible are possible.
  • a high-precision storage and Aktua- tion device which allows a translational and / or rotational movement along and / or about the external axis.
  • the movement along and / or about the external axis can thus be performed more precisely, that is, with a smaller positional error, than would be possible by a movement of the positioning device itself. It can thus achieve a more precise and process-stable machining of components. Furthermore, collisions with the component can be more easily avoided.
  • control of the movement takes place around and / or along the external axis by the control device. It is thus carried out both the restriction of movement to the subspace and the compensation of this restriction by the control device. Furthermore, the control of the compensation movement along and / or about the external axis increases the precision compared to a manual movement. In an alternative embodiment of the invention, in some cases the functions of the control device can also be carried out manually.
  • a subspace is formed by a sectional area of the component.
  • the sectional area in the sense of this application preferably has a minimum thickness which, however, is small compared to the main area, ie the thickness is preferably at most 5% of the maximum length of the main area.
  • the cut surface may also be an ideal surface. By choosing the cutting surface as a subspace, this can be chosen as small as possible, which simplifies the identification and compensation of the inaccuracies of the positioning. Any position errors can be compensated more efficiently, since a measuring device must detect fewer measuring points.
  • the subarea or subspace is preferably at most 50% of the corresponding working range, more preferably at most 10%, in particular preferably at most 5%.
  • the subarea or subspace may also be formed by a discrete value within the workspace.
  • the movement along and / or around the limited axis is completely restricted and, accordingly, completely compensated by the movement around and / or along the external axis.
  • the positioning errors of the positioning device which result from a movement around and / or along the limited axis, can thus be largely or completely eliminated.
  • the compensation of this restriction by the movement along and / or about the external axis can lead to new position errors, these are substantially smaller than the position errors caused by the positioning device. Consequently, overall, the precision of the processing apparatus can be increased.
  • the restricted motion is a rotational movement about the restricted axis.
  • rotationally symmetrical or approximately rotationally symmetrical components such as, for example, the outer or inner flame tube of a combustion chamber of a gas turbine, can be processed efficiently.
  • the restricted axis then preferably coincides with the axis of symmetry of the component or is aligned parallel to the axis of symmetry.
  • the component can therefore be rotated so far until the processing point is located in the subspace. Within the subspace, a corresponding processing of the component can then be carried out by the machining tool.
  • the limited axis is a vertical axis. Accordingly, the external axis is vertically aligned, so that the component can then be positioned, for example, on a turntable.
  • component-specific subspaces are stored on a data carrier.
  • the subspaces may preferably be called by the controller, so that an appropriate subspace is available for processing in an efficient manner.
  • a measuring device which is adapted to detect the position of the machining tool within the subspace.
  • the measuring device is preferably an optical measuring system that can determine the actual position of the positioning device and / or of the machining tool. A possible deviation of the actual position from a desired position, that is the position error, can then be determined and quantified via the control device. By restricting When measuring the subspace, fewer measuring points need to be recorded so that a faster measurement is possible.
  • the subspace of the positioning is advantageously measured once during commissioning. Subsequently, a new measurement only has to take place when the relative positions change (for example when a rotary table is repositioned).
  • a high-resolution optical measuring device such as a laser tracker, can be used. It is advantageous that this Einmessprozedur is required only once and thus a complex permanent monitoring of any deviation from the actual and target position or online control of the machining tool can be omitted.
  • the measuring device is adapted to determine the component state, i. Identify damage.
  • the guide of the inspection tool can then be limited to the sub-area or sub-area, so that the optical measuring technology for detecting or inspecting the state of the component can remain in a predetermined position. It can be dispensed with swinging out of the measuring device preferably attached to the positioning, so that a faster detection of iger damage is possible.
  • a compensation device for compensating position errors of the positioning device wherein the compensation device is set up to process the robot poses to be approached on the basis of the measured measured values.
  • the compensation device must use only one grain compensate for position errors within the subspace, so that both the identification and the compensation of position errors occur faster.
  • the more efficient compensation of position errors is also achieved by the fact that the positioning within the subspace also fewer approach points are available.
  • a protective gas device is seen before, wherein the protective gas device is set up such that the protective effect is limited to the subspace.
  • the protective gas device is a protective gas device adapted to the component contour.
  • the protective gas device is preferably a stationary protective gas device.
  • the invention also proposes a method for repairing a component, wherein the repair is carried out using the device according to the invention.
  • a loading processing point of the component is moved by a movement along and / or an external axis in a predefined subspace within the working space, wherein then ei ne machining the processing point by a machining tool which is moved within the subspace, he follows.
  • This allows movement along or around the restricted Axis completely omitted and be compensated by the movement along or about the external axis.
  • the subspace is formed by a sectional surface of the component and moves the machining tool during processing exclusively in the plane of the cut surface.
  • the machining tool only has to perform a two-dimensional movement, which can reduce the position errors.
  • Fig. 1 shows a device according to the invention for processing egg nes component
  • Fig. 2 is a detail view of a machining tool positioned in a subspace
  • Fig. 3 is a side view of a component to be machined, - and
  • a device 1 for machining a component 2, comprising a machining tool 3, a positioning device 4 and a turntable 9. Furthermore, a subspace 7 in the form of a rectangular area is shown schematically.
  • the component 2 to be machined in this exemplary embodiment is an approximately rotationally symmetrical one Combustion chamber component of a gas turbine.
  • a processing of any other components 2 is possible by the device 1 according to the invention.
  • the machining tool 3 is preferably a machining, joining or material-applying tool, for example a milling cutter, a drilling device, a turning tool, a separating blade, a welding device, a laser drilling and / or cutting device, if necessary with beam catching.
  • a receptacle 11 is provided, which connects the machining tool 3 with the positioning device 4.
  • the receptacle 11 is adapted to change the processing tool 3 manually or automatically.
  • a measuring device is provided in addition to the machining tool 3 on the receptacle 11 of the positioning device 4.
  • the multiaxial positioning device 4 is preferably a six-axis positioning device 4, s that it is possible to move the machining tool 3 as desired rela tively to the component 2.
  • the working space is thus clamped by the axes of movement of the positioning device 4 and their respective working area.
  • the working area specifies axis-specifically which translational or rotary movements are possible along or around a corresponding axis.
  • the component to be machined 2 is positioned on the turntable 9, whose axis of rotation forms an external axis 5.
  • the external axis 5 is preferably vertically aligned and parallel to a limited axis 10 of the positioning means 4.
  • the restricted axis 10 may also preferably coincide with the external axis 5.
  • the external axis 5 in the sense of this invention is characterized in that the additional degree of freedom resulting from it would not be required in order to achieve a corresponding processing point 6 of the component 2. This is also the case in this embodiment, because as shown in FIG.
  • the machining point 6 can be done not only by a rotation of the component 2 by means of the turntable 9 about the external axis 5, but also by the rotation of the machining tool 3rd Generally, the external axis 5 rotates the respective machining point into the subspace or about the cutting plane of the component, and the robot 4 moves the machining points on a vertical line here. Thus, any rotational movement takes place from the external axis 5 and only the vertical movement is performed by the robot 4.
  • an electronic control device 14 for example a computer, which is only shown schematically in FIG. 1, is provided, which is adapted to the freedom of movement of the positioning device 4 and thus of the machining tool 3, namely the so-called Tool Center Point (TCP), to a subspace restrict.
  • TCP Tool Center Point
  • Fig. 1 the subspace is shown reduced to a plane.
  • the subspace is shown reduced to a plane.
  • the possible orientation variations rotation of the TCPs around the three axes of the xyz coordinate system
  • the freedom of movement along or about at least one limited axis 10 is restricted to a sub-area.
  • the turntable 9 rotates the component 2 about the axis of rotation 5 in the subspace 7, which has been limited to a 2D plane, ie a length dimension has been eliminated.
  • the positioning device 4 accordingly only needs to approach positions within the subspace 7. Since the tool 3 must work exclusively perpendicular to the component surface, two orientation variables can be eliminated beyond a length dimension, since the tool only has to be rotated within the subspace. However, the further degrees of freedom of the positioning device 4 are retained, so that the machining tool 3 can be moved in a translational and rotational manner within a subspace 7.
  • the working range is defined with respect to the possibility of rotation of the positioning device 4 about the axis 10 to 360 °.
  • rotation about axis 10 can be completely prevented, i. the sub-area is set to a discrete value with respect to the possibility of rotation about the axis 10. At least one degree of freedom of the positioning device 4 is thus limited by the control device 14.
  • the limited possibility of movement of the positioning device 4 is compensated by the additional degree of freedom that arises due to the rotation of the turntable 9 about the external axis 5.
  • a compensation of a caused by the control device 14 Restriction of the possibility of movement of the positioning device 4 can also be compensated by a translational movement along an external axis 5.
  • a movement for example a rotational movement is not completely limited to the limited axis 10, but is limited by the control device 14 to a predefined angular range
  • the limited movement must be compensated by a corresponding possibility of movement about the external axis 5.
  • the rotational movement of the positioning device 4 were limited to the limited axis 10 to an angle of at most 25 °, then a rotation about an external axis 5 coinciding with the restricted axis 10 would have to be possible by at least 335 ° to the entire possible processing range of 360 ° to capture.
  • the movement is implemented around or along the external axis 5 by a corresponding mounting of the component to be machined 2, for example by the use of the turntable 9.
  • the entire positioning device 4 may be mounted so that a movement along or around the external axis 5 is possible.
  • the component 2 to be processed is securely positioned on the turntable 9 via a plurality of support elements 12.
  • an actuation device is preferably provided, which is set up to rotate the turntable 9 in a predefined manner about the external axis 5.
  • the actuation device is actuated by the control device 14, so that the restriction kung the possibility of movement of the positioning device 4 can be compensated.
  • a plurality of processing points 6a and 6b, here cracks, of the component 2 are shown, which are to be processed by the machining tool 3, here a milling device.
  • the machining point 6b was first moved into the subspace 7, which in this case is formed by a rectangular area.
  • the machining point 6a is moved into the subspace by rotation of the turntable 9.
  • the subspace 7 can also be formed by any other spatial geometries.
  • the machining tool 3 is also aligned parallel to the flat subspace 7. Further preferably, a possible axis of rotation or a machining center of the machining tool 3 lies in the plane of the flat sub-chamber 7.
  • the control device 14 is preferably configured to automatically select a suitable subspace 7, for example from a data memory. This includes not only the geometry of the subspace 7, but also its arrangement relative to the component 2.
  • the subspace 7 can be arbitrarily positioned and oriented, provided that it is subspace of the working space of the positioning device 4. It should preferably be noted that collisions and singularities are avoided and machining at the axis and working space boundaries are avoided.
  • the flat subspace 7 is preferably arranged vertically, the subspace 7 preferably also perpendicular to a centric see axis 13 of the machining point 6 is aligned.
  • the component 2 can be aligned horizontally via the support elements 12 and preferably also clamped in this position, it is possible, the machining point 6 and the central axis 13 alone by rotation of the turntable 9 about the external axis 5 in the subspace 7 to move. Even if the subspace is not oriented vertically, the turntable 9 can rotate the processing point into the subspace. Furthermore, it is not significant that the axis 5 of the turntable is parallel to a robot axis or coincides with it. This feature of Fig. 1 is not a prerequisite for the realization of the method.
  • the position of the processing station 6 with respect to the subspace 7 can be monitored and regulated, so that it is ensured even during the processing operation, for example by processing forces, that the processing station 6 does not move out of the subspace 7.
  • a high process quality and stability can be achieved.
  • the rotation about the limited axis 10 can preferably be completely blocked by the control device 14.
  • the machining tool 3 then has to be moved only for movement into the machining position within the subspace 7, so that in comparison to a movement of the machining tool 3 in the entire working space, a much simpler and shorter movement must be performed by the positioning device 4; This reduces the position errors.
  • the movement of the machining tool 3 during the actual machining operation preferably takes place exclusively within the subspace 7 instead, so that thus the processing quality can be improved.
  • a compensation device is provided, which is connected to a measuring device.
  • the measuring device is set up to detect the actual position of the machining tool 3 relative to the component 2.
  • a deviation of the actual position from the desired position can then be compensated.
  • the positioning device 4 itself must perform much lower positioning movements.
  • the rotational movement about the external axis 5 is less error-prone due to the substantially more positionally stable turntable 9.
  • the compensatory interventions of the compensation device can be reduced and thus a higher precision of the device 1 can be achieved overall.
  • the other processing points 6a and 6b can be processed one after the other in the same way.
  • the respective machining points 6a and 6b are successively moved by the rotation of the component 2 about the external axis 5 in the subspace 7 and processed accordingly by the machining tool 3.
  • Another advantage of restricting the movement of the machining tool 3 (for example, a milling cutter or a
  • Welding nozzle) on the subspace 7 is that an application of inert gas can be limited to the subspace 7.
  • one of the component contour adapted protective gas device is provided.
  • the protective gas device is further preferably designed to only the subspace 7 or even only a part of the subspace 7, which is currently in the processing zone is to supply with inert gas.
  • an edge region surrounding the subspace 7 is also supplied with protective gas by the protective gas device.
  • the protective gas is advantageously provided to enclose the component.
  • the edge region is preferably determined by a region which is preferably not more than 30 cm away from the subspace, more preferably not more than 10 cm and in particular preferably not more than 5 cm.
  • the size of the edge area or the shielded with shielding gas range depends on the component geometry, either the entire component or only the zone of processing with protective gas must be shielded.
  • the processing quality can be further enhanced by an intelligent definition of the subspace 7.
  • the aim is to choose the subspace 7 as small as possible, since this minimizes the inaccurate movements of the positioning device 4 and can be replaced by the more accurate movements around or along the external axis 5.
  • the subspace 7 is formed by a sectional surface 8 of the component 2. More preferably, it is in a rotationally symmetrical component 2 to the cut surface 8, which cuts the component 2 in the radial direction.
  • FIG. 3 shows a side view of a rotationally symmetrical combustion chamber component 2 of a gas turbine
  • FIG. 4 shows its schematic cross section.
  • the subspace 7 is formed directly by the border of the cross-sectional area of the component 2.
  • the subspace 7 are placed at a certain distance around the cross section. Preferably, this distance is not more than 5 cm, more preferably not more than 5 mm. The reason for this is also that the component can be deformed.
  • deformations of the component can be detected in an upstream measuring step (for example with the aid of the method from DE 10 2011 103003 A1), and the size of the required subspace can thereby be determined adaptively.

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Abstract

Eine Vorrichtung (1) zur Bearbeitung bzw. zur Reparatur von Schäden eines Bauteils (2), z.B. Blisk, Rotor oder Schaufel einer Turbine, mittels eines Manipulators oder Roboters (4) durch Fräsen, Bohren, Drehen oder Schweißen mittels eines Werkzeugs (3), wobei das Bauteil (2) bewegbar gelagert ist, z.B. auf einem Drehtisch (9). Der Arbeitsraum des Roboters (4) wird auf einen Unterraum (7) beschränkt, z.B. Schnittebene durch das Bauteil, und die hochgenaue Positionierung des Werkzeugs (3) relativ zur Bearbeitungsstelle (6) wird durch Bewegung des Bauteils (2) erreicht, z.B. Rotation des Drehtisches (9) auf dem das Bauteil gelagert ist. Die Positionen können mittels einer Messeinrichtung erfasst und Ungenauigkeiten kompensiert werden.

Description

VORRICHTUNG UND VERFAHREN ZUR BEARBEITUNG EINES
GASTURBINEN-BAUTEILS MITTELS EINES MANIPULATORS
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bearbeitung eines Bauteils mit den Merkmalen der Oberbegriffe der unabhängigen Ansprüche.
Flugzeugbauteile sind im Betrieb einer hohen Beanspruchung ausgesetzt. Neben Bauteilen aus Verbundwerkstoffen, wie beispielsweise Strukturbauteilen, oder metallischen Bauteilen, wie beispielsweise Fahrwerksbauteile , kann dies insbesondere bei den Bauteilen eines Flugzeugtriebwerks zu einer schadhaften Rissbildung führen. Ähnliche Schadensbilder sind auch bei anderen Gasturbinen, beispielsweise bei stationären Gasturbinen, vorhanden. Brennkammerbauteile sind bei Gasturbinen besonders stark von der Rissbildung betroffen.
Risse sind lokale Materialtrennungen innerhalb einer Struktur oder innerhalb eines Bauteils. Die Rissentstehung ist in der Regel ein lokales Ereignis in der Mikrostruktur der Oberfläche, das in der Regel durch Gitterfehler im Mikrogefüge oder durch zyklische Betriebsbelastungen verursacht wird. Risse breiten sich im Regelfall senkrecht zur wirkenden Normalspannung aus. Diese Ausbreitung wird als normalspannungsgesteuert bezeichnet .
Im Falle von Brennkammerbauteilen entstehen Risse durch hohe thermische und mechanische Belastung. Die Rissbildung wird zum einen durch die vorherrschenden hohen Temperaturen verursacht und zum anderen fördern die auf die Brennkammer übertragenen Schwingungen aus den vor- und nachgeschalteten Modulen, dem Hochdruckverdichter und der Hochdruckturbine das Risswachstum und die Rissbildung.
Zudem begünstigen kurzzeitige thermische Materialspannungen während des Startens der Gasturbine bzw. während der Startphase des Flugzeugs die Rissentstehung. In die Gasturbine eingesaugte feste Partikel, wie beispielsweise Sand und Staub, tragen ebenfalls stark zur Rissentstehung an Brennkammerkomponenten bei. Des Weiteren führen die dauerhaften thermischen Belastungen während der Betriebsphase der Gasturbine dazu, dass die geometrische Form der Brennkammerkomponenten eine Veränderung erfahren kann.
In der Instandhaltung von Flugzeug- und/oder Gasturbinen- Bauteilen, insbesondere in der BrennkammerInstandhaltung, besteht das Hauptproblem darin, die im Betrieb entstandenen Beschädigungen, insbesondere Risse, zu detektieren und die Bauteile durch geeignete Maßnahmen zu reparieren. Aufgrund der individuell unterschiedlichen Riss- bzw. Beschädigungsausprägung gestaltet sich dies oft schwierig.
Die etablierten Reparaturverfahren umfassen eine annähernd vollständig manuell durchgeführte Prozesskette, die durch eine lange und instabile Durchlaufzeit sowie eine geringe Reproduzierbarkeit der Reparaturergebnisse gekennzeichnet ist. Der manuelle Prozess zur Reparatur umfasst beispielsweise die Schritte Bauteilrichten, Fräsen zur Vorbereitung der Schweißstelle, Schweißen sowie Fräsen zum Nacharbeiten der Schweißstelle. Zusätzlich können weitere Bearbeitungsschritte vorgesehen sein, wie beispielsweise das Aufbringen einer Wärmeschutzschicht oder das Wärmebehandeln eines Bauteils. Die Sicherstellung einer gleichbleibend hohen Qualität bei diesem manuell durchgeführten Prozess ist aufwendig, insbesondere da sichergestellt und dokumentiert werden muss, dass den hohen luftfahrtrechtlichen Anforderungen entsprochen wird.
Problematisch sind beispielsweise die beim Richten der Bauteile auftretenden Ungenauigkeiten, die komplizierten und aufwendigen „Flicken" (engl. Patch) Reparaturen, bei denen ein beschädigter Bereich komplett ersetzt wird, was zusätzlich mit einem hohen Wärmeeintrag während einer Schweißreparatur verbunden ist. Der hohe Wärmeeintrag kann Heißrissbildung verursachen, und darüber hinaus ergibt sich ein hoher Nachbearbeitungsaufwand aufgrund von großem Schweißaufmaß. Des Weiteren führt ein hoher Wärmeeintrag zu Verzug, der nur durch aufwendige Spannvorrichtungen und zusätzlich nachgelagerte Rieht - Vorgänge reduziert bzw. korrigiert werden kann.
Aus der DE 10 2012 221 782 AI ist ein Verfahren zur automatisierten Reparatur eines Gasturbinenbauteils bekannt, wobei in einem ersten Verfahrensschritt eine Rissprüfung des Bauteils mittels optischer Messverfahren durchgeführt wird und die dadurch ermittelten Geometrie- und/oder Schadensdaten gespeichert werden. Basierend auf diesen Daten wird dann automatisiert eine optimale Reparaturstrategie sowohl für die spanende Bearbeitung als auch für die Durchführung einer Reparatur- schweißung ermittelt. Anschließend erfolgt eine Rissprüfung des Bauteils anhand eines optischen Messverfahrens.
Zum Zwecke einer möglichst genauen Positionierung eines Bearbeitungswerkzeugs, z.B. eines spanenden Werkzeugs oder eines Schweißwerkzeugs, ist es aus dem Stand der Technik bekannt, das Bearbeitungswerkzeug durch Roboter relativ zu einem Bauteil zu positionieren. Dabei handelt es sich typischerweise um einen sechsachsigen Roboter, durch den das Bearbeitungswerkzeug theoretisch jeden Punkt des zu bearbeitenden Bauteils erreichen kann.
Ferner ist es beispielsweise aus der EP 0 271 691 AI bekannt, neben den Achsen des Roboters zusätzliche externe Bewegungsachsen vorzusehen, durch die das zu bearbeitende Bauteil dann rotiert oder geneigt werden kann. Die zusätzlichen externen Achsen dienen dazu, den Arbeitsraum des Roboters zu vergrößern, so dass die zu bearbeitende Stelle des Bauteils so positioniert werden kann, dass sie vom Roboter erreicht werden kann. Ferner können dadurch Kollisionen des Roboters mit dem Bauteil sowie Robotersingularitäten vermieden werden.
Die EP 0 158 447 AI zeigt einen sechsachsigen Roboter, der ein Bearbeitungswerkzeug über ein Bauteil führt, das auf einem Drehteller positioniert ist. Hier wird durch eine Überlagerung der Bewegungsanteile des Roboters mit denen des Drehtellers eine Vereinfachung der Roboterbewegung erzielt.
Bei den zuvor genannten Lösungen zur Bearbeitung eines Bauteils mit einem Roboter in Kombination mit einer Bewegung des Bauteils um oder entlang einer zusätzlichen externen Achse ist es möglich, komplexe Bewegungsabläufe effizient zu realisieren. Die hohe Anzahl an Freiheitsgraden des Roboters kann aber einen Präzisionsverlust, beispielsweise verursacht durch Getriebespiel oder elastische Verformung von Roboterkomponenten, zur Folge haben, was insbesondere bei der Bearbeitung von Flugzeugbauteilen nicht akzeptabel ist .
Eine Möglichkeit zur Verbesserung der Genauigkeit von Industrierobotern bieten beispielsweise verschiedene Kalibrierverfahren, darunter das in der EP 0 504 590 AI beschriebene Ver- fahren. Solche Kalibierverfahren erfordern großes Know-How des Kalibrierenden sowie einen großen zeitlichen und messtechnischen Aufwand, so dass diese für eine automatisierte Bearbeitung mit geringen Durchlaufzeiten nicht effizient sind.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, Positionierungs- und Orientierungsfehler und damit die Präzision von automatischen Bearbeitungseinrichtungen mit einer mehrachsigen Positioniereinrichtung zu verbessern.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst .
Gemäß dem Grundgedanken der Erfindung wird eine Vorrichtung zur Bearbeitung eines Bauteils vorgeschlagen, die eine mehrachsige Positioniereinrichtung, ein Bearbeitungswerkzeug und eine Steuereinrichtung zur Steuerung der Positioniereinrichtung aufweist, wobei das Bearbeitungswerkzeug von der Positioniereinrichtung relativ zu dem Bauteil bewegbar ist, wobei das Bearbeitungswerkzeug durch die Positioniereinrichtung für jede Achse innerhalb eines entsprechenden Arbeitsbereichs bewegbar ist, wobei die Steuereinrichtung dazu eingerichtet ist, die Bewegung der Positioniereinrichtung entlang oder um wenigstens eine beschränkte Achse innerhalb des entsprechenden Arbeitsbereichs auf einen Unterbereich oder Unterraum zu beschränken, wobei die Beschränkung der Bewegung entlang oder um die beschränkte Achse durch eine zusätzliche Bewegungsmöglichkeit der Positioniereinrichtung und/oder des Bauteils um und/oder entlang einer externen Achse kompensiert werden kann.
Durch die Positioniereinrichtung sind beliebige Bewegungen des Bearbeitungswerkzeugs innerhalb eines Arbeitsraums möglich. Der Arbeitsraum wird festgelegt durch die Bewegungsmöglichkeit entlang oder um die jeweiligen Bewegungsachsen der Positioniereinrichtung innerhalb des entsprechenden Arbeitsbereichs der jeweiligen Achse. Anders gesagt handelt es sich bei dem Arbeitsraum um den Raum, der durch den Teil der Positioniereinrichtung, der das Bearbeitungswerkzeug aufnimmt, erreicht werden kann.
Vorzugsweise handelt es sich bei der Positioniereinrichtung u ein sechsachsiges System, so dass beliebige Bearbeitungsstellen des zu bearbeitenden Bauteils innerhalb des Arbeitsraums erreicht werden können. Grundsätzlich sind aber auch beliebig andere mehrachsige Positioniereinrichtungen mit Dreh- und/ode Linearachsen denkbar. Die Positioniereinrichtung ist vorteilhaft ein mehrachsiger Roboter, insbesondere ein sechsachsiger Industrieroboter mit Zusatzachse (n) .
Durch die Einschränkung der Bewegung der Positioniereinrichtung auf den (eindimensionalen) Unterbereich der jeweiligen Achse innerhalb des Arbeitsbereichs wird ein (ein- oder mehrdimensionaler) Unterraum aufgespannt, der kleiner als der Arbeitsraum ist. Durch die Steuereinrichtung wird eine künstliche Einschränkung der Bewegungsfreiheit der Positioniereinrichtung erreicht, was zur Folge hat, dass Bewegungen entlang und/oder um die beschränkte Achse überhaupt nicht oder nur eingeschränkt möglich sind. Durch diese Einschränkung wird es ermöglicht, Positionsunsicherheiten entlang oder um die beschränkte Achse zu minimieren.
Grundsätzlich ist es auch möglich, Roboter einzusetzen, deren Arbeitsraum im Wesentlichen den Unterraum bildet, d.h. dass beispielsweise durch die Einschränkung nur eines Freiheitsgra des die Positioniereinrichtung nur innerhalb des Unterraums bewegt werden kann. Dadurch ist der Einsatz von kompakteren Positioniereinrichtungen möglich, die in der Regel geringere Positionsfehler bewirken. Alternativ ist auch der Einsatz mehrerer Positioniereinrichtungen mit einem jeweiligen Bearbeitungswerkzeug möglich, so dass das Bauteil durch mehrere Bearbeitungswerkzeuge parallel bearbeitet werden kann, ohne dass diese in die gegenseitigen Unterräume eindringen und Kollisionen verursachen können.
Um trotz der Beschränkung des Arbeitsraums eine uneingeschränkte Positionierung des Bearbeitungswerkzeugs gegenüber dem zu bearbeitenden Bauteil zu ermöglichen, wird die durch die Steuereinrichtung künstliche Beschränkung auf den Unterraum durch eine Bewegungsmöglichkeit entlang oder um eine externe Achse kompensiert.
Unter einer externen Achse im Sinne dieser Anmeldung ist eine Achse zu verstehen, die nicht unmittelbar der Positioniereinrichtung zugeordnet ist. Vorzugsweise handelt es sich um eine Achse, die zu einer Achse der Positioniereinrichtung redundant ist, d.h. die eigentlich nicht erforderlich wäre, um eine bestimmte Bearbeitungsstelle des Bauteils zu erreichen, weil dies durch die Freiheitsgrade der Positioniereinrichtung selbst möglich wäre. Weiter vorzugsweise ist die externe Achse zu einer Achse der Positioniereinrichtung parallel ausgerichtet .
Vorzugsweise ist die externe Achse derart angeordnet, dass durch den zusätzlich entstehenden Freiheitsgrad das zu bearbeitende Bauteil rotatorisch und/oder translatorisch bewegt werden kann. Alternativ kann die externe Achse auch so angeordnet sein, dass durch den entstehenden Freiheitsgrad die Positioniereinrichtung selbst rotatorisch und/oder translatorisch bewegt werden kann. Weiter vorzugsweise sind auch belie- bige Kombinationen der externen Achsen zur Bewegung des Bauteils und der Positioniereinrichtung möglich.
Vorzugsweise ist auch eine hochpräzise Lagerungs- und Aktua- tionseinrichtung vorgesehen, die eine translatorische und/oder rotatorische Bewegung entlang und/oder um die externe Achse ermöglicht. Die Bewegung entlang und/oder um die externe Achse kann damit genauer, also mit einem geringeren Positionsfehler, durchgeführt werden als dies durch eine Bewegung der Positioniereinrichtung selbst möglich wäre. Es lässt sich damit eine präzisere und prozessstabilere Bearbeitung von Bauteilen erzielen. Ferner können Kollisionen mit dem Bauteil leichter vermieden werden.
Es wird weiter vorgeschlagen, dass die Steuerung der Bewegung um und/oder entlang der externen Achse durch die Steuereinrichtung erfolgt. Es wird damit sowohl die Einschränkung der Bewegung auf den Unterraum als auch die Kompensation dieser Einschränkung durch die Steuereinrichtung durchgeführt . Ferner wird durch die Steuerung der Kompensationsbewegung entlang und/oder um die externe Achse die Präzision im Vergleich zu einer manuellen Bewegung erhöht. In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung können teilweise die Funktionen der Steuereinrichtung auch manuell ausgeführt werden.
Vorzugsweise ist ein Unterraum durch eine Schnittfläche des Bauteils gebildet. Die Schnittfläche im Sinne dieser Anmeldung weist dabei vorzugsweise eine minimale Dicke auf, die jedoch im Vergleich zur Hauptfläche gering ist, d.h. die Dicke beträgt vorzugsweise höchstens 5% der maximalen Länge der Haupt- flache. Weiter vorzugsweise kann es sich bei der Schnittfläche auch um eine ideale Fläche handeln. Durch die Wahl der Schnittfläche als Unterraum, kann dieser möglichst klein gewählt werden, was die Identifikation und Kompensation der Ungenauigkeiten der Positioniereinrichtung vereinfacht. Etwaige Positionsfehler können effizienter ausgeglichen werden, da eine Messeinrichtung weniger Messpunkte erfassen muss.
Vorzugsweise beträgt der Unterbereich oder Unterraum höchstens 50% des entsprechenden Arbeitsbereichs, weiter vorzugsweise höchstens 10%, insbesondere vorzugsweise höchstens 5%.
Schließlich kann der Unterbereich oder Unterraum auch durch einen diskreten Wert innerhalb des Arbeitsbereichs gebildet sein. Hierdurch wird die Bewegung entlang und/oder um die beschränkte Achse vollständig eingeschränkt und dementsprechend auch vollständig durch die Bewegung um und/oder entlang der externen Achse kompensiert.
Die Positionsfehler der Positioniereinrichtung, die aus einer Bewegung um und/oder entlang der beschränkten Achse resultieren, können damit überwiegend oder vollständig eliminiert werden. Die Kompensation dieser Einschränkung durch die Bewegung entlang und/oder um die externe Achse kann zwar zu neuen Positionsfehlern führen, diese sind jedoch wesentlich geringer als die durch die Positioniereinrichtung hervorgerufenen Positionsfehler. Folglich kann insgesamt die Präzision der Bearbeitungsvorrichtung erhöht werden.
Es wird weiter vorgeschlagen, dass die beschränkte Bewegung eine Rotationsbewegung um die beschränkte Achse ist. Es können dadurch insbesondere rotationssymmetrische bzw. annähernd rotationssymmetrische Bauteile, wie z.B. das äußere oder innere Flammrohr einer Brennkammer einer Gasturbine, effizient bear- beitet werden. Die beschränkte Achse fällt dann vorzugsweise mit der Symmetrieachse des Bauteils zusammen bzw. ist parallel zu der Symmetrieachse ausgerichtet. Durch eine entsprechende Rotationsbewegung um die externe Achse kann das Bauteil demnach so weit rotiert werden, bis sich die Bearbeitungsstelle in dem Unterraum befindet. Innerhalb des Unterraums kann dann eine entsprechende Bearbeitung des Bauteils durch das Bearbeitungswerkzeug erfolgen.
Es ist dabei vorteilhaft, wenn die beschränkte Achse eine vertikale Achse ist. Dementsprechend ist auch die externe Achse vertikal ausgerichtet, so dass das Bauteil dann beispielsweise auf einem Drehtisch positioniert werden kann.
Vorzugsweise sind auf einem Datenträger bauteilspezifische Unterräume gespeichert . Die Unterräume können vorzugsweise durch die Steuereinrichtung aufgerufen werden, so dass auf effiziente Art und Weise ein geeigneter Unterraum für die Bearbeitung zur Verfügung steht. Alternativ besteht auch die Möglichkeit, den Unterraum durch Vermessung des zu bearbeitenden Bauteils zu bestimmen. Dies kann beispielsweise durch optische Messverfahren, insbesondere durch Lasermessverfahren, erreicht werden .
In einer bevorzugten Ausführungsform ist eine Messeinrichtung vorgesehen, die dazu eingerichtet ist, die Position des Bearbeitungswerkzeugs innerhalb des Unterraums zu erfassen. Vorzugsweise handelt es sich bei der Messeinrichtung um ein optisches Messsystem, das die Ist-Position der Positioniereinrichtung und/oder des Bearbeitungswerkzeugs bestimmen kann. Über die Steuereinrichtung kann dann eine etwaige Abweichung der Ist-Position von einer Soll-Position, also der Positionsfehler, ermittelt und quantifiziert werden. Durch die Beschrän- kung der Messung auf den Unterraum müssen weniger Messpunkte erfasst werden, so dass eine schnellere Messung möglich ist.
Der Unterraum der Positioniereinrichtung wird vorteilhaft ein malig bei der Inbetriebnahme eingemessen. Anschließend muss nur bei Veränderung der Relativpositionen zueinander (z.B. wenn ein etwaiger Drehtisch umpositioniert wird) eine neue Messung stattfinden. Zur Durchführung dieser einmalig erforderlichen Einmessprozedur kann ein hochauflösendes optisches Messgerät, wie beispielsweise ein Lasertracker, genutzt werden. Vorteilhaft ist, dass diese Einmessprozedur nur einmalig erforderlich ist und somit eine aufwendige permanente Überwachung einer etwaigen Abweichung von Ist- und Soll-Position bzw. Online-Regelung des Bearbeitungswerkzeuges entfallen kann .
Vorzugsweise ist die Messeinrichtung dazu eingerichtet, den Bauteilzustand zu ermitteln, d.h. Beschädigungen zu identifizieren. Vorteilhafterweise kann die Führung des Inspektionswerkzeugs dann auf den Unterbereich oder Unterraum beschränkt werden, so dass die optische Messtechnik zur Erfassung bzw. Inspektion des Bauteilzustandes in einer vorbestimmten Positi on verweilen kann. Es kann so auf ein Ausschwingen der vorzugsweise an der Positioniereinrichtung befestigten Messtechnik verzichtet werden, so dass eine schnellere Erfassung etwa iger Schäden möglich ist.
Es ist vorteilhaft, wenn eine Kompensationseinrichtung zum Ausgleich von Positionsfehlern der Positioniereinrichtung vor gesehen ist, wobei die Kompensationseinrichtung dazu eingerichtet ist, die anzufahrenden Roboterposen anhand der eingemessenen Messwerte zu verarbeiten. Die Kompensationseinrichtung muss durch die Verwendung eines Unterraums nur eine Korn- pensation von Positionsfehlern innerhalb des Unterraums leisten, so dass sowohl die Identifikation als auch die Kompensation von Positionsfehlern schneller erfolgt. Die effizientere Kompensation von Positionsfehlern wird ferner auch dadurch er reicht, dass der Positioniereinrichtung innerhalb des Unterraums auch weniger Anfahrpunkte zur Verfügung stehen.
Weiter ist es vorteilhaft, wenn eine Schutzgasvorrichtung vor gesehen ist, wobei die Schutzgasvorrichtung derart eingerichtet ist, dass die Schutzwirkung auf den Unterraum beschränkt ist. Vorzugsweise handelt es sich um eine der Bauteilkontur angepasste Schutzgasvorrichtung. Durch die Beschränkung der Schutzgaszufuhr auf den Unterraum wird eine Ersparnis von Schutzgas erreicht, so dass die Fertigungskosten gesenkt werden können. Schließlich wird auch die Umweltbelastung verringert und die Arbeitssicherheit erhöht. Dennoch können durch die Beschränkung der Schutzgaswirkung auf den Unterraum beispielsweise auch komplexere Schweißnahtgeometrien erreicht werden. Vorzugsweise handelt es sich bei der Schutzgasvorrich tung um eine stationäre Schutzgasvorrichtung.
Erfindungsgemäß wird auch ein Verfahren zur Reparatur eines Bauteils vorgeschlagen, wobei die Reparatur unter Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung durchgeführt wird.
Vorzugsweise wird bei der Durchführung des Verfahrens eine Be arbeitungsstelle des Bauteils durch eine Bewegung entlang und/oder um eine externe Achse in einen vordefinierten Unterraum innerhalb des Arbeitsraums bewegt, wobei anschließend ei ne Bearbeitung der Bearbeitungsstelle durch ein Bearbeitungswerkzeug, das innerhalb des Unterraums bewegt wird, erfolgt. Dadurch kann eine Bewegung entlang bzw. um die beschränkte Achse vollständig unterbleiben und durch die Bewegung entlang bzw. um die externe Achse kompensiert werden.
Vorzugsweise wird der Unterraum durch eine Schnittfläche des Bauteils gebildet und das Bearbeitungswerkzeug während der Bearbeitung ausschließlich in der Ebene der Schnittfläche bewegt . Das Bearbeitungswerkzeug muss damit im Wesentlichen nur eine zweidimensionale Bewegung durchführen, wodurch die Positionsfehler reduziert werden können.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren erläutert. Dabei zeigt:
Fig. 1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bearbeitung ei nes Bauteils;
Fig. 2 eine Detailansicht eines Bearbeitungswerkzeugs, das in einem Unterraum positioniert ist;
Fig. 3 eine Seitenansicht eines zu bearbeitenden Bauteils,- und
Fig. 4 ein Beispiel für einen bauteilspezifischen Unterraum
Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1 zur Bearbeitung eines Bauteils 2, umfassend ein Bearbeitungswerkzeug 3, eine Positioniereinrichtung 4 und einen Drehtisch 9. Ferner ist schematisch ein Unterraum 7 in Form einer Rechteckfläche dargestellt .
Bei dem zu bearbeitenden Bauteil 2 handelt es sich in diesem Ausführungsbeispiel um ein annähernd rotationssymmetrisches Brennkammerbauteil einer Gasturbine. Daneben ist aber durch die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 auch eine Bearbeitung beliebig anderer Bauteile 2 möglich.
Das Bearbeitungswerkzeug 3 ist vorzugsweise ein spanendes, fü gendes oder materialauftragendes Werkzeug, beispielsweise ein Fräser, eine Bohreinrichtung, ein Drehmeißel, eine Trennschei be, eine Schweißeinrichtung, eine Laser-Bohr- und/oder Schnei deinrichtung ggf. mit Strahlenfang. Weiter vorzugsweise ist eine Aufnahme 11 vorgesehen, die das Bearbeitungswerkzeug 3 mit der Positioniereinrichtung 4 verbindet. Vorzugsweise ist die Aufnahme 11 dazu eingerichtet, das Bearbeitungswerkzeug 3 händisch oder automatisch zu wechseln. Vorzugsweise ist neben dem Bearbeitungswerkzeug 3 an der Aufnahme 11 der Positionier einrichtung 4 auch eine Messeinrichtung vorgesehen.
Bei der mehrachsigen Positioniereinrichtung 4 handelt es sich vorzugsweise um eine sechsachsige Positioniereinrichtung 4, s dass es möglich ist, das Bearbeitungswerkzeug 3 beliebig rela tiv zu dem Bauteil 2 zu bewegen. Der Arbeitsraum wird damit durch die Bewegungsachsen der Positioniereinrichtung 4 sowie deren jeweiligen Arbeitsbereich aufgespannt. Der Arbeitsbereich gibt achsenspezifisch an, welche translatorischen oder rotatorischen Bewegungen entlang oder um eine entsprechende Achse möglich sind.
Weiter ist das zu bearbeitende Bauteil 2 auf dem Drehtisch 9 positioniert, dessen Rotationsachse eine externe Achse 5 bildet. Die externe Achse 5 ist vorzugsweise vertikal ausgerichtet und parallel zu einer beschränkten Achse 10 der Positioniereinrichtung 4. In einer alternativen Ausführungsform kann die beschränkte Achse 10 vorzugsweise auch mit der externen Achse 5 zusammenfallen. Die externe Achse 5 im Sinne dieser Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der durch sie entstehende zusätzliche Frei- heitsgrad nicht erforderlich wäre, um eine entsprechende Bearbeitungsstelle 6 des Bauteils 2 zu erreichen. Das ist auch bei diesem Ausführungsbeispiel der Fall, denn wie Fig. 1 zu entnehmen ist, kann die Bearbeitungsstelle 6 nicht nur durch eine Rotation des Bauteils 2 mit Hilfe des Drehtisches 9 um die externe Achse 5 erfolgen, sondern auch durch die Rotation des Bearbeitungswerkzeuges 3 um die beschränkte Achse 10 der Positioniereinrichtung 4. Allgemein dreht die externe Achse 5 den jeweiligen Bearbeitungspunkt in den Unterraum bzw. um die Schnittebene des Bauteils und der Roboter 4 fährt die Bearbeitungspunkte auf einer hier vertikalen Linie ab. Somit erfolgt jegliche rotatorische Bewegung aus der externen Achse 5 und nur die vertikale Bewegung wird durch den Roboter 4 ausgeführt .
Ferner ist eine in Fig. 1 nur schematisch dargestellte elektronische Steuereinrichtung 14, beispielsweise ein Computer, vorgesehen, die dazu eingerichtet ist, die Bewegungsfreiheit der Positioniereinrichtung 4 und somit des Bearbeitungswerkzeugs 3, nämlich den sogenannten Tool Center Point (TCP), auf einen Unterraum zu beschränken. Dieser Unterraum ist Teil des gesamten Arbeitsbereichs des Roboters 4.
In Fig. 1 ist der Unterraum auf eine Ebene reduziert dargestellt. Um die genannten Vorteile des Verfahrens (Korrekturwerte für Genauigkeitssteigerung, stationäre Schutzgaszufuhr etc.) so effizient wie möglich zu realisieren, ist es sinnvoll, den Unterraum so gering wie möglich zu wählen. Nicht nur die Dimensionen Höhe, Breite und Länge des Unterraums, sondern auch die möglichen Orientierungsvariationen (Drehung des TCPs um die drei Achsen des xyz-Koordinatensystems) können dabei begrenzt werden. Demnach ist die Bewegungsfreiheit entlang o- der um wenigstens eine beschränkte Achse 10, jedoch vorteilhaft entlang oder um eine Mehrzahl von beschränkten Achsen innerhalb des entsprechenden Arbeitsbereichs auf einen Unterbereich beschränkt. In Fig. 1 rotiert der Drehtisch 9 das Bauteil 2 um die Drehachse 5 in den Unterraum 7, der auf eine 2D- Ebene begrenzt wurde, d.h. eine Längendimension wurde eliminiert. Die Positioniereinrichtung 4 muss dementsprechend nur Positionen innerhalb des Unterraums 7 anfahren. Da das Werkzeug 3 ausschließlich senkrecht zur Bauteiloberfläche arbeiten muss, können über eine Längendimension hinaus auch zwei Orientierungsvariablen eliminiert werden, da das Werkzeug nur innerhalb des Unterraums rotiert werden muss. Die weiteren Freiheitsgrade der Positioniereinrichtung 4 bleiben jedoch erhalten, so dass das Bearbeitungswerkzeug 3 innerhalb eines Unterraums 7 translatorisch und rotatorisch bewegt werden kann.
In einer anderen möglichen Betrachtungsweise ist der Arbeitsbereich bezüglich der Rotationsmöglichkeit der Positioniereinrichtung 4 um die Achse 10 auf 360° definiert. Durch die Festlegung eines Unterbereichs innerhalb des Arbeitsbereichs kann die Rotation um die Achse 10 vollständig verhindert werden, d.h. der Unterbereich wird bezüglich der Rotationsmöglichkeit um die Achse 10 auf einen diskreten Wert festgelegt. Mindestens ein Freiheitsgrad der Positioniereinrichtung 4 wird damit durch die Steuereinrichtung 14 beschränkt.
Die beschränkte Bewegungsmöglichkeit der Positioniereinrichtung 4 wird durch den zusätzlichen Freiheitsgrad, der durch die Rotation des Drehtisches 9 um die externe Achse 5 entsteht, kompensiert. Alternativ oder zusätzlich kann eine Kompensation einer durch die Steuereinrichtung 14 herbeigeführten Beschränkung der Bewegungsmöglichkeit der Positioniereinrichtung 4 auch durch eine translatorische Bewegung entlang einer externen Achse 5 kompensiert werden.
Für den Fall, dass eine Bewegung, beispielsweise eine Rotationsbewegung, um die beschränkte Achse 10 nicht vollständig eingeschränkt wird, sondern durch die Steuereinrichtung 14 auf einen vordefinierten Winkelbereich beschränkt wird, muss die beschränkte Bewegung durch eine entsprechende Bewegungsmöglichkeit um die externe Achse 5 kompensiert werden. Wäre beispielsweise die Rotationsbewegung der Positioniereinrichtung 4 um die beschränkte Achse 10 auf einen Winkel von höchstens 25° beschränkt, dann müsste eine Rotation um eine mit der beschränkten Achse 10 zusammenfallenden externen Achse 5 um wenigstens 335° möglich sein, um den gesamten möglichen Bearbeitungsbereich von 360° zu erfassen.
Vorzugsweise wird die Bewegung um oder entlang der externen Achse 5 durch eine entsprechende Lagerung des zu bearbeitenden Bauteils 2 umgesetzt, beispielsweise durch den Einsatz des Drehtisches 9. In einer alternativen Ausführungsform kann aber auch die gesamte Positioniereinrichtung 4 so gelagert sein, dass eine Bewegung entlang oder um die externe Achse 5 möglich ist .
In dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist das zu bearbeitende Bauteil 2 über mehrere Auflageelemente 12 sicher auf dem Drehtisch 9 positioniert. Ferner ist vorzugsweise eine Aktuationseinrichtung vorgesehen, die dazu eingerichtet ist, den Drehtisch 9 vordefiniert um die externe Achse 5 zu rotieren. Vorzugsweise wird die Aktuationseinrichtung von der Steuereinrichtung 14 angesteuert, so dass gezielt die Einschrän- kung der Bewegungsmöglichkeit der Positioniereinrichtung 4 kompensiert werden kann.
In Fig. 2 sind mehrere Bearbeitungsstellen 6a und 6b, hier Risse, des Bauteils 2 gezeigt, die durch das spanende Bearbeitungswerkzeug 3, hier eine Fräseinrichtung, bearbeitet werden sollen. Durch die Rotation des Drehtisches 9 und damit des Bauteils 2 um die externe Achse 5 wurde zunächst die Bearbeitungsstelle 6b in den Unterraum 7 bewegt, der in diesem Fall durch eine rechteckige Fläche gebildet ist. Nach der Bearbeitung der Bearbeitungsstelle 6b wird durch Rotation des Drehtisches 9 die Bearbeitungsstelle 6a in den Unterraum bewegt. Alternativ kann der Unterraum 7 auch durch beliebig andere Raumgeometrien gebildet sein. Vorzugsweise ist das Bearbeitungswerkzeug 3 auch parallel zu dem flächigen Unterraum 7 ausgerichtet. Weiter vorzugsweise liegt eine etwaige Rotationsachse bzw. ein Bearbeitungsmittelpunkt des Bearbeitungswerkzeugs 3 in der Ebene des flächigen Unterraums 7.
Die Steuereinrichtung 14 ist vorzugsweise dazu eingerichtet, einen geeigneten Unterraum 7, beispielsweise aus einem Datenspeicher, automatisch auszuwählen. Dies beinhaltet nicht nur die Geometrie des Unterraums 7, sondern auch dessen Anordnung gegenüber dem Bauteil 2.
Der Unterraum 7 kann beliebig positioniert und orientiert werden, unter der Voraussetzung, dass er Teilraum des Arbeitsraums der Positioniereinrichtung 4 ist. Dabei ist vorzugsweise zu beachten, dass Kollisionen und Singularitäten vermieden werden sowie die Bearbeitung an den Achs- und Arbeitsraumgrenzen vermieden werden. In diesem Ausführungsbeispiel ist der flächige Unterraum 7 vorzugsweise senkrecht angeordnet, wobei der Unterraum 7 vorzugsweise auch senkrecht zu einer zentri- sehen Achse 13 der Bearbeitungsstelle 6 ausgerichtet ist.
Dadurch, dass das Bauteil 2 über die Auflageelemente 12 horizontal ausgerichtet und vorzugsweise in dieser Position auch eingespannt werden kann, ist es möglich, die Bearbeitungsstelle 6 bzw. deren zentrische Achse 13 allein durch eine Rotation des Drehtisches 9 um die externe Achse 5 in den Unterraum 7 zu bewegen. Auch wenn der Unterraum nicht senkrecht orientiert ist, kann der Drehtisch 9 den Bearbeitungspunkt in den Unterraum drehen. Des Weiteren ist es nicht erheblich, dass die Achse 5 des Drehtisches parallel zu einer Roboterachse ist o- der damit zusammenfällt. Dieses Merkmal aus Fig. 1 ist keine Voraussetzung für die Realisierung des Verfahrens.
Durch eine Messeinrichtung kann die Position der Bearbeitungs - stelle 6 gegenüber dem Unterraum 7 überwacht und geregelt werden, so dass auch während des Bearbeitungsvorgangs, beispielsweise durch Bearbeitungskräfte, sichergestellt ist, dass sich die Bearbeitungsstelle 6 nicht aus dem Unterraum 7 herausbewegt. Damit kann eine hohe Prozessqualität und -Stabilität erreicht werden.
Wegen der Möglichkeit der Bewegung der Bearbeitungsstelle 6 in den Unterraum 7 mittels Rotation um die externe Achse 5 kann durch die Steuereinrichtung 14 die Rotation um die beschränkte Achse 10 vorzugsweise vollständig blockiert werden. Das Bearbeitungswerkzeug 3 muss dann für eine Verbringung in die Bearbeitungsposition nur noch innerhalb des Unterraums 7 bewegt werden, so dass im Vergleich zu einer Bewegung des Bearbeitungswerkzeugs 3 im gesamten Arbeitsraum, durch die Positioniereinrichtung 4 eine wesentlich einfachere und kürzere Bewegung vollzogen werden muss; dadurch werden die Positionsfehler reduziert. Auch die Bewegung des Bearbeitungswerkzeugs 3 während des eigentlichen Bearbeitungsvorgangs findet vorzugsweise ausschließlich innerhalb des Unterraums 7 statt, so dass damit auch die Bearbeitungsqualität verbessert werden kann.
Ferner ist eine Kompensationseinrichtung vorgesehen, die mit einer Messeinrichtung verbunden ist. Die Messeinrichtung ist dazu eingerichtet, die Ist-Position des Bearbeitungswerkzeugs 3 gegenüber dem Bauteil 2 zu detektieren. Durch die Kompensationseinrichtung kann dann eine Abweichung der Ist-Position von der Soll -Position ausgeglichen werden. Durch die Bewegung der Bearbeitungsstelle 6 in den Unterraum 7 durch eine Rotation um die externe Achse 5 muss die Positioniereinrichtung 4 selbst wesentlich geringere Positionierbewegungen vollziehen. Ferner ist die Rotationsbewegung um die externe Achse 5 durch den wesentlich positionsstabileren Drehtisch 9 weniger fehleranfällig. Die ausgleichenden Eingriffe der Kompensationseinrichtung können so reduziert werden und damit eine höhere Präzision der Vorrichtung 1 insgesamt erreicht werden.
Nach der Bearbeitung der Bearbeitungsstelle 6 können nacheinander in gleicher Weise die weiteren Bearbeitungsstellen 6a und 6b bearbeitet werden. Hierzu werden die jeweiligen Bearbeitungsstellen 6a und 6b nacheinander durch die Rotation des Bauteils 2 um die externe Achse 5 in den Unterraum 7 bewegt und entsprechend durch das Bearbeitungswerkzeug 3 bearbeitet.
Ein weiterer Vorteil einer Beschränkung der Bewegung des Bearbeitungswerkzeugs 3 (beispielsweise ein Fräser oder eine
Schweißdüse) auf den Unterraum 7 besteht darin, dass ein Einsatz von Schutzgas auf den Unterraum 7 beschränkt werden kann. Vorzugsweise ist deshalb eine der Bauteilkontur angepasste Schutzgasvorrichtung vorgesehen. Die Schutzgasvorrichtung ist weiter vorzugsweise dazu eingerichtet, nur den Unterraum 7 o- der sogar nur einen Teil des Unterraums 7, der sich gerade in der Bearbeitungszone befindet, mit Schutzgas zu versorgen. In einer alternativen Ausführungsform kann es jedoch aus konstruktiven Gründen zweckmäßig sein, dass auch ein den Unterraum 7 umgebender Randbereich durch die Schutzgasvorrichtung mit Schutzgas versorgt wird. Das Schutzgas ist vorteilhaft vorgesehen, um das Bauteil zu umschließen. Der Randbereich ist dabei vorzugsweise durch einen Bereich bestimmt, der vorzugsweise nicht mehr als 30 cm von dem Unterraum entfernt ist, weiter vorzugsweise nicht mehr als 10 cm und insbesondere vorzugsweise nicht mehr als 5 cm. Die Größe des Randbereiches bzw. der mit Schutzgas abgeschirmte Bereich ist abhängig von der Bauteilgeometrie, entweder muss das gesamte Bauteil oder nur die Zone der Bearbeitung mit Schutzgas abgeschirmt werden. Durch die erfindungsgemäße Schutzgasvorrichtung, deren Wirkung auf den Unterraum 7 oder auf den Unterraum 7 mit Randbereich beschränkt ist, kann Schutzgas eingespart werden und damit der Bearbeitungsprozess effizienter gestaltet werden. Gleiches gilt für einen etwaigen Strahlenfang, der lokal auf den Unterraum und Randbereich beschränkt ist, um Beschädigungen der Bauteilrückseite durch Laserstrahlung zu vermeiden. Ferner kann durch den räumlich abgegrenzten Einsatz von Schutzgas die Arbeitssicherheit erhöht werden.
Schließlich kann die Bearbeitungsqualität durch eine intelligente Definition des Unterraums 7 weiter gesteigert werden. Grundsätzlich wird angestrebt, den Unterraum 7 so klein wie möglich zu wählen, da so die ungenaueren Bewegungen der Positioniereinrichtung 4 minimiert werden und durch die genaueren Bewegungen um bzw. entlang der externen Achse 5 ersetzt werden können. Vorzugsweise wird daher der Unterraum 7 durch eine Schnittfläche 8 des Bauteils 2 gebildet. Weiter vorzugsweise handelt es sich bei einem rotationssymmetrischen Bauteil 2 um die Schnittfläche 8, die das Bauteil 2 in Radialrichtung schneidet .
Fig. 3 zeigt eine Seitenansicht eines rotationssymmetrischen Brennkammerbauteils 2 einer Gasturbine sowie Fig. 4 deren schematischen Querschnitt. Vorzugsweise wird der Unterraum 7 unmittelbar durch die Umrandung der Querschnittsfläche des Bauteils 2 gebildet. Weiter vorzugsweise kann aber auch, wie in Fig. 4 dargestellt, der Unterraum 7 in einem gewissen Abstand um den Querschnitt gelegt werden. Vorzugsweise beträgt dieser Abstand nicht mehr als 5 cm, weiter vorzugsweise nicht mehr als 5 mm. Grund dafür ist auch, dass das Bauteil verformt sein kann. Ferner können in einem vorgelagerten Messschritt (z.B. mit Hilfe des Verfahrens aus DE 10 2011 103003 AI) Verformungen des Bauteils erfasst und dadurch die Größe des erforderlichen Unterraums adaptiv bestimmt werden. Durch diesen Abstand zur eigentlichen Schnittfläche 8 des Bauteils 2 wird sichergestellt, dass sich das Bearbeitungswerkzeug 3 bei einer Bewegung um und/oder entlang der externen Achse 5 in einem sicheren Abstand zu dem Bauteil 2 befindet und es nicht zu Beschädigungen kommen kann. Dennoch kann damit ein entsprechend kleiner Unterraum 7 definiert werden, so dass eine hohe Präzision bei der Bearbeitung erreicht werden kann.

Claims

Ansprüche :
1. Vorrichtung (1) zur Bearbeitung eines Bauteils (2), die eine mehrachsige Positioniereinrichtung (4) , ein Bearbei tungswerkzeug (3) und eine Steuereinrichtung (14) zur Steuerung der Positioniereinrichtung (4) aufweist, wobei
- das Bearbeitungswerkzeug (3) von der Positioniereinrichtung (4) relativ zu dem Bauteil (2) bewegbar ist, wo bei
- das Bearbeitungswerkzeug (3) durch die Positioniereinrichtung (4) für jede Achse innerhalb eines entsprechenden Arbeitsbereichs bewegbar ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
- die Steuereinrichtung (14) dazu eingerichtet ist, die Bewegung der Positioniereinrichtung (4) entlang oder um wenigstens eine beschränkte Achse (10) innerhalb des ent sprechenden Arbeitsbereichs auf einen Unterbereich oder Unterraum zu beschränken, wobei
- die Beschränkung der Bewegung entlang oder um die beschränkte Achse (10) durch eine zusätzliche Bewegungsmög lichkeit der Positioniereinrichtung (4) und/oder des Bau teils (2) um und/oder entlang einer externen Achse (5) kompensiert werden kann.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, das;
- die Steuerung der Bewegung um und/oder entlang der externen Achse (5) durch die Steuereinrichtung (14) erfolgt .
3. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass
- ein Unterraum (7) durch eine Schnittfläche (8) des Ba teils (2) gebildet ist.
Vorrichtung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
- der Unterbereich oder Unterraum höchstens 50% des entsprechenden Arbeitsbereichs beträgt.
Vorrichtung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
- der Unterbereich oder Unterraum durch einen diskreten Wert innerhalb des Arbeitsbereichs gebildet ist.
Vorrichtung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
- die beschränkte Bewegung mindestens eine beschränkte Rotationsbewegung um mindestens eine beschränkte Achse (10) umfasst.
Vorrichtung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
- die beschränkte Achse (10) mindestens eine vertikale Achse umfasst .
Vorrichtung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
- auf einem Datenträger bauteilspezifische Unterräume (7) gespeichert sind.
Vorrichtung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
- eine Schutzgasvorrichtung vorgesehen ist, wobei
- die Schutzgasvorrichtung derart eingerichtet ist, dass die Schutzwirkung auf den Unterraum (7) beschränkt ist.
10. Verfahren zur Reparatur eines Bauteils (2) , dadurch gekennzeichnet, dass
- die Reparatur unter Verwendung der Vorrichtung (1) nach den Ansprüchen 1 bis 9 durchgeführt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass
- eine Bearbeitungsstelle (6) des Bauteils (2) durch eine Bewegung entlang einer und/oder um eine externe Achse (5) in einen vordefinierten Unterraum (7) innerhalb des Arbeitsraums bewegt wird und anschließend
- eine Bearbeitung der Bearbeitungsstelle (6) durch ein Bearbeitungswerkzeug (3), das innerhalb des Unterraums (7) bewegt wird, erfolgt.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass
- der Unterraum (7) durch eine Schnittfläche (8) des Bauteils (2) gebildet wird und
- das Bearbeitungswerkzeug (3) während der Bearbeitung ausschließlich in der Ebene der Schnittfläche (8) bewegt wird .
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