WO2020109482A1 - Method and device for customized production of replacement structure parts - Google Patents

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WO2020109482A1
WO2020109482A1 PCT/EP2019/082937 EP2019082937W WO2020109482A1 WO 2020109482 A1 WO2020109482 A1 WO 2020109482A1 EP 2019082937 W EP2019082937 W EP 2019082937W WO 2020109482 A1 WO2020109482 A1 WO 2020109482A1
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WO
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bores
structure part
blank
exchange
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PCT/EP2019/082937
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Tobias Kötter
Thorsten SCHÜPPSTUHL
Christian Schlosser
Felix JAHN
Christian Sowa
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Lufthansa Technik Ag
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    • F05D2230/00Manufacture
    • F05D2230/80Repairing, retrofitting or upgrading methods

Definitions

  • the invention relates to a method and an apparatus for the precise manufacture of replacement structural parts from a blank for the replacement of damaged, with a variety of holes for attachment to a receiving structure provided with structural components.
  • an exchange structural part In the mechanical repair of structures, the parts of which are connected to each other with a large number of screws and / or rivets, an exchange structural part must be adapted precisely to the other existing structural components, both in terms of its external shape and with regard to the fastening holes.
  • a replacement structural part Due to manufacturing tolerances, but also due to deformations in the structure during operation, it is not always possible to completely prefabricate a replacement structural part in such a way that it can be inserted directly into the repairable structure. In such cases, a blank is used which has the basic shape of the structural part in question, but has an oversize and is regularly manufactured without fastening holes.
  • the blank must then be manually based on the structure to be repaired and if necessary with the help of templates or the like. can be reworked so that it can be inserted as an exchange structure part in the structure.
  • a corresponding exchange structure part is the inlet cowl lip skin segment of an aircraft engine, that is to say a segment of the annular and aerodynamically shaped cover at the inlet of the jet engine of an aircraft, in particular a commercial aircraft.
  • Corresponding lip skins or their segments are multi-curved components and Secured to the Inlet Cowl structure with hundreds of circumferential riveted joints.
  • a blank is used that is supplied both without holes for the fastening elements - usually rivets - and with an oversized contour.
  • the relevant geometric elements - holes and delimiting edges - have to be transferred, introduced or adapted into the blank using the receiving inlet cowl structure and the other lip skin segments.
  • this is done by hand using a caliper and a special hole transfer template.
  • the outside contour of the required replacement structure is partially drawn with the help of a vernier caliper that is temporarily attached to an auxiliary element (e.g. an adhesive strip) attached to the Inlet Cowl structure.
  • the blank is then cut accordingly.
  • a mark is first made on the adjacent area of the Inlet Cowl structure using a pen and stencil. On the basis of this marking, the bore positions can then be transferred back to this spare part after placing the cut but still undrilled spare part.
  • the required holes can be drilled immediately or initially only marked to be drilled at a later date.
  • the object of the present invention is to provide a method and an apparatus in which the disadvantages known from the prior art no longer occur or only to a reduced extent.
  • the invention relates to a method for the precise manufacture of replacement structural parts from a blank for replacing damaged structural parts provided with a plurality of holes for attachment to a receiving structure, with the steps: a) 3D scanning of the receiving area for an exchange structural part the receiving structure comprising the abutting edges for the exchange structure part and the bores for fastening the exchange structure part; b) extracting model data of the abutting edges and / or
  • the invention relates to a device for custom-made manufacture of replacement structural parts from a Roh ling to replace damaged, with a plurality of holes for attachment to a receiving structure provided structural components comprising
  • a 3D scanner for scanning the receiving area for an exchange structure part on the receiving structure comprising the abutting edges for the exchange structure part and the bores for fastening the exchange structure part;
  • the invention accordingly creates a method in which an exchange structure part can be produced automatically and precisely on the basis of a suitable blank. Due to the automation achieved in accordance with the invention, it is possible to produce at low cost with consistent quality over a number of replacement structural parts.
  • the invention has recognized that for a tailor-made manufacture of an exchange structural part regularly not on construction drawings or the like. can be used, since both the outer contour of the component to be replaced, but in particular the bores for fastening the component are subject to considerable manufacturing tolerances and the ultimately receiving structure can deform over time. Rather, the structure for which the exchange structure part is produced is used directly, so that all deviations from the original construction of the structure can be taken into account when producing the exchange structure part.
  • the present invention deliberately relies on the automated machining of blanks in the production of replacement structural parts. This is because the invention has recognized that the structural parts, which are fastened to adjacent structural parts with a large number of rivets or screws, are regularly exposed to such a high mechanical and / or thermal load that constructive manufacturing processes Ren, such as 3D printing, are not (currently) suitable for corresponding exchange structure parts. By using blanks, mechanically and thermally sufficiently durable replacement structural parts can be produced.
  • the receiving area for the exchange structure part to be produced is first recorded on the receiving structure, including the abutting edges for the exchange structure, and the bores for fastening the exchange structure in part as a 3D scan.
  • the 3D scanning is preferably done in a contactless manner and can be carried out, for example, with a robotic optical measuring system.
  • the result of the 3D scanning is a point cloud, which partly reflects the surface of the scanned structure - in particular comprising the connection area for the exchange structure to be produced. Since the point cloud cannot be used directly for the subsequent steps, the abutting edges and / or the bores of the receiving structure are determined from the point cloud after the point cloud has been obtained. So model data are extracted from the point cloud, which reflect the abutting edges and / or bores.
  • the model data are logically and / or mathematically describable 3D lines of any shape (straight lines, circles, arcs, ellipses, splines, etc.), as they are known from the area of 3D CAD, for example.
  • the extracted model data can be visualized as a wireframe model.
  • a preferred variant for extracting model data from point clouds comprises the steps: - Identification of points of the point cloud as edge points by calculating an edge point probability, preferably on the basis of the angle criterion, half disc criterion and / or shape criterion;
  • the angle criterion, half disc criterion and / or shape criterion can be used, as described in detail in G. H. Bendels et.al. "Detecting Holes in Point Set Surfaces” (Journal of WSCG 14, 2006, pp. 89-96) and S. Gumhold et al. "Feature extraction from point clouds” (Proceedings of 10th international meshing roundtable, 2001) are discussed.
  • the edge points are then grouped together in such a way that the edge points of a group each reflect a geometric feature of the structure - in particular a butt edge or a hole.
  • the assignment to a group can be based, for example, on a distance metric, in which only those edge points are assigned to a group if the distance to at least one further edge point in the group is below a predetermined threshold value lies. If the threshold value for the distance is greater than the resolution of the 3D scanner, but smaller than the smallest distance between two neighboring geometric features of the structure, the desired assignment to the individual edge point groups is generally very reliable.
  • edge point groups thus determined, analytical descriptions are then determined on the basis of the edge points contained therein.
  • a search is made for an analytical and therefore logically and / or mathematically expressable function which reflects the edge geometry represented by the edge points of the respective edge point group as precisely as possible. Any complex logical and / or mathematical functions can be adapted to the boundary points of the respective groups. However, it is preferred if certain analytical descriptions are specified for at least some of the geometric shapes to be expected, in order to be adapted to the boundary points if necessary.
  • a 3D circle - that is to say a circle whose radius and position in the three-dimensional space can be adapted as desired - is preferably specified as one of possibly several analytical descriptions in order to be able to use it to describe, in particular, holes in the structure.
  • the marginal points, marginal point groups and / or analytical descriptions irrelevant for the exchange structure part are discarded. If boundary points and / or boundary point groups can already be determined as irrelevant for the production of the exchange structure part, for example because they describe bores that are not intended for connection to the exchange structure part, the computing power can be used for the determination the analytical description for these marginal points and / or marginal point groups can be saved. The same applies to analytical descriptions that have already been determined: For the manufacture of the replacement structural part irrelevant analytical descriptions need not be taken into account in the subsequent steps, which can save computing power.
  • the extracted model data which reflect the abutting edges and / or the bores on the receiving structure, are transmitted to model data for the boundary edges and / or bores for the exchange structure part by means of predetermined transfer functions. Since the extracted model data only represent the recorded receiving structure on which the exchange structure part is to be located or with which it is to be connected, it is not always possible to transfer the model data of the receiving structure to the exchange structure part and, finally, the blank. Rather, it is envisaged to convert the extracted model data into model data for the exchange structure part using transfer functions, it being possible, for example, to take into account the thickness of the exchange structure in the area of the holes for connecting elements. In addition, it is preferred if, in the transfer functions, distances between abutting edges of the structure and the respective boundary edges of the exchange structure are provided, for example in order to create a gap for sealing compound between the receiving structure and the exchange structural part.
  • a 3D model of the blank can be used to transfer the extracted model data of the abutting edges and / or holes to model data for boundary edges and holes for the replacement structure part, in order to ensure that the transferred model data for boundary edges and holes for the exchange structure part actually lie on the Find the blank to be processed or its surface below. It can be provided that the model data for boundary edges and bores for the exchange structural part can be checked and / or edited manually before the final implementation of the model data in the blank takes place.
  • collision-free robot tracks for transferring this model data to the blank of the exchange structure part are then determined in a known manner.
  • this also requires information about the robot and, in particular, its mobility, which is, however, regularly available.
  • a robot is controlled in accordance with the determined collision-free robot paths for transferring the model data to the blank.
  • the transfer of the model data to the blank can include the marking of bores and boundary edges, which can then be worked out accordingly - if necessary also manually - or the direct introduction of bores and / or the milling of boundary edges. Robots suitable for this purpose are known from the prior art.
  • FIG. 1 schematic representation of the inlet cowl area of an aircraft engine with the lip skin segment to be set removed;
  • Figure 2 a 3D scanner for scanning the inlet cowl
  • Figure 3 exemplary section of a point cloud as
  • FIG. 4 schematic representation of the model data of the Inlet Cowl from FIG. 1 extracted from a point cloud according to FIG. 3;
  • Figure 5 schematic representation of the model data transferred to a blank based on the model data of the Inlet Cowl along with collision-free robot tracks;
  • FIG. 6 schematic representation of a robot for transferring the model data according to FIG. 5 to a blank.
  • FIG. 1 shows a section of an inlet cowl 1 of an aircraft engine from which a defective lip skin segment 2 has already been removed.
  • the adjacent lip skin segments 2 have remained on the inlet cowl 1, as have the connecting straps 3 with which the lip skin segments 2 on the inlet cowl 1 and the adjacent lip skin segments 2 are connected.
  • the connecting tabs 3 have a hole image 4 to be firmly connected to the parts to be connected by rivets 5.
  • the inlet cowl 1 and the remaining lip skin segments 2 together with connecting straps 3 form an accommodating one Structure 10 in the sense of the present invention with a receiving area 11 for an exchange structure part 40 as a replacement for the already removed defective lip skin segment 2.
  • the exchange structure part 40 fits into the receiving area 11, on the one hand, its outer contour must match that of the receiving structure 10 defined boundary of the receiving area 11 to be adapted, on the other hand, the pattern to be provided for the attachment to the exchange structural part 40 on holes 41 must be designed for the holes 13 provided in the connecting tabs 3.
  • the butt edges 12 relevant in this connection and the bores 13 in the connecting straps 3 are indicated in FIG. 1.
  • the recording area 11 is captured by means of a 3D scan method.
  • FIG. 2 shows an example of a device 20 suitable for the desired 3D scan.
  • the device 20 comprises a robot 21 and a workpiece carrier 23 rotatable about a vertical axis 22 for receiving the receiving structure 10.
  • the robot 21 has a tool changer 24, one tool being a laser line sensor 25.
  • Robot 21 incl. the workpiece carrier 23, the tool changer 24 and the laser line sensor 25 are respectively controlled via control units 26, 27, 28 assigned to them, which are connected via a bus system 29 to a higher-level control and calculation device 30 which controls the various components the device 20 coordinates.
  • a terminal 31 is also arranged on the control and calculation device 30, via which a user can influence the control of the device 20. Due to the tool changer 24, it is possible to provide the robot 21 optionally with a marking pen or machining elements, such as drills or milling cutters, so that the device 20 according to FIG. 2 basically also for the machining of a blank 39 explained in conjunction with FIG. 6 suitable is.
  • the control and calculation device 30 controls the device 20 such that the receiving area 11 of the receiving structure 10 shown in FIG. 1 is completely captured.
  • the laser line sensor 25 provides one as a result
  • An exemplary section of a corresponding point cloud 32 is shown in FIG. 3.
  • model data of the impact edges 12 and the bores 13 are then extracted by the control and calculation device 30.
  • the boundary points in the point cloud 32 are first determined by calculating a boundary point probability on the basis of the angle criterion, the half-pane criterion and the shape criterion, as is known from the literature. These identified edge points are then combined based on a distance metric into individual one or more abutting edges 12 or edge point groups describing a bore 13, for which an analytical description is then determined in each case.
  • a 3D circle is predefined as the analytical description for the bores 13, and a straight line projected onto the surface of the blank, which is in the form of 3D CAD data, is provided for the abutting edges 12.
  • model data for the boundary edges 42 and bores 41 for the exchange structure part 40 are then determined by the control and calculation device 30 with the aid of predetermined transfer functions this fits the receiving area 11 of the receiving structure
  • Structure 10 is.
  • the position of the holes 41 is adjusted taking into account the wall thickness of the blank 39.
  • the boundary edges 42 are changed so that in the inserted state of the exchange structural part 40 produced from the blank 39 in the receiving region 11 of the receiving structure 10 between the boundary edges 42 and the abutting edges 12 there is a gap for receiving sealing material.
  • model data obtained in this way for the boundary edges 42 and bores 41 for the exchange structure part 40 can also be represented as 3D CAD data, as is shown in FIG. 5 analogously to the representation from FIG. 4. This model data can still be adjusted manually if required.
  • the Control and calculation device 30 collision-free ro bot tracks 43 for transferring the model data for boundary edges 42 and holes 41 for the exchange structural part 40 determined on a blank 39.
  • These robot tracks 43 can be determined in a known manner taking into account the degrees of freedom of the robot 20 and are indicated in FIG. 5.
  • the robot tracks 43 determined in this way are then used to control the robot 20 with which the model data are transferred to the blank 39 (FIG. 6).
  • the robot 20 executes the holes 41 itself directly, while the boundary edges 42 are only drawn on the blank 39, so that the desired exchange part 40 can be triggered from the blank 39 in a manual processing.
  • the exchange structure part 40 thus arises from the blank 39 by machining by the robot 20 and by subsequent manual machining.
  • the change between the drill and the marking pen is carried out with the aid of the tool changer 24.
  • the exchange structure part 40 produced in this way fits directly into the receiving area 11 of the receiving structure 10. A further fitting is fundamentally not necessary.

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Abstract

The invention relates to a method for customized production of replacement structure parts (40) from a blank (29) for replacing damaged structure components which are provided with a multiplicity of holes for attachment to a receiving structure (10). The method comprises here the steps: a) 3D scanning of the receiving area (11) for a replacement structure part (40) on the receiving structure (10) comprising the joints (12) for the replacement structure part (40) and the drilled holes (13) for attaching the replacement structure part (40); b) extracting model data of the joints (12) and/or drilled holes (13) on the receiving structure (10) from the point cloud (32) acquired by means of the 3D scanning, c) transferring the extracted model data of the joints (12) and/or drilled holes (13) onto model data for boundary edges (42) and drilled holes (41) for the replacement structure part (40) by means of predefined transfer functions; d) determining collision-free robot paths (43) in order to transfer the model data for boundary edges (42) and drilled holes (41) for the replacement structure part (40) onto the blank (39) of the replacement structure part (40); and e) actuating a robot (20) according to the determined collision-free robot paths (43) in order to transfer the model data onto the blank (39). The device according to the invention is configured to carry out this method.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur passgenauen Method and device for precisely fitting
Herstellung von Austauschstrukturteilen Manufacture of replacement structural parts
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur passgenauen Herstellung von Austauschstrukturteilen aus einem Rohling zum Ersatz beschädigter, mit einer Vielzahl von Lö chern zur Befestigung an einer aufnehmenden Struktur versehe ner Strukturbauteile. The invention relates to a method and an apparatus for the precise manufacture of replacement structural parts from a blank for the replacement of damaged, with a variety of holes for attachment to a receiving structure provided with structural components.
Bei der mechanischen Instandsetzung von Strukturen, deren Teile mit einer Vielzahl von Schrauben und/oder Nieten mitei nander verbunden sind, muss ein Austauschstrukturteil sowohl in seiner äußeren Formgebung, als auch hinsichtlich der Befes tigungslöcher passgenau an die übrigen, bereits bestehenden Strukturbauteile angepasst sein. In the mechanical repair of structures, the parts of which are connected to each other with a large number of screws and / or rivets, an exchange structural part must be adapted precisely to the other existing structural components, both in terms of its external shape and with regard to the fastening holes.
Aufgrund von Fertigungstoleranzen, aber auch aufgrund von wäh rend des Betriebs auftretenden Verformungen an der Struktur ist es nicht immer möglich, ein Austauschstrukturteil derart vollständig vorzufertigen, dass es unmittelbar in die instand zusetzende Struktur eingefügt werden kann. In solchen Fällen wird auf einen Rohling zurückgegriffen, der die grundsätzliche Form des fraglichen Strukturteils hat, jedoch ein Übermaß auf weist und regelmäßig ohne Befestigungslöcher gefertigt ist.Due to manufacturing tolerances, but also due to deformations in the structure during operation, it is not always possible to completely prefabricate a replacement structural part in such a way that it can be inserted directly into the repairable structure. In such cases, a blank is used which has the basic shape of the structural part in question, but has an oversize and is regularly manufactured without fastening holes.
Der Rohling muss dann manuell anhand der instandzusetzenden Struktur und ggf. unter Zuhilfenahme von Schablonen o. Ä. so nachbearbeitet werden, dass er als Austauschstrukturteil pass genau in die Struktur eingefügt werden kann. The blank must then be manually based on the structure to be repaired and if necessary with the help of templates or the like. can be reworked so that it can be inserted as an exchange structure part in the structure.
Ein Beispiel für ein entsprechendes Austauschstrukturteil ist das Inlet Cowl Lip Skin-Segment eines Flugzeugtriebwerks, also ein Segment der ringförmigen und aerodynamisch ausgeformten Abdeckung am Einlass des Strahltriebwerks eines Flugzeuges, insbesondere eines Verkehrsflugzeugs. Entsprechende Lip Skins bzw. deren Segmente sind mehrfach gekrümmte Komponenten und mit hunderten Nietverbindungen in Umfangslänge an der Inlet Cowl Struktur befestigt. An example of a corresponding exchange structure part is the inlet cowl lip skin segment of an aircraft engine, that is to say a segment of the annular and aerodynamically shaped cover at the inlet of the jet engine of an aircraft, in particular a commercial aircraft. Corresponding lip skins or their segments are multi-curved components and Secured to the Inlet Cowl structure with hundreds of circumferential riveted joints.
Zum Austausch eines Lip Skin-Segments wird auf einen Rohling zurückgegriffen, der sowohl ohne Bohrungen für die Befesti gungselemente - in der Regel Nieten - als auch mit Konturüber maß angeliefert wird. Die relevanten geometrischen Elemente - Bohrungen und begrenzende Kanten - müssen anhand der aufneh menden Inlet Cowl Struktur sowie der übrigen Lip Skin-Segmente in den Rohling übertragen, eingebracht bzw. angepasst werden. To replace a lip skin segment, a blank is used that is supplied both without holes for the fastening elements - usually rivets - and with an oversized contour. The relevant geometric elements - holes and delimiting edges - have to be transferred, introduced or adapted into the blank using the receiving inlet cowl structure and the other lip skin segments.
Dies erfolgt gemäß dem Stand der Technik von Hand mittels Messschieber und einer speziellen Lochübertragungsschablone. According to the state of the art, this is done by hand using a caliper and a special hole transfer template.
Für das Zuschneiden des Rohlings auf die erforderliche Form wird mit Hilfe eines an einem an der Inlet Cowl Struktur zeit weise angebrachten Hilfselement (bspw. einem Klebestreifen) entlanggeführten Messschiebers bei auf die Struktur aufgesetz tem Rohling die Außenkontur des benötigten Austauschstruktur teils angezeichnet. Der Rohling wird anschließend entsprechend zugeschnitten . To cut the blank to the required shape, the outside contour of the required replacement structure is partially drawn with the help of a vernier caliper that is temporarily attached to an auxiliary element (e.g. an adhesive strip) attached to the Inlet Cowl structure. The blank is then cut accordingly.
Für jede einzelne Bohrung wird zunächst per Stift und Schab lone eine Markierung auf dem angrenzenden Bereich der Inlet Cowl-Struktur gesetzt. Auf Basis dieser Markierung können die Bohrungspositionen nach Aufsetzen des zugeschnittenen, aber noch ungebohrten Ersatzteils dann auf dieses Ersatzteil zurück übertragen werden. Die erforderlichen Bohrungen können dabei unmittelbar eingebracht oder zunächst nur angezeichnet werden, um zu einem späteren Zeitpunkt gebohrt zu werden. For each individual hole, a mark is first made on the adjacent area of the Inlet Cowl structure using a pen and stencil. On the basis of this marking, the bore positions can then be transferred back to this spare part after placing the cut but still undrilled spare part. The required holes can be drilled immediately or initially only marked to be drilled at a later date.
Das beschriebene manuelle Verfahren ist sehr zeitaufwendig und dadurch kostenintensiv. Zusätzlich erfordern die Prozesse viel Erfahrung der durchführenden Personen, insbesondere Fluggerä- temechaniker . Aufgrund der regelmäßig hohen Anzahl an vorzu nehmenden Bohrungen besteht aber selbst bei erfahrenen Mecha nikern ein inhärentes Fehlerpotenzial, weshalb sich eine re produzierbare Qualität nur eingeschränkt erzielen lässt. The manual procedure described is very time-consuming and therefore costly. In addition, the processes require a great deal of experience on the part of the persons performing the work, in particular aircraft mechanic. However, due to the regularly high number of holes to be drilled, there is an inherent potential for error even with experienced mechanics, which is why reproducible quality can only be achieved to a limited extent.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, bei denen die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile nicht mehr oder nur noch in ver mindertem Umfang auftreten. The object of the present invention is to provide a method and an apparatus in which the disadvantages known from the prior art no longer occur or only to a reduced extent.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren gemäß dem Haupt anspruch sowie eine Vorrichtung gemäß Anspruch 9. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. This object is achieved by a method according to the main claim and an apparatus according to claim 9. Advantageous further developments are the subject of the dependent claims.
Demnach betrifft die Erfindung ein Verfahren zur passgenauen Herstellung von Austauschstrukturteilen aus einem Rohling zum Ersatz beschädigter, mit einer Vielzahl von Löchern zur Befes tigung an einer aufnehmenden Struktur versehener Strukturbau teile, mit den Schritten: a) 3D-Scannen des Aufnahmebereichs für ein Austauschstruk turteil an der aufnehmenden Struktur umfassend die Stoßkanten für das Austauschstrukturteil und die Boh rungen zur Befestigung des Austauschstrukturteils; b) Extrahieren von Modelldaten der Stoßkanten und/oder Accordingly, the invention relates to a method for the precise manufacture of replacement structural parts from a blank for replacing damaged structural parts provided with a plurality of holes for attachment to a receiving structure, with the steps: a) 3D scanning of the receiving area for an exchange structural part the receiving structure comprising the abutting edges for the exchange structure part and the bores for fastening the exchange structure part; b) extracting model data of the abutting edges and / or
Bohrungen an der aufnehmenden Struktur aus der durch das 3D-Scannen gewonnenen Punktwolke; c) Übertragen der extrahierten Modelldaten der Stoßkanten und/oder Bohrungen auf Modelldaten für Begrenzungskan ten und Bohrungen für das Austauschstrukturteil mittels vorgegebener Übertragungsfunktionen; d) Ermitteln kollisionsfreier Roboterbahnen zur Übertra gung der Modelldaten für Begrenzungskanten und Bohrun gen für das Austauschstrukturteil auf den Rohling des Austauschstrukturteils; und e) Ansteuerung eines Roboters gemäß der ermittelten kolli sionsfreien Roboterbahnen zur Übertragung der Modellda ten auf den Rohling. Drilling the receiving structure from the point cloud obtained by 3D scanning; c) transferring the extracted model data of the abutting edges and / or bores to model data for boundary edges and bores for the exchange structural part by means of predetermined transfer functions; d) determining collision-free robot paths for transferring the model data for boundary edges and bores for the exchange structure part onto the blank of the exchange structure part; and e) triggering a robot according to the determined collision-free robot paths for transferring the model data to the blank.
Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur passge nauen Herstellung von Austauschstrukturteilen aus einem Roh ling zum Ersatz beschädigter, mit einer Vielzahl von Löchern zur Befestigung an einer aufnehmenden Struktur versehener Strukturbauteile umfassend Furthermore, the invention relates to a device for custom-made manufacture of replacement structural parts from a Roh ling to replace damaged, with a plurality of holes for attachment to a receiving structure provided structural components comprising
- einen 3D-Scanner zum Scannen des Aufnahmebereichs für ein Austauschstrukturteil an der aufnehmenden Struktur umfassend die Stoßkanten für das Austauschstrukturteil und die Bohrungen zur Befestigung des Austauschstruk turteils; - A 3D scanner for scanning the receiving area for an exchange structure part on the receiving structure comprising the abutting edges for the exchange structure part and the bores for fastening the exchange structure part;
- eine Steuerungs- und Berechnungsvorrichtung, die dazu ausgebildet ist: a control and calculation device which is designed to:
- Modelldaten der Stoßkanten und/oder Bohrungen an der aufnehmenden Struktur aus der durch das 3D-Scannen gewonnenen Punktwolke zu extrahieren; - extract model data of the abutting edges and / or bores on the receiving structure from the point cloud obtained by the 3D scanning;
- die extrahierten Modelldaten der Stoßkanten und/oder Bohrungen auf Modelldaten für Begrenzungskanten und Bohrungen für das Austauschstrukturteil mittels vor gegebener Übertragungsfunktionen zu übertragen; und - To transfer the extracted model data of the abutting edges and / or bores to model data for boundary edges and bores for the exchange structural part by means of predetermined transfer functions; and
- Kollisionsfreie Roboterbahnen zur Übertragung der Modelldaten für Begrenzungskanten und Bohrungen für das Austauschstrukturteil auf den Rohling des Aus tauschstrukturteils zu ermitteln; und - Collision-free robot tracks for transferring the model data for boundary edges and holes for determine the exchange structure part on the blank of the exchange structure part; and
- einen Roboter zur Übertragung der Modelldaten auf den Rohling gemäß der ermittelten kollisionsfreien Roboter bahnen . - Train a robot to transfer the model data to the blank according to the collision-free robot determined.
Die Erfindung schafft demnach ein Verfahren, bei dem ein Aus tauschstrukturteil auf Basis eines geeigneten Rohlings automa tisiert passgenau hergestellt werden kann. Aufgrund der erfin dungsgemäß erreichten Automatisierung ist eine kostengünstige Herstellung mit über mehrere Austauschstrukturteile gleich bleibender Qualität möglich. The invention accordingly creates a method in which an exchange structure part can be produced automatically and precisely on the basis of a suitable blank. Due to the automation achieved in accordance with the invention, it is possible to produce at low cost with consistent quality over a number of replacement structural parts.
Die Erfindung hat dabei erkannt, dass für eine passgenaue Her stellung eines Austauschstrukturteils regelmäßig nicht auf Konstruktionszeichnungen o. Ä. zurückgegriffen werden kann, da sowohl die Außenkontur des zu ersetzenden Bauteils, insbeson dere aber die Bohrungen zur Befestigung des Bauteils teils er heblichen Fertigungstoleranzen unterliegen und sich die letzt lich aufnehmende Struktur im Laufe der Zeit verformen kann. Vielmehr wird unmittelbar auf die Struktur, für welches das Austauschstrukturteil hergestellt wird abgestellt, sodass sämtliche Abweichungen von der ursprünglichen Konstruktion der Struktur bei der Herstellung des Austauschstrukturteils be rücksichtigt werden können. The invention has recognized that for a tailor-made manufacture of an exchange structural part regularly not on construction drawings or the like. can be used, since both the outer contour of the component to be replaced, but in particular the bores for fastening the component are subject to considerable manufacturing tolerances and the ultimately receiving structure can deform over time. Rather, the structure for which the exchange structure part is produced is used directly, so that all deviations from the original construction of the structure can be taken into account when producing the exchange structure part.
Die vorliegende Erfindung setzt dabei bewusst auf die automa tisierte Bearbeitung von Rohlingen bei der Herstellung von Austauschstrukturteilen. Die Erfindung hat nämlich erkannt, dass die Strukturteile, die mit einer Vielzahl an Nieten oder Schrauben an benachbarten Strukturteilen befestigt sind, re gelmäßig einer solch hohen mechanischen und/oder thermischen Belastung ausgesetzt sind, dass aufbauende Fertigungsverfah- ren, wie bspw. der 3D-Druck, für entsprechende Austauschstruk turteile (derzeit) nicht geeignet sind. Durch die Verwendung von Rohlingen können mechanisch und thermisch ausreichend be lastbare Austauschstrukturteile hergestellt werden. The present invention deliberately relies on the automated machining of blanks in the production of replacement structural parts. This is because the invention has recognized that the structural parts, which are fastened to adjacent structural parts with a large number of rivets or screws, are regularly exposed to such a high mechanical and / or thermal load that constructive manufacturing processes Ren, such as 3D printing, are not (currently) suitable for corresponding exchange structure parts. By using blanks, mechanically and thermally sufficiently durable replacement structural parts can be produced.
Zu Beginn des Verfahrens wird zunächst der Aufnahmebereich für das herzustellende Austauschstrukturteil an der aufnehmenden Struktur umfassend die Stoßkanten für das Austauschstruktur teil und die Bohrungen zur Befestigung des Austauschstruktur teils daran als 3D-Scan erfasst. In anderen Worten soll nach Entfernen des beschädigten bzw. auszutauschenden Strukturteils derjenige Bereich der Struktur vollständig gescannt werden, der die erforderliche Außenkontur des Austauschstrukturteils sowie sämtliche Bohrungen zur Befestigung des fehlenden und zu ersetzenden Strukturteils umfasst. Das 3D-Scannen erfolgt da bei vorzugsweise berührungslos und kann bspw. mit einem robo tergeführten, optischen Messsystem durchgeführt werden. At the beginning of the method, the receiving area for the exchange structure part to be produced is first recorded on the receiving structure, including the abutting edges for the exchange structure, and the bores for fastening the exchange structure in part as a 3D scan. In other words, after removal of the damaged or exchanged structural part, that area of the structure which comprises the required outer contour of the exchanged structural part and all bores for fastening the missing and to be replaced structural part should be completely scanned. The 3D scanning is preferably done in a contactless manner and can be carried out, for example, with a robotic optical measuring system.
Das Ergebnis des 3D-Scannens ist eine Punktwolke, welche die Oberfläche der gescannten Struktur - insbesondere umfassend den Anschlussbereich für das herzustellende Austauschstruktur teil - widerspiegelt. Da sich die Punktwolke für die nachfol genden Schritte nicht unmittelbar verwenden lässt, werden nach der Gewinnung der Punktwolke die Stoßkanten und/oder die Boh rungen der aufnehmenden Struktur aus der Punktwolke ermittelt. Aus der Punktwolke werden also Modelldaten extrahiert, welche die Stoßkanten und/oder Bohrungen wiedergeben. Bei den Modell daten handelt es sich dabei um logisch und/oder mathematisch beschreibbare 3D-Linien beliebiger Form (Geraden, Kreise, Bö gen, Ellipsen, Splines, etc.), wie sie bspw. aus dem Bereich des 3D-CAD bekannt sind. Die extrahierten Modelldaten lassen sich bildlich als Drahtgittermodell vorstellen. The result of the 3D scanning is a point cloud, which partly reflects the surface of the scanned structure - in particular comprising the connection area for the exchange structure to be produced. Since the point cloud cannot be used directly for the subsequent steps, the abutting edges and / or the bores of the receiving structure are determined from the point cloud after the point cloud has been obtained. So model data are extracted from the point cloud, which reflect the abutting edges and / or bores. The model data are logically and / or mathematically describable 3D lines of any shape (straight lines, circles, arcs, ellipses, splines, etc.), as they are known from the area of 3D CAD, for example. The extracted model data can be visualized as a wireframe model.
Eine bevorzugte Variante zum Extrahieren von Modelldaten aus Punktwolken umfasst die Schritte: - Identifizierung von Punkten der Punktwolke als Rand punkte durch Berechnung einer Randpunktwahrscheinlich keit, vorzugsweise auf Basis des Winkelkriteriums, Halbscheibenkriteriums und/oder Formkriteriums; A preferred variant for extracting model data from point clouds comprises the steps: - Identification of points of the point cloud as edge points by calculating an edge point probability, preferably on the basis of the angle criterion, half disc criterion and / or shape criterion;
- Zusammenfassung der identifizierten Randpunkte in ein zelne jeweils eine oder mehrere Stoßkanten oder eine Bohrung beschreibende Randpunktgruppen, vorzugsweise basierend auf einer Abstandsmetrik; und - Summary of the identified edge points into an individual one or more abutting edges or edge point groups describing a bore, preferably based on a distance metric; and
- Bestimmen einer analytischen Beschreibung der Rand - Determine an analytical description of the edge
punkte jeder Randpunktgruppe. points of each edge point group.
In anderen Worten werden zunächst diejenigen Punkte aus der Punktwolke identifiziert, die mit hoher Wahrscheinlichkeit am Rand der von der Punktwolke abgebildeten Struktur liegen, un abhängig davon, ob es sich um eine Begrenzungskante der Struk tur an sich oder um die Begrenzung eines Bohrlochs handelt.In other words, those points from the point cloud that are most likely to be located at the edge of the structure depicted by the point cloud are identified, regardless of whether it is a boundary edge of the structure itself or the delimitation of a borehole.
Zur Ermittlung der Randpunktwahrscheinlichkeit für jeden ein zelnen Punkt der Punktwolke kann auf das Winkelkriterium, Halbscheibenkriterium und/oder Formkriterium zurückgegriffen werden, wie sie ausführlich in G. H. Bendels et.al. "Detecting Holes in Point Set Surfaces" (Journal of WSCG 14, 2006, S. 89- 96) und S. Gumhold et al . "Feature extraction from point clouds" (Proceedings of 10th international meshing roundtable, 2001) diskutiert sind. To determine the edge point probability for each individual point of the point cloud, the angle criterion, half disc criterion and / or shape criterion can be used, as described in detail in G. H. Bendels et.al. "Detecting Holes in Point Set Surfaces" (Journal of WSCG 14, 2006, pp. 89-96) and S. Gumhold et al. "Feature extraction from point clouds" (Proceedings of 10th international meshing roundtable, 2001) are discussed.
Anschließend werden die Randpunkte jeweils so in Gruppen zu sammengefasst, dass die Randpunkte einer Gruppe jeweils ein geometrisches Merkmal der Struktur - insbesondere also eine Stoßkante oder eine Bohrung - widerspiegeln. Die Zuordnung zu einer Gruppe kann bspw. basierend auf einer Abstandsmetrik er folgen, bei der nur solche Randpunkte einer Gruppe zugeordnet werden, wenn der Abstand zu wenigstens einem weiteren Rand punkt in der Gruppe unterhalb eines vorgegebenen Schwellwertes liegt. Ist der Schwellwert für den Abstand größer als die Auf lösung des 3D-Scanners, aber kleiner als der kleinste Abstand zweier benachbarter geometrischer Merkmale der Struktur, ist die gewünschte Zuordnung in die einzelnen Randpunktgruppen re gelmäßig sehr zuverlässig. The edge points are then grouped together in such a way that the edge points of a group each reflect a geometric feature of the structure - in particular a butt edge or a hole. The assignment to a group can be based, for example, on a distance metric, in which only those edge points are assigned to a group if the distance to at least one further edge point in the group is below a predetermined threshold value lies. If the threshold value for the distance is greater than the resolution of the 3D scanner, but smaller than the smallest distance between two neighboring geometric features of the structure, the desired assignment to the individual edge point groups is generally very reliable.
Für die so ermittelten Randpunktgruppen werden dann jeweils analytische Beschreibungen auf Basis der darin enthaltenen Randpunkte bestimmt. Es wird dabei nach einer analytischen und also logisch und/oder mathematisch ausdrückbaren Funktion ge sucht, welche die durch die Randpunkte der jeweiligen Rand punktgruppe abgebildete Kantengeometrie möglichst genau wider spiegelt. Dabei können beliebig komplexe logische und/oder ma thematische Funktionen an die Randpunkte der jeweiligen Grup pen angepasst werden. Es ist aber bevorzugt, wenn zumindest für einige zu erwartende geometrische Formen bestimmte analy tische Beschreibungen vorgegeben sind, um ggf. an die Rand punkte angepasst zu werden. Bevorzugt wird ein 3D-Kreis - also ein Kreis, dessen Radius und Lage im dreidimensionalen Raum beliebig anpassbar ist - als eine von ggf. mehreren analyti schen Beschreibungen vorgegeben, um damit insbesondere Bohrun gen in der Struktur beschreiben zu können. For the edge point groups thus determined, analytical descriptions are then determined on the basis of the edge points contained therein. A search is made for an analytical and therefore logically and / or mathematically expressable function which reflects the edge geometry represented by the edge points of the respective edge point group as precisely as possible. Any complex logical and / or mathematical functions can be adapted to the boundary points of the respective groups. However, it is preferred if certain analytical descriptions are specified for at least some of the geometric shapes to be expected, in order to be adapted to the boundary points if necessary. A 3D circle - that is to say a circle whose radius and position in the three-dimensional space can be adapted as desired - is preferably specified as one of possibly several analytical descriptions in order to be able to use it to describe, in particular, holes in the structure.
Es ist bevorzugt, wenn vor oder nach dem Bestimmen der analy tischen Beschreibung die für das Austauschstrukturteil irrele vanten Randpunkte, Randpunktgruppen und/oder analytische Be schreibungen verworfen werden. Können Randpunkte und/oder Randpunktgruppen bereits vor der Ermittlung einer analytischen Beschreibung dafür als für die Herstellung des Austauschstruk turteils irrelevant ermittelt werden, bspw. weil sie Bohrungen beschreiben, die nicht für die Verbindung mit dem Austausch strukturteil vorgesehen sind, kann die Rechenleistung für das Ermitteln der analytischen Beschreibung für eben diese Rand punkte und/oder Randpunktgruppen eingespart werden. Ähnliches gilt für bereits ermittelte analytische Beschreibungen: Für die Herstellung des Austauschstrukturteils irrelevante analy tische Beschreibungen müssen bei den nachfolgenden Schritten nicht weiter berücksichtigt werden, was Rechenleistung einspa ren kann. It is preferred if, before or after determining the analytical description, the marginal points, marginal point groups and / or analytical descriptions irrelevant for the exchange structure part are discarded. If boundary points and / or boundary point groups can already be determined as irrelevant for the production of the exchange structure part, for example because they describe bores that are not intended for connection to the exchange structure part, the computing power can be used for the determination the analytical description for these marginal points and / or marginal point groups can be saved. The same applies to analytical descriptions that have already been determined: For the manufacture of the replacement structural part irrelevant analytical descriptions need not be taken into account in the subsequent steps, which can save computing power.
Die extrahierten Modelldaten, welche die Stoßkanten und/oder die Bohrungen an der aufnehmenden Struktur widerspiegeln, wer den mittels vorgegebener Übertragungsfunktionen auf Modellda ten für die Begrenzungskanten und/oder Bohrungen für das Aus tauschstrukturteil übertragen. Da die extrahierten Modelldaten lediglich die erfasste aufnehmende Struktur abbilden, auf der das Austauschstrukturteil zu liegen kommt bzw. mit der es ver bunden werden soll, ist eine Übertragung der Modelldaten der aufnehmenden Struktur auf das Austauschstrukturteil und letzt endlich den Rohling nicht immer möglich. Vielmehr ist vorgese hen, die extrahierten Modelldaten mithilfe von Übertragungs funktionen in Modelldaten für das Austauschstrukturteil zu überführen, wobei bspw. auf die Dicke des Austauschstruktur teils im Bereich der Bohrungen für Verbindungselemente Rück sicht genommen werden kann. Darüber hinaus ist bevorzugt, wenn bei den Übertragungsfunktionen Abstände zwischen Stoßkanten der Struktur und den jeweiligen Begrenzungskanten der Aus tauschstruktur vorgesehen werden, bspw. um einen Spalt für Dichtungsmasse zwischen aufnehmender Struktur und Austausch strukturteil zu schaffen. The extracted model data, which reflect the abutting edges and / or the bores on the receiving structure, are transmitted to model data for the boundary edges and / or bores for the exchange structure part by means of predetermined transfer functions. Since the extracted model data only represent the recorded receiving structure on which the exchange structure part is to be located or with which it is to be connected, it is not always possible to transfer the model data of the receiving structure to the exchange structure part and, finally, the blank. Rather, it is envisaged to convert the extracted model data into model data for the exchange structure part using transfer functions, it being possible, for example, to take into account the thickness of the exchange structure in the area of the holes for connecting elements. In addition, it is preferred if, in the transfer functions, distances between abutting edges of the structure and the respective boundary edges of the exchange structure are provided, for example in order to create a gap for sealing compound between the receiving structure and the exchange structural part.
Für das Übertragen der extrahierten Modelldaten der Stoßkanten und/oder Bohrungen auf Modelldaten für Begrenzungskanten und Bohrungen für das Austauschstrukturteil kann auf ein 3D-Modell des Rohlings zurückgegriffen werden, um sicherzustellen, dass sich die übertragenen Modelldaten für Begrenzungskanten und Bohrungen für das Austauschstrukturteil tatsächlich auf dem nachfolgend zu bearbeitenden Rohling bzw. dessen Oberfläche wiederfinden . Es kann vorgesehen sein, dass die Modelldaten für Begrenzungs kanten und Bohrungen für das Austauschstrukturteil manuell überprüft und/oder bearbeitet werden können, bevor die letzt endliche Umsetzung der Modelldaten in den Rohling erfolgt. A 3D model of the blank can be used to transfer the extracted model data of the abutting edges and / or holes to model data for boundary edges and holes for the replacement structure part, in order to ensure that the transferred model data for boundary edges and holes for the exchange structure part actually lie on the Find the blank to be processed or its surface below. It can be provided that the model data for boundary edges and bores for the exchange structural part can be checked and / or edited manually before the final implementation of the model data in the blank takes place.
Auf Basis der ggf. manuell veränderten Modelldaten für Begren zungskanten und Bohrungen für das Austauschstrukturteil werden anschließend auf bekannte Art und Weise kollisionsfreie Robo terbahnen zur Übertragung dieser Modelldaten auf den Rohling des Austauschstrukturteils ermittelt. Hierzu sind neben den Modelldaten noch Informationen über den Roboter und insbeson dere dessen Beweglichkeit erforderlich, die jedoch regelmäßig vorliegen . On the basis of the model data for boundary edges and bores for the exchange structure part, which may have been changed manually, collision-free robot tracks for transferring this model data to the blank of the exchange structure part are then determined in a known manner. In addition to the model data, this also requires information about the robot and, in particular, its mobility, which is, however, regularly available.
Abschließend wird ein Roboter gemäß der ermittelten kollisi onsfreien Roboterbahnen zur Übertragung der Modelldaten auf den Rohling angesteuert. Dass Übertragen der Modelldaten auf den Rohling kann dabei das Anzeichnen von Bohrungen und Be grenzungskanten, die anschließend entsprechend - ggf. auch ma nuell - ausgearbeitet werden, oder aber das unmittelbare Ein bringen von Bohrungen und/oder das Fräsen von Begrenzungskan ten umfassen. Hierzu geeignete Roboter sind aus dem Stand der Technik bekannt. Finally, a robot is controlled in accordance with the determined collision-free robot paths for transferring the model data to the blank. The transfer of the model data to the blank can include the marking of bores and boundary edges, which can then be worked out accordingly - if necessary also manually - or the direct introduction of bores and / or the milling of boundary edges. Robots suitable for this purpose are known from the prior art.
Am Ende des Verfahrens liegt ein aus einem Rohling hergestell tes Austauschstrukturteil vor, welches sich passgenau in die aufzunehmende Struktur einfügen und sich unmittelbar an dieser befestigen lässt. At the end of the process, there is a replacement structural part made from a blank, which can be fitted into the structure to be accommodated and attached directly to it.
Zur Erläuterung der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird auf die vorstehenden Ausführungen verwiesen. To explain the device according to the invention, reference is made to the above statements.
Die Erfindung wird nun anhand einer bevorzugten Ausführungs form unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen bei- spielhafthaft beschrieben. Es zeigen: Figur 1 : schematische Darstellung des Inlet-Cowl-Bereichs eines Flugzeugtriebwerks mit entferntem, zu er setzendem Lip Skin-Segment ; The invention will now be described by way of example with reference to a preferred embodiment with reference to the accompanying drawings. Show it: FIG. 1: schematic representation of the inlet cowl area of an aircraft engine with the lip skin segment to be set removed;
Figur 2 : einen 3D-Scanner zum Scannen der Inlet Cowl aus Figure 2: a 3D scanner for scanning the inlet cowl
Figur 1; Figure 1;
Figur 3: beispielhafter Ausschnitt einer Punktwolke als Figure 3: exemplary section of a point cloud as
Ergebnis des 3D-Scanners aus Figur 2; Result of the 3D scanner from FIG. 2;
Figur 4 : schematische Darstellung der aus einer Punktwolke gemäß Figur 3 extrahierten Modelldaten der Inlet Cowl aus Figur 1; FIG. 4: schematic representation of the model data of the Inlet Cowl from FIG. 1 extracted from a point cloud according to FIG. 3;
Figur 5: schematische Darstellung der auf einen Rohling übertragenen Modelldaten basierend auf den Mo delldaten der Inlet Cowl nebst kollisionsfreier Roboterbahnen; und Figure 5: schematic representation of the model data transferred to a blank based on the model data of the Inlet Cowl along with collision-free robot tracks; and
Figur 6: schematische Darstellung eines Roboters zur Über tragung der Modelldaten gemäß Figur 5 auf einen Rohling . FIG. 6: schematic representation of a robot for transferring the model data according to FIG. 5 to a blank.
In Figur 1 ist ein Abschnitt einer Inlet Cowl 1 eines Flug zeugtriebwerks dargestellt, aus dem ein defektes Lip Skin-Seg- ment 2 bereits entfernt ist. Die dazu benachbarten Lip Skin- Segmente 2 sind an der Inlet Cowl 1 verblieben, ebenso wie die Verbindungslaschen 3, mit dem die Lip Skin-Segmente 2 an der Inlet Cowl 1 sowie den benachbarten Lip Skin-Segmenten 2 ver bunden werden. Die Verbindungslaschen 3 weisen dazu ein Loch bild 4 auf, um jeweils mit den darüber zu verbindenden Teilen durch Nieten 5 fest verbunden zu werden. FIG. 1 shows a section of an inlet cowl 1 of an aircraft engine from which a defective lip skin segment 2 has already been removed. The adjacent lip skin segments 2 have remained on the inlet cowl 1, as have the connecting straps 3 with which the lip skin segments 2 on the inlet cowl 1 and the adjacent lip skin segments 2 are connected. The connecting tabs 3 have a hole image 4 to be firmly connected to the parts to be connected by rivets 5.
Die Inlet Cowl 1 sowie die daran verbliebenden Lip Skin-Seg mente 2 nebst Verbindungslaschen 3 bilden eine aufnehmende Struktur 10 im Sinne der vorliegenden Erfindung mit einem Auf nahmebereich 11 für ein Austauschstrukturteil 40 als Ersatz für das bereits entfernte defekte Lip Skin-Segment 2. Damit das Austauschstrukturteil 40 in den Aufnahmebereich 11 passt, muss zum einen dessen Außenkontur an die durch die aufnehmende Struktur 10 definierte Begrenzung des Aufnahmebereichs 11 an gepasst sein, zum anderen muss das für die Befestigung an dem Austauschstrukturteil 40 vorzusehende Muster an Bohrungen 41 auf die dafür vorgesehenen Bohrungen 13 in den Verbindungsla schen 3 ausgelegt sein. Die in diesem Zusammenhang relevanten Stoßkanten 12 sowie die Bohrungen 13 in den Verbindungslaschen 3 sind in Figur 1 angegeben. The inlet cowl 1 and the remaining lip skin segments 2 together with connecting straps 3 form an accommodating one Structure 10 in the sense of the present invention with a receiving area 11 for an exchange structure part 40 as a replacement for the already removed defective lip skin segment 2. So that the exchange structure part 40 fits into the receiving area 11, on the one hand, its outer contour must match that of the receiving structure 10 defined boundary of the receiving area 11 to be adapted, on the other hand, the pattern to be provided for the attachment to the exchange structural part 40 on holes 41 must be designed for the holes 13 provided in the connecting tabs 3. The butt edges 12 relevant in this connection and the bores 13 in the connecting straps 3 are indicated in FIG. 1.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Aufnahmebereich 11 per 3D-Scan-Verfahren erfasst wird. According to the invention, it is provided that the recording area 11 is captured by means of a 3D scan method.
In Figur 2 ist exemplarisch eine für den gewünschten 3D-Scan geeignete Vorrichtung 20 gezeigt. FIG. 2 shows an example of a device 20 suitable for the desired 3D scan.
Die Vorrichtung 20 umfasst einen Roboter 21 und einen um eine vertikale Achse 22 drehbaren Werkstückträger 23 zur Aufnahme der aufnehmenden Struktur 10. Der Roboter 21 weist einen Werk zeugwechsler 24 auf, wobei ein Werkzeug ein Laserliniensensor 25 ist. Der Roboter 21 inkl . dem Werkstückträger 23, der Werk zeugwechsler 24 sowie der Laserliniensensor 25 werden jeweils über ihnen zugeordnete Steuerungseinheiten 26, 27, 28 gesteu ert, die über ein Bus-System 29 mit einer übergeordneten Steu- erungs- und Berechnungsvorrichtung 30 verbunden sind, welche die verschiedenen Komponenten der Vorrichtung 20 koordiniert. An der Steuerungs- und Berechnungsvorrichtung 30 ist außerdem ein Terminal 31 angeordnet, über welches ein Nutzer auf die Steuerung der Vorrichtung 20 Einfluss nehmen kann. Aufgrund des Werkzeugwechslers 24 ist es möglich, den Roboter 21 wahlweise mit einem Markierstift oder Bearbeitungselemen ten, wie Bohrer oder Fräser, zu versehen, sodass die Vorrich tung 20 gemäß Figur 2 grundsätzlich auch für die in Zusammen hang mit Figur 6 erläuterte Bearbeitung eines Rohlings 39 ge eignet ist. The device 20 comprises a robot 21 and a workpiece carrier 23 rotatable about a vertical axis 22 for receiving the receiving structure 10. The robot 21 has a tool changer 24, one tool being a laser line sensor 25. Robot 21 incl. the workpiece carrier 23, the tool changer 24 and the laser line sensor 25 are respectively controlled via control units 26, 27, 28 assigned to them, which are connected via a bus system 29 to a higher-level control and calculation device 30 which controls the various components the device 20 coordinates. A terminal 31 is also arranged on the control and calculation device 30, via which a user can influence the control of the device 20. Due to the tool changer 24, it is possible to provide the robot 21 optionally with a marking pen or machining elements, such as drills or milling cutters, so that the device 20 according to FIG. 2 basically also for the machining of a blank 39 explained in conjunction with FIG. 6 suitable is.
Die Steuerungs- und Berechnungsvorrichtung 30 steuert die Vor richtung 20 so, dass der in der Figur 1 dargestellte Aufnahme bereich 11 der aufnehmenden Struktur 10 vollständig erfasst wird. Der Laserliniensensor 25 liefert als Ergebnis eine The control and calculation device 30 controls the device 20 such that the receiving area 11 of the receiving structure 10 shown in FIG. 1 is completely captured. The laser line sensor 25 provides one as a result
Punktwolke 32 des Aufnahmebereichs 11 inklusive der relevanten Stoßkanten 12 und der Bohrungen 13. Ein beispielhafter Aus schnitt einer entsprechenden Punktwolke 32 ist in Figur 3 dar gestellt. Point cloud 32 of the receiving area 11 including the relevant abutting edges 12 and the bores 13. An exemplary section of a corresponding point cloud 32 is shown in FIG. 3.
Aus der Punktwolke 32 werden anschließend durch die Steue rungs- und Berechnungsvorrichtung 30 Modelldaten der Stoßkan ten 12 und der Bohrungen 13 extrahiert. Dazu werden zunächst die Randpunkte in der Punktwolke 32 durch Berechnung einer Randpunktwahrscheinlichkeit auf Basis des Winkelkriteriums, des Halbscheibenkriteriums sowie des Formkriteriums ermittelt, wie es aus der Literatur bekannt ist. Anschließend werden diese identifizierten Randpunkte basierend auf einer Abstands metrik in einzelne jeweils eine oder mehrere Stoßkanten 12 o- der eine Bohrung 13 beschreibende Randpunktgruppen zusammenge fasst, für die dann jeweils eine analytische Beschreibung be stimmt wird. Für die Bohrungen 13 ist als analytische Be schreibung ein 3D-Kreis vorgegeben, für die Stoßkanten 12 eine auf die Oberfläche des Rohlings, welche in Form von 3D-CAD-Da- ten vorliegt, projizierte Gerade. From the point cloud 32, model data of the impact edges 12 and the bores 13 are then extracted by the control and calculation device 30. For this purpose, the boundary points in the point cloud 32 are first determined by calculating a boundary point probability on the basis of the angle criterion, the half-pane criterion and the shape criterion, as is known from the literature. These identified edge points are then combined based on a distance metric into individual one or more abutting edges 12 or edge point groups describing a bore 13, for which an analytical description is then determined in each case. A 3D circle is predefined as the analytical description for the bores 13, and a straight line projected onto the surface of the blank, which is in the form of 3D CAD data, is provided for the abutting edges 12.
Nach Bestimmung der analytischen Beschreibung für sämtliche in der Punktwolke 32 identifizierbare Stoßkanten 12 und Bohrungen 13 werden anschließend die für die Herstellung des Austausch teils 40 irrelevanten analytischen Beschreibungen - bspw. After determining the analytical description for all of the abutting edges 12 and bores identifiable in the point cloud 32 13 then the analytical descriptions irrelevant for the production of the exchange, some 40 - e.g.
sämtliche Bohrungen 13 außerhalb der Stoßkanten 12 - verwor fen, sodass im Ergebnis nur analytische Beschreibungen der tatsächlich relevanten Geometrie des Aufnahmebereichs 11 ver bleiben. Diese lassen sich bspw. als 3D-CAD-Modell darstellen, wie es in Figur 4 als vereinfachte, insbesondere hinsichtlich der Anzahl der Bohrungen 13 stark reduzierte Draufsicht ge zeigt ist. all holes 13 outside the abutting edges 12 - discarded, so that only analytical descriptions of the actually relevant geometry of the receiving area 11 remain. These can be represented, for example, as a 3D CAD model, as is shown in FIG. 4 as a simplified top view, which is particularly reduced in terms of the number of holes 13.
Basierend auf den extrahierten Modelldaten der Stoßkanten 12 und Bohrungen 13 im Aufnahmebereich 11 der aufnehmenden Struk tur 10 werden anschließend durch die Steuerungs- und Berech nungsvorrichtung 30 mithilfe von vorgegebenen Übertragungs funktionen Modelldaten für die Begrenzungskanten 42 und Boh rungen 41 für das Austauschstrukturteil 40 ermittelt, damit dieses passgenau zum Aufnahmebereich 11 der aufnehmenden Based on the extracted model data of the abutting edges 12 and bores 13 in the receiving area 11 of the receiving structure 10, model data for the boundary edges 42 and bores 41 for the exchange structure part 40 are then determined by the control and calculation device 30 with the aid of predetermined transfer functions this fits the receiving area 11 of the receiving
Struktur 10 ist. Dabei wird bspw. die Position der Bohrungen 41 unter Berücksichtigung der Wandstärke des Rohlings 39 ange passt. Außerdem werden die Begrenzungskanten 42 so verändert, dass im eingesetzten Zustand des aus dem Rohling 39 herge stellten Austauschstrukturteils 40 in den Aufnahmebereich 11 der aufnehmenden Struktur 10 zwischen Begrenzungskanten 42 und Stoßkanten 12 ein Spalt zur Aufnahme von Dichtmaterial vorhan den ist. Structure 10 is. For example, the position of the holes 41 is adjusted taking into account the wall thickness of the blank 39. In addition, the boundary edges 42 are changed so that in the inserted state of the exchange structural part 40 produced from the blank 39 in the receiving region 11 of the receiving structure 10 between the boundary edges 42 and the abutting edges 12 there is a gap for receiving sealing material.
Die so gewonnenen Modelldaten für die Begrenzungskanten 42 und Bohrungen 41 für das Austauschstrukturteil 40 lassen sich ebenfalls als 3D-CAD-Daten darstellen, wie es in Figur 5 ana log zur Darstellung aus Figur 4 gezeigt ist. Diese Modelldaten lassen sich bei Bedarf noch manuell anpassen. The model data obtained in this way for the boundary edges 42 and bores 41 for the exchange structure part 40 can also be represented as 3D CAD data, as is shown in FIG. 5 analogously to the representation from FIG. 4. This model data can still be adjusted manually if required.
Sind die Modelldaten - bspw. über das Terminal 31 - von einem Nutzer freigegeben, werden in einem nächsten Schritt von der Steuerungs- und Berechnungsvorrichtung 30 kollisionsfreie Ro boterbahnen 43 zur Übertragung der Modelldaten für Begren zungskanten 42 und Bohrungen 41 für das Austauschstrukturteil 40 auf einen Rohling 39 ermittelt. Diese Roboterbahnen 43 las- sen sich unter Berücksichtigung der Freiheitsgrade des Robo ters 20 auf bekannte Art und Weise ermitteln und sind in Figur 5 angedeutet. If the model data - for example via the terminal 31 - is released by a user, in a next step the Control and calculation device 30 collision-free ro bot tracks 43 for transferring the model data for boundary edges 42 and holes 41 for the exchange structural part 40 determined on a blank 39. These robot tracks 43 can be determined in a known manner taking into account the degrees of freedom of the robot 20 and are indicated in FIG. 5.
Die so ermittelten Roboterbahnen 43 werden dann zur Ansteue rung des Roboters 20 verwendet, mit dem die Modelldaten auf den Rohling 39 übertragen werden (Figur 6) . Der Roboter 20 führt dabei die Bohrungen 41 unmittelbar selbst aus, während die Begrenzungskanten 42 auf dem Rohling 39 lediglich ange zeichnet werden, sodass in einer manuellen Bearbeitung das ge wünschte Austauschteil 40 aus dem Rohling 39 ausgelöst werden kann. Aus dem Rohling 39 entsteht somit durch Bearbeitung durch den Roboter 20 und durch anschließende manuelle Bearbei tung das Austauschstrukturteil 40. Der Wechsel zwischen Bohrer und Markierstift erfolgt mithilfe des Werkzeugwechslers 24. The robot tracks 43 determined in this way are then used to control the robot 20 with which the model data are transferred to the blank 39 (FIG. 6). The robot 20 executes the holes 41 itself directly, while the boundary edges 42 are only drawn on the blank 39, so that the desired exchange part 40 can be triggered from the blank 39 in a manual processing. The exchange structure part 40 thus arises from the blank 39 by machining by the robot 20 and by subsequent manual machining. The change between the drill and the marking pen is carried out with the aid of the tool changer 24.
Das so hergestellte Austauschstrukturteil 40 passt unmittelbar in den Aufnahmebereich 11 der aufnehmenden Struktur 10. Ein weiteres Einpassen ist grundsätzlich nicht erforderlich. The exchange structure part 40 produced in this way fits directly into the receiving area 11 of the receiving structure 10. A further fitting is fundamentally not necessary.

Claims

Patentansprüche Claims
1. Verfahren zur passgenauen Herstellung von Austauschstruk turteilen (40) aus einem Rohling (39) zum Ersatz beschädig ter, mit einer Vielzahl von Löchern zur Befestigung an ei ner aufnehmenden Struktur (10) versehener Strukturbauteile, mit den Schritten: a) 3D-Scannen des Aufnahmebereichs (11) für ein Austausch strukturteil (40) an der aufnehmenden Struktur (10) um fassend die Stoßkanten (12) für das Austauschstruktur teil (40) und die Bohrungen (13) zur Befestigung des Austauschstrukturteils (40); b) Extrahieren von Modelldaten der Stoßkanten (12) und/o der Bohrungen (13) an der aufnehmenden Struktur (10) aus der durch das 3D-Scannen gewonnenen Punktwolke (32) ; c) Übertragen der extrahierten Modelldaten der Stoßkanten (12) und/oder Bohrungen (13) auf Modelldaten für Be grenzungskanten (42) und Bohrungen (41) für das Aus tauschstrukturteil (40) mittels vorgegebener Übertra gungsfunktionen; d) Ermitteln kollisionsfreier Roboterbahnen (43) zur Über tragung der Modelldaten für Begrenzungskanten (42) und Bohrungen (41) für das Austauschstrukturteil (40) auf den Rohling (39) des Austauschstrukturteils (40); und e) Ansteuerung eines Roboters (20) gemäß der ermittelten kollisionsfreien Roboterbahnen (43) zur Übertragung der Modelldaten auf den Rohling (39) . 1. A method for the precise manufacture of exchange structural parts (40) from a blank (39) for replacing damaged ter, with a plurality of holes for attachment to a receiving structure (10) provided structural components, with the steps: a) 3D scanning the receiving area (11) for an exchange structure part (40) on the receiving structure (10) comprising the abutting edges (12) for the exchange structure part (40) and the bores (13) for fastening the exchange structure part (40); b) extracting model data of the abutting edges (12) and / o of the bores (13) on the receiving structure (10) from the point cloud (32) obtained by 3D scanning; c) transferring the extracted model data of the abutting edges (12) and / or bores (13) to model data for boundary edges (42) and bores (41) for the exchange structure part (40) by means of predetermined transfer functions; d) determining collision-free robot tracks (43) for transmitting the model data for boundary edges (42) and bores (41) for the exchange structure part (40) onto the blank (39) of the exchange structure part (40); and e) controlling a robot (20) according to the determined collision-free robot paths (43) for transferring the model data to the blank (39).
2. Verfahren nach Anspruch 1, 2. The method according to claim 1,
dadurch gekennzeichnet, dass das Extrahieren von Modelldaten der Stoßkanten (12) und/o der Bohrungen (13) an der aufnehmenden Struktur (10) aus der durch das 3D-Scannen gewonnenen Punktwolke (32) die Schritte umfasst: characterized in that Extracting model data of the abutting edges (12) and / or of the bores (13) on the receiving structure (10) from the point cloud (32) obtained by 3D scanning comprises the steps:
- Identifizierung von Punkten der Punktwolke (32) als - Identification of points of the point cloud (32) as
Randpunkte durch Berechnung einer Randpunktwahrschein lichkeit, vorzugsweise auf Basis des Winkelkriteriums, Halbscheibenkriteriums und/oder Formkriteriums; Edge points by calculating an edge point probability, preferably based on the angle criterion, half-disc criterion and / or shape criterion;
- Zusammenfassung der identifizierten Randpunkte in ein zelne jeweils eine oder mehrere Stoßkanten (12) oder eine Bohrung (13) beschreibende Randpunktgruppen, vor zugsweise basierend auf einer Abstandsmetrik; und - Summary of the identified edge points into an individual one or more abutting edges (12) or a hole (13) describing edge point groups, preferably based on a distance metric; and
- Bestimmen einer analytischen Beschreibung der Rand - Determine an analytical description of the edge
punkte jeder Randpunktgruppe. points of each edge point group.
3. Verfahren nach Anspruch 2, 3. The method according to claim 2,
dadurch gekennzeichnet, dass characterized in that
zur Bestimmung einer analytischen Beschreibung verschiedene analytische Beschreibungen vorgegebenen sind, wobei die vorgegebenen analytischen Beschreibungen einen 3D-Kreis zur Beschreibung von Bohrungen (13) umfassen. Various analytical descriptions are predefined for determining an analytical description, the predefined analytical descriptions comprising a 3D circle for describing bores (13).
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, 4. The method according to claim 2 or 3,
dadurch gekennzeichnet, dass characterized in that
vor oder nach dem Bestimmen der analytischen Beschreibung die für das Austauschstrukturteil (40) irrelevanten Rand punkte, Randpunktgruppen und/oder analytischen Beschreibun gen verworfen werden. before or after determining the analytical description, the marginal points, marginal point groups and / or analytical descriptions that are irrelevant for the exchange structure part (40) are discarded.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, 5. The method according to any one of the preceding claims,
dadurch gekennzeichnet, dass characterized in that
die Übertragungsfunktion zur Übertragung der extrahierten Modelldaten der Stoßkanten (12) auf Modelldaten für Begren zungskanten (42) Vorgaben hinsichtlich Abständen zwischen Stoßkanten (12) und Begrenzungskanten (42) berücksichtigen. the transfer function for transferring the extracted Consider model data of the abutting edges (12) on model data for boundary edges (42) specifications with regard to distances between abutting edges (12) and boundary edges (42).
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, 6. The method according to any one of the preceding claims,
dadurch gekennzeichnet, dass characterized in that
das Übertragen der Modelldaten auf den Rohling (39) das An zeichnen von Bohrungen und Begrenzungskanten, das Einbrin gen von Bohrungen und/oder das Fräsen von Begrenzungskanten umfasst . the transfer of the model data to the blank (39), the drawing of bores and boundary edges, the introduction of bores and / or the milling of boundary edges.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, 7. The method according to any one of the preceding claims,
dadurch gekennzeichnet, dass characterized in that
das 3D-Scannen berührungslos ist und vorzugsweise mit einem robotergeführten, optischen Messsystem (25) durchgeführt wird . the 3D scanning is contactless and is preferably carried out with a robot-guided optical measuring system (25).
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, 8. The method according to any one of the preceding claims,
dadurch gekennzeichnet, dass characterized in that
Modelldaten für Begrenzungskanten (42) und Bohrungen (41) für das Austauschstrukturteil vor der Ermittlung kollisi onsfreier Roboterbahnen (43) manuell überprüft und/oder be arbeitet werden. Model data for boundary edges (42) and bores (41) for the replacement structural part are manually checked and / or processed before the determination of collision-free robot paths (43).
9. Vorrichtung zur passgenauen Herstellung von Austauschstruk turteilen (40) aus einem Rohling (39) zum Ersatz beschädig ter, mit einer Vielzahl von Löchern zur Befestigung an ei ner aufnehmenden Struktur (10) versehener Strukturbauteile umfassend 9. Device for the precise manufacture of exchange structural parts (40) from a blank (39) for replacing damaged ter, with a plurality of holes for attachment to a receiving structure (10) provided structural components comprising
- einen 3D-Scanner zum Scannen des Aufnahmebereichs (11) für ein Austauschstrukturteil (40) an der aufnehmenden Struktur (10) umfassend die Stoßkanten (12) für das Austauschstrukturteil (40) und die Bohrungen (13) zur Befestigung des Austauschstrukturteils (40); - eine Steuerungs- und Berechnungsvorrichtung (30), die dazu ausgebildet ist: - A 3D scanner for scanning the receiving area (11) for an exchange structure part (40) on the receiving structure (10) comprising the abutting edges (12) for the exchange structure part (40) and the bores (13) for fastening the exchange structure part (40) ; - A control and calculation device (30), which is designed to:
- Modelldaten der Stoßkanten (12) und/oder Bohrungen (13) an der aufnehmenden Struktur (10) aus der durch das 3D-Scannen gewonnenen Punktwolke (32) zu extra hieren; - Extract model data of the abutting edges (12) and / or bores (13) on the receiving structure (10) from the point cloud (32) obtained by the 3D scanning;
- die extrahierten Modelldaten der Stoßkanten (12) - the extracted model data of the abutting edges (12)
und/oder Bohrungen (13) auf Modelldaten für Begren zungskanten (42) und Bohrungen (41) für das Aus- tauschstrukturteil (40) mittels vorgegebener Über tragungsfunktionen zu übertragen; und and / or to transfer bores (13) to model data for boundary edges (42) and bores (41) for the exchange structural part (40) by means of predetermined transfer functions; and
- Kollisionsfreie Roboterbahnen (43) zur Übertragung der Modelldaten für Begrenzungskanten (42) und Boh rungen (41) für das Austauschstrukturteil (40) auf den Rohling (39) des Austauschstrukturteils (40) zu ermitteln; und - Collision-free robot tracks (43) for transferring the model data for boundary edges (42) and bores (41) for the exchange structure part (40) to determine the blank (39) of the exchange structure part (40); and
- einen Roboter (20) zur Übertragung der Modelldaten auf den Rohling (39) gemäß der ermittelten kollisionsfreien Roboterbahnen (43) . - A robot (20) for transferring the model data to the blank (39) according to the collision-free robot tracks (43) determined.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, 10. The device according to claim 9,
dadurch gekennzeichnet, dass characterized in that
die Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens gemäß ei nem der Ansprüche 2 bis 8 ausgebildet ist. the device for performing a method is designed according to one of claims 2 to 8.
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