DE4223483C2 - Verfahren zur Bestimmung der Form- und Lageabweichungen von Fertigungsteilen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Bestimmung der Form und/oder Nominallage bzw. der Form- und Lageabweichungen von Fertigungsteilen, vorzugsweise von im Feingußverfahren hergestellten Triebwerksschaufeln, in einem Aufnahmesystem verbunden mit einem ortsfest angeordneten Meßtastersystem, wobei die Fertigungsteile über Aufnahmepunkte in eine definierte Lage gebracht werden.

Das durch die Erfindung zu verbessernde technische Problem ist darin zu sehen, daß oft geringfügige Formabweichungen der Fertigungsteile bzw. Turbinenschaufeln in der Aufnahmevorrichtung zu großen Lageabweichungen führen, die durch die Meßeinrichtung registriert werden und das Gußteil Ausschuß werden lassen oder nachträgliche Formveränderungen am Teil notwendig machen. Derartige Formveränderungen, die z. B. beim Richten mit erheblichen mechanischen Beanspruchungen verbunden sind, sind bei rißempfindlichen Werkstoffen, wie z. B. den gegossenen Turbinenschaufeln nicht möglich. Durch Lageabweichungen des Gußstückes in der Aufnahmevorrichtung kommt es im Schaufelblatt oft ebenfalls zu Lageveränderungen, die den Gasdurchsatz im Triebwerk negativ beeinflussen können.

In der Zeitschrift Qualitätstechnik Nr. 30, 1985, Seiten 279 ff sind Anwendungsmöglichkeiten von dreidimensionalen Koordinaten-Meßgeräten zur Fertigungsüberwachung beschrieben. Bei diesen Meßgeräten werden in einer Aufnahmevorrichtung die wichtigsten Maße durch punktförmiges Abtasten ermittelt. Problematisch ist dabei die genaue Positionierung der Teile, da Positionierungsgenauigkeiten zu scheinbaren Formabweichungen führen können. Nach dem dort beschriebenen Best-Fit-Verfahren soll dieses Problem dadurch gelöst werden, daß man mit Hilfe eines Rechnerprogrammes die für die Funktion des Werkstücks wichtigen Maße wählt und bestimmt, in welchen Achsen und durch welche Drehung das Werkstück rechnerisch neu auszurichten ist. Dieses Verfahren ist sehr aufwendig und kann nur bei einzelnen Werkstücken und nicht bei der Serienproduktion eingesetzt werden.

Im Tagungsband der Opto-7-Messe Nürnberg 1990 hat Klaus Fricke optische Meßtechniken zum flächenhaften Messen und Prüfen beschrieben. Dabei ist angegeben, daß die Gestalt von räumlich kompliziert geformten Bauteilen, wie Zylinderbrennräumen oder Turbinenschaufeln mit flächenhaften Lichtschnittverfahren (lichtoptische Konturmeßverfahren) ermittelt werden können. Damit ist zwar eine berührungslose Prüfung von einzelnen Bauteilen auf die Einhaltung ihrer Formtoleranz möglich, über die Verwendung der Meßergebnisse bei der weiteren Verarbeitung der Werkstücke ist dabei aber nichts ausgesagt.

Aus der US 43 80 696 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum automatischen Schweißen bekannt, bei dem in einem ersten Lernschritt die Steuerdaten für die Bewegung des Schweißarms längs dem erforderlichen Schweißpfad für das in einer Soll-Lage angeordnete Werkstück in einer Steuervorrichtung abgespeichert werden. In einem zweiten Schritt wird das Werkstück von einer am Schweißarm angeordneten Kamera erfaßt, während der Schweißarm dem einprogrammierten Schweißpfad folgt. Die dabei erhaltenen Bildinformationen werden als Nominalwerte gespeichert. In der eigentlichen Produktionsphase folgt der Schweißarm zunächst dem einprogrammierten Schweißpfad; dabei erfaßt die am Schweißarm befestigte Kamera die Lage und Geometrie der zu verschweißenden Kanten des jeweiligen Werkstücks. Die erhaltenen Bildinformationen werden mit den abgespeicherten Nominalwerten verglichen und erfaßte Abweichungen werden bei dem folgenden Schweißvorgang als Korrektur berücksichtigt.

Aufgabe der Erfindung ist es ein gattungsgemäßes Verfahren vorzuschlagen, das auch in der Serienfertigung verwendet werden kann und Vorteile für die weitere Bearbeitung bietet.

Die Lösung dieser Aufgabe ist im Kennzeichen des Anspruches 1 wiedergegeben. In den Unteransprüchen 2 bis 4 sind ergänzende Erfindungsvorschläge gemacht worden.

Erfindungsgemäß ist zur Optimierung der Schaufellage mit der Aufnahmevorrichtung im Meßpunktsystem vorgesehen, daß einerseits rechnergesteuert nach dem Best-Fit-Verfahren eine Minimierung der Abweichung der Meßpunkte von den Nominalwerten erreicht wird und andererseits gleichzeitig durch die flächenhafte Erfassung der gesamten Profillage im Aufnahmesystem mit Hilfe eines lichtoptischen Konturenmeßverfahrens die räumliche Profillage erfaßt und die erforderliche Lageänderung des Profils im Raum im Rechner berechnet wird.

Es hat sich überraschenderweise gezeigt, daß erfindungsgemäß unter Verwendung eines lichtoptischen Konturmeßverfahrens Lage- und Formabweichungen gegenüber der Nominallage bzw. -form in dem Aufnahme- und Bearbeitungssystem festgestellt werden können und dadurch eine Lageoptimierung der Schaufel möglich ist. Die sich darstellenden Maßabweichungen sind dabei erheblich geringer als bei der bisherigen Lehrentechnik. Hierdurch wird oft notwendiger oder auch kritischer Richtaufwand minimiert oder ganz vermieden. Anschließend werden erfindungsgemäß die festgestellten Meßdaten einem nachgeschalteten Bearbeitungssystem zur weiteren Verwendung übergeben. Dieses Bearbeitungssystem kann eine CNC-gesteuerte Bearbeitungsmaschine oder ein Schleifroboter sein. Dieses Bearbeitungssystem kann direkt mit dem Aufnahmesystem verbunden sein. Es kann aber auch räumlich getrennt sein, so daß die gespeicherten Daten gemeinsam mit der Seriennummer des Fertigungsteiles an die nachfolgende Bearbeitungsmaschine weitergegeben werden muß.

Das Prinzip des erfindungsgemäßen Meßverfahrens wird anhand der beigefügten Fig. 1 bis 3 beispielsweise näher erläu­ tert.

Fig. 1 zeigt das Verfahren der flächenhaften Kontur-Mes­ sung mit Formvergleich in einem CAD-System,

Fig. 2 zeigt das Verfahren der Kontur-Messung mit Refe­ renz-Generierung in einem CAD-System,

Fig. 3 zeigt das Verfahren der Kontur-Messung zur Erfas­ sung der Form- und Lageabweichung im Aufnahmesy­ stem.

In den Figuren ist die Schaufel in dem Aufnahmesystem darge­ stellt. Dabei werden auf die Schaufel Streifen projiziert, welche über die CCD-Meßkamera und ein Rechnerprogramm ausge­ wertet werden, um die Tiefeninformationen bzw. die Informa­ tionen über die Lage und Form der Schaufel zu erhalten.

Gemäß Fig. 1 wird die Schaufel bezüglich einer Referenzebe­ ne ausgerichtet und die Kontur der Schaufel erneut bestimmt. Diese Kontur wird über eine Freiform-Flächenschnittstelle an ein CAD-System übergeben. Hier wird nun die Verformungsana­ lyse durchgeführt.

Nach der Darstellung in Fig. 2 liegt in einem CAD-System das 3 D-Flächenmodell der nominalen Schaufel vor, mit dessen Hilfe ein Referenzdatensatz erzeugt wird. Dieser wird über eine Freiform-Flächenschnittstelle (VDA-FS) an den Kontur- Rechner übergeben. Hier kann nun bezüglich dieser Daten eine Best-Fit-Einpassung der zu messenden Schaufel vorgenommen werden. Danach wird die Verformung der Schaufel bestimmt.

Nach Fig. 3 wird am Kontur-Meßplatz über die Kontur-Erfas­ sung mit den Meßdaten P (X,Y,Z,)Y⟂(X,Z) die Abweichung der Profillage der Schaufel gegenüber der nominalen Profillage bestimmt. Diese Lageänderung wird auf das Bearbeitungskoordinatensystem transformiert und an die CNC-Bearbeitungsmaschine oder einen Schleifroboter überge­ ben.

Claims (4)

1. Verfahren zur Bestimmung der Form und/oder Nominallage bzw. der Form- und Lageabweichungen von Fertigungsteilen, vorzugsweise von im Feingußverfahren hergestellten Triebwerksschaufeln, in einem Aufnahme­ system verbunden mit einem ortsfest angeordneten Meßtastersystem, wobei die Fertigungsteile über Aufnahmepunkte in eine definierte Lage gebracht werden, dadurch gekennzeichnet, daß

• - mit Hilfe eines lichtoptischen Konturmeßverfahrens flächenhaft die Lageänderung des Fertigungsteils gegenüber der Nominallage und/oder die Formabweichungen gegenüber der Nominalform gemessen wird,
• - unter gleichzeitiger Verwendung eines rechnergesteuerten Meßlehren- Best-Fit-Verfahrens eine neue Ausrichtung für das Fertigungsteil, welche die kleinste Soll-Ist-Abweichung für das Fertigungsteil ergibt, berechnet wird,
• - das Fertigungsteil in dem Aufnahmesystem entsprechend der Berechnung neu ausgerichtet wird und
• - die Daten über die Lage- und Formabweichungen des Fertigungsteils von den Nominalwerten dem Bearbeitungssystem mitgeteilt und bei der weiteren Bearbeitung des Fertigungsteils berücksichtigt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Aufnahme­ system mit einem Bearbeitungssystem verbunden ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lage- und/oder Formänderungen im Aufnahme- und/oder Bearbeitungs­ system im Vergleich zu einem maßgenauen Musterfertigungsteil bestimmt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Lage- und/oder Formänderungen im Aufnahme- und/oder Bearbeitungs­ system unter Verwendung eines dreidimensionalen Flächenmodells in einem CAD-System bestimmt werden.