專利名稱：修復(fù)機(jī)器組件，例如，渦輪機(jī)組葉片或葉盤的葉片的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及修復(fù)機(jī)器組件，例如，渦輪機(jī)組葉片或葉盤(blisks)的葉片的領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)包括沿其軸旋轉(zhuǎn)的各種轉(zhuǎn)子。這些轉(zhuǎn)子包括圓盤，沿著該圓盤的邊 離接葉片。按照慣例，這些葉片通過其根部固定在用于固定的殼中。為了滿足日
益嚴(yán)格的發(fā)動(dòng)機(jī)性能的要求，目前這些轉(zhuǎn)子可以以一體式部件(singlepiece)制造。 因此，這被稱作葉盤(bladeddisks)(或blisks)。在葉盤中，葉片和圓盤就構(gòu)成一個(gè) 單獨(dú)的組件。為此，將鍛制毛坯加工成圓盤，葉片在圓盤的周圍方謝狀地伸出，所 有這些稱為一體式部件。還可以將一些部分焊接，得到的葉盤構(gòu)成一個(gè)一體式部件。 一體式轉(zhuǎn)子的優(yōu)點(diǎn)很多，特別是在重量方面。
在i頓過程中，葉片經(jīng)受(腐蝕、磨擦引起的)磨損以及各種撞擊導(dǎo)致的嚴(yán)重的損 壞(撕裂、毛邊(burrs)、破裂等)。因此，葉片的形貌發(fā)生改變，從而降低其空氣 動(dòng)力學(xué)性能。由于葉盤被制成一體式，不可能將用壞的葉片拆下并替換。所以需要 對其進(jìn)行修復(fù)以使該葉片恢復(fù)適當(dāng)?shù)目諝鈩?dòng)力學(xué)形貌。 現(xiàn)有技術(shù)描述
關(guān)于圖l，為了修復(fù)葉盤的葉片l，需要用用一片完好的材茅4^替損壞的部分，或者 添加材料以填補(bǔ)破損處11。這種添加的材料就是本領(lǐng)域技術(shù)人員所公知的"補(bǔ)片 (patoh)"。將補(bǔ)片2焊接到葉片1的表面，然后對該葉片進(jìn)行機(jī)械加工以恢復(fù)其空 氣動(dòng)力學(xué)形貌。對損壞的組件1進(jìn)行機(jī)械加工是需要技巧的操作，這需要特殊的和 具有高度精確的參數(shù)機(jī)床。特別地，由于在葉盤的使用過程中會發(fā)生形變和磨損， 待修復(fù)的葉盤的幾何形狀與其原始的幾何形狀不同。參數(shù)的確定一般憑經(jīng)，行， 并且是很復(fù)雜的，因?yàn)樵趯p壞的葉片恢復(fù)到其原始形狀的同時(shí)還要考慮葉盤磨損 的平均禾號。因此，為了倉嫩修復(fù)葉片，了解葉片的原始形狀是如何確定的很重要。 計(jì)算理論模型
關(guān)于圖2，以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的空氣動(dòng)力學(xué)計(jì)算21使得確定葉片22的理論模型成為
3可能。這種空氣動(dòng)力學(xué)計(jì)算21使得獲得被稱作空氣動(dòng)力學(xué)區(qū)的規(guī)定高程(水平橫斷
面(section level))的葉片的形貌成為可能。機(jī)械設(shè)計(jì)部門(MDD)將這些空氣動(dòng) 力學(xué)區(qū)轉(zhuǎn)化為貝塞爾(Bezier)曲線，并在空氣動(dòng)力學(xué)計(jì)算時(shí)預(yù)先確定的線框體
(wirefomevolume)。從該線框體中，MDD通j^這些曲線運(yùn)用數(shù)學(xué)的貝塞爾元素 構(gòu)建表面體(surface volume),從而實(shí)現(xiàn)按照所需形貌的切線和曲率最大可能的擬 合。使用能夠處理貝塞爾曲線的任意的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)包完成這種構(gòu)建。 這一組元素形成理論網(wǎng)格B。網(wǎng)格B被設(shè)計(jì)為精確地確定葉片的三維(3D)體
(volume)。該三維體由網(wǎng)格點(diǎn)構(gòu)成，網(wǎng)格元素可以為三角形、四邊形或其它多邊形。 在葉片的曲率最大的區(qū)域網(wǎng)格的密度較大。該理論的網(wǎng)格B用作旨工業(yè)化、機(jī)械 加工和檢驗(yàn)新組件的設(shè)計(jì)模式。
所述理論網(wǎng)格B不能用作修復(fù)的模式，因?yàn)樗荒芫唧w表現(xiàn)組件在其工作壽命期間 所經(jīng)受的磨損和形變。需要依賴于表示組件的當(dāng)前狀況的實(shí)際模型。 測量實(shí)際的組件
關(guān)于圖l，通過使用具有物理傳，懂或無觸點(diǎn)式測量的三維測量機(jī)器(3DMMs) 須糧組件表面的點(diǎn)的坐標(biāo)對損壞的組件1進(jìn)行基于體積的測量12。這然后產(chǎn)生相應(yīng) 于損壞的組件1的形狀的一組點(diǎn)A，被稱作點(diǎn)群(cluster of points),即A。 損壞組件的機(jī)械加工
為了修復(fù)損壞的組件，CAM (計(jì)算機(jī)輔助制造)軟件使用被稱作"變形 (MORPHING)"的函數(shù)使理論模型B變形為適于損壞組件1上觀察到的磨損和形 變的實(shí)際模型。
"反函數(shù)"對應(yīng)于損壞組件向新狀態(tài)的組件的轉(zhuǎn)換。該反函數(shù)為設(shè)定禾，的參數(shù)(為 了恢復(fù)正確的尺寸需要除去的厚度)所需要的函數(shù)，從而對該損壞的組件1進(jìn)行機(jī) 械加工。
目的在于找到理論模型形變的變形函數(shù)，以及得出能夠?qū)C(jī)床設(shè)定參數(shù)的反函數(shù)。 拓樸差異的測量
關(guān)于圖3，通過將所述點(diǎn)群，即A，與理論模型B比較，生成拓樸模型31，使《躺 定32厚度不足的區(qū)域和厚度過大的區(qū)域成為可能。然后根據(jù)通過變形33發(fā)生形變 的模型計(jì)算機(jī)械加工路線，并X寸組件34進(jìn)行機(jī)械加工以得到修復(fù)的組件3。 所述拓樸模型31包括一系列坐標(biāo)點(diǎn)(x， y， z， △)，其中，x、 y和z為點(diǎn)群A中 的各個(gè)點(diǎn)在三個(gè)相互垂直的軸上的坐標(biāo)，△為該點(diǎn)在法線上的投影到與所述點(diǎn)最近的理論網(wǎng)格元素之間的距離。
因此，如果A的值是正的，那么與戶腿理論模型B相比，該損壞的組件l的材料過 多；而如果A的值是負(fù)的，與戶脫理論模型B相比，該損壞的組件1的材料不足。
可以使用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)軟件(例如，商標(biāo)為CAT1A的商購軟件包)以 自動(dòng)化的方式得到拓樸模型31，從而使具有需要加工去掉多余材料的區(qū)域和需要添 加材料的區(qū)域形象化。 使用變性對網(wǎng)格進(jìn)行理論變性
為了通過變形使理論模型B發(fā)生形變，需要確定位移理論模型B的最適點(diǎn)，以最佳 地將點(diǎn)群(即A)中的點(diǎn)的最大值加入。這些點(diǎn)被稱作對照點(diǎn)。從而使該理論模型 B發(fā)生形變以得到與損壞組件1相一致的網(wǎng)格。 變形步驟的復(fù)雜性
對拓樸模型32進(jìn)行分析以進(jìn)行變形是一個(gè)復(fù)雜的步驟，需要經(jīng)驗(yàn)和高水平的專業(yè)技 術(shù)。這是因?yàn)槔碚摼W(wǎng)格B中的對照點(diǎn)的位置的任何改變對該發(fā)生形變的貝塞爾表面 的形狀和位置以及表面接觸的切線具有全面的影響。
還要關(guān)注葉片形狀的不規(guī)則處的曲率和切線情況。專家計(jì)算出理論模型B位移的最 適點(diǎn)，使得發(fā)生形變的理論模型與點(diǎn)群A的點(diǎn)之間的差別盡可能地小。 變形的方法是慢且復(fù)雜的步驟，變形的結(jié)果隨使用的專家而不同。因此，計(jì)算變形 函數(shù)是非常需要技巧的工作。因而不適于工業(yè)應(yīng)用。 為了緩解至少這些不足而進(jìn)行了本發(fā)明。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及一種j頓機(jī)械加工從組件的已知形貌修復(fù)組件工件的方法，所述組件工 件為例如，渦輪機(jī)組的葉片，該方、 ^矛舌如下步驟
a、 獲得所述組件工件的包絡(luò)面的點(diǎn)的坐標(biāo)，這一套點(diǎn)形成一個(gè)點(diǎn)群；
b、 將已知的形貌與所述點(diǎn)群相比較，以確定所述組件工件上厚度過大或過小的區(qū)域；
c、 使用變形方法4妙;f述形貌發(fā)生形變，使得發(fā)生形變的形貌加入所述點(diǎn)群，由所述
形貌的形變定義一個(gè)變形函數(shù)；以及
d、 {頓以戶腿變形函數(shù)為基礎(chǔ)而設(shè)定參數(shù)的機(jī)床對所述組件工件進(jìn)行機(jī)械加工。 根據(jù)本發(fā)明，在該方法中，使形貌發(fā)生形變包括將該具有過大或過小厚度的區(qū)域的 組件工件的各個(gè)區(qū)域與各個(gè)以網(wǎng)格部分的形式模擬所述形貌(B)的基本形變結(jié)構(gòu)(EDCs)以及模擬所述點(diǎn)群(A)的點(diǎn)相比較，所述基本形變結(jié)構(gòu)(EDCs)是編 入到 庫中的，該數(shù)據(jù)庫將變形函數(shù)的參數(shù)與各個(gè)基本形變結(jié)構(gòu)(EDC)關(guān)聯(lián)。 本發(fā)明的方法有利地使自動(dòng)i頓組件進(jìn)行機(jī)械加工稱為可能，戶腿變形函數(shù)的參數(shù) 是所述數(shù)據(jù)庫中已知的。
從該變形函數(shù)中，可以得出用于對待修復(fù)的組件進(jìn)行加工的機(jī)械設(shè)定參數(shù)的函數(shù)。 變形工序自動(dòng)化能夠?qū)π螤畈町惡推淙毕莶豢稍佻F(xiàn)的組件進(jìn)行的操作提供穩(wěn)定且精 確的可再現(xiàn)的工業(yè)化過程。這樣能節(jié)省時(shí)間、提高效率，從而節(jié)約成本。 ,地，所述組件的形貌為網(wǎng)格點(diǎn)的形式。
又 地，被稱作對照點(diǎn)的所述網(wǎng)格點(diǎn)的坐標(biāo)和位移向量為所述變形函數(shù)的參數(shù)， 所述網(wǎng)格點(diǎn)是待發(fā)生位移以加入所述點(diǎn)群。
還1M地，具有或不具有物理傳感的三維測量機(jī)器(3DMMs)獲得所述組件工件的 包絡(luò)面的點(diǎn)的坐禾示。
還優(yōu)選地，所述組件工件為已經(jīng)添加過材料的組件。
本發(fā)明還涉及一種用于實(shí)施本發(fā)明的方》去的數(shù)據(jù)庫，該數(shù)據(jù)庫將變形函數(shù)的參數(shù)與 基本形變結(jié)構(gòu)(EDC)關(guān)聯(lián)。


和優(yōu)選的實(shí)施方式
結(jié)合下面的描述和附圖可以更好地理解本發(fā)明，其中-
圖1描述了根據(jù)本發(fā)明獲得組件工件的包絡(luò)面上的點(diǎn)的坐標(biāo)的步驟；
圖2描述了根據(jù)本發(fā)明生成理論網(wǎng)格的步驟；
圖3描述了本發(fā)明的用于修復(fù)損壞的組件的方法的步驟；
圖4描述了根據(jù)本發(fā)明的方法，基于理i侖模型通過變形發(fā)生形變計(jì)^m械加工路線 的步驟；
圖5a描述了本發(fā)明的基本形變結(jié)構(gòu)；
圖5b描述了經(jīng)過變形發(fā)生形變后的圖5a的基本形變結(jié)構(gòu)；禾口 圖6描述了厚度過大的組件工件的區(qū)域。
關(guān)于圖4，在分析旨拓樸模型32之后，將厚度過大或過小的區(qū)域與存儲在具有參 數(shù)101的 庫100中的基本形變結(jié)構(gòu)(EDCs) 102相比較，參數(shù)101使得理論模 型B經(jīng)變形41而發(fā)生形變以計(jì)算機(jī)械加工路徑33。基本形變結(jié)構(gòu)(EDC)
基本形變結(jié)構(gòu)(EDC) 102是由貝塞爾曲郷艮定的參數(shù)化的表面。此處的EDC包括 由可以采用各種圖形的網(wǎng)格元件形成的網(wǎng)格部分，以及表示所述參數(shù)化的表面的實(shí) 際形貌的點(diǎn)。所述點(diǎn)和所述網(wǎng)格元件之間的距離表示該參數(shù)化的表面的理論和實(shí)際 形貌之間距離的差異。
基本形變結(jié)構(gòu)(EDC)是由變形函數(shù)的局部視點(diǎn)(local viewpoint)進(jìn)行的分析。EDC 包括模擬組件的理論形貌的網(wǎng)格部分的網(wǎng)格部分，以及模擬實(shí)際組件的測量點(diǎn)的一 些點(diǎn)。基本結(jié)構(gòu)EDC M實(shí)際組件與理論形貌之間的可能局部存在的差異進(jìn)行的 描述。
關(guān)于圖5a，為了更好地定義EDC，該EDC5包括由分布為三行和三列的九個(gè)網(wǎng)格 元素構(gòu)成的網(wǎng)格部分，每個(gè)網(wǎng)格元素具有四個(gè)邊。該EDC5還包括四個(gè)點(diǎn)A1、 A2、 A3、 A4o
各個(gè)點(diǎn)與其最近的網(wǎng)格元素間隔的距離由自所述點(diǎn)Al-A4開始沿法線到所述網(wǎng)格 元素的直線表示。這些距離與上文中關(guān)于拓樸模型定義的差異尺寸A相似。這些距 離越短，網(wǎng)格離這些點(diǎn)越近。
當(dāng)然，以參數(shù)化的表面的形式以及將表示發(fā)生形變的差異的值與表面上的各個(gè)點(diǎn)關(guān) 聯(lián)的EDC同樣是適用的。當(dāng)然，EDC以位圖劍科斤形式的數(shù)學(xué)表示為同樣皿用 的。
EDC變形參數(shù)在數(shù)據(jù)庫中的儲存
關(guān)于圖5a，在該EDC5的網(wǎng)格部分上描述了四個(gè)對照點(diǎn)B1-B4。這些點(diǎn)與中心網(wǎng)格 元素的角相對應(yīng)。移動(dòng)一個(gè)對照點(diǎn)會導(dǎo)致網(wǎng)格的貝塞爾曲線的旨改變，對網(wǎng)格元 素的各個(gè)邊的長度以及它們彼此的切線產(chǎn)生影響。
選擇待移動(dòng)的對照點(diǎn)及其位移向量使得通過變形使網(wǎng)格發(fā)生形變并更好地加入點(diǎn) Al-A4成為可能。
對于每個(gè)EDC和數(shù)據(jù)庫100，通過專家預(yù)先計(jì)算出這些參數(shù)并編入數(shù)據(jù)庫100中o 關(guān)于圖4，數(shù)據(jù)庫100將每個(gè)EDC102與這些參數(shù)101關(guān)聯(lián)。圖5以實(shí)施例的方式 描述了通過圖5a的EDC的網(wǎng)格的變形而發(fā)生的形變。對照點(diǎn)B2沿著向量V移動(dòng) 到B2、，從而使得網(wǎng)格中加入點(diǎn)Al-A4。例如，可以注意到在圖5b中，點(diǎn)A1-A4 與該網(wǎng)格之間的差縮小了。在數(shù)據(jù)庫綱中，EDC5與待發(fā)生位移的點(diǎn)B2的坐標(biāo)相 關(guān)聯(lián)，點(diǎn)B2的位移向量為V。在本實(shí)施例中，只有一個(gè)對照點(diǎn)，在這種情況下B2發(fā)生位移。但是，某些對照點(diǎn)
可以同樣發(fā)生位移以將點(diǎn)Al-A4加入。
麵庫100包括具有變化的網(wǎng)格和點(diǎn)位置的EDCs102，為此計(jì)算網(wǎng)格的最佳形變以 最佳地加入這些點(diǎn)。EDCsl02的曲率、凹度、網(wǎng)格元素的數(shù)目、連接的魏性以及 網(wǎng)格元素的切線各不相同。
典型的實(shí)施方式
已經(jīng)描述了本發(fā)明的方法的構(gòu)成，下面將解決本發(fā)明如何工作和實(shí)施。
關(guān)于圖3，將可能已經(jīng)添加了材料2的損壞的組件1的點(diǎn)群A與理論模型B相比較，
以生成組件1的整體拓樸模型31 。
對,拓樸模型進(jìn)行的分析32使得確定與厚度過大或過小的區(qū)域相對應(yīng)的局部拓 樸區(qū)域成為可能。分析之后，進(jìn)行計(jì)##1械加工路徑的步驟33和對組件1機(jī)械加工 的步驟34。關(guān)于圖6，將這些局部拓樸區(qū)域20分別與數(shù)據(jù)庫100中的EDCsl02相 比較。
這種比較^il過形狀差異、通過比例尺度和通過分析以理論網(wǎng)格B的網(wǎng)格元素的位 置的函數(shù)進(jìn)行的。
庫100包括大量的EDCsl02以能夠確定選定的局部拓樸區(qū)域20， EDCsl02從 數(shù)學(xué)意義上構(gòu)建了一個(gè)庫。當(dāng)EDC被確定時(shí)，與該EDC102關(guān)聯(lián)的參數(shù)101可以 從數(shù)據(jù)庫100中讀取，這些參數(shù)102使得局部拓樸區(qū)域20的網(wǎng)格B發(fā)生形變。 對每個(gè)局部拓樸區(qū)域20進(jìn)行這種比較步驟，以得到一系列使理論網(wǎng)格B發(fā)生形變 所需的局部參數(shù)101 。這些參數(shù)101是基于理論模型B計(jì)算機(jī)械加工路徑33所需要 的，以使損壞的組件1恢復(fù)正常的空氣動(dòng)力學(xué)形貌。
當(dāng)不能由 庫100確定局部拓樸區(qū)域20時(shí)，由專家對所述區(qū)域20的網(wǎng)格進(jìn)行形 變，該專家確定待移動(dòng)的對照點(diǎn)及其位移向量。
將局部拓樸區(qū)域和該區(qū)域的形變參數(shù)編入數(shù)據(jù)庫100，使得由專家計(jì)算出的參數(shù)可 以在以后再次使用。數(shù)據(jù)庫100的補(bǔ)充可以避免專家多次解決相j以的問題。通過變 形進(jìn)行形變是自動(dòng)化的。
1、組件工件
82、 材料的增添(補(bǔ)片)
3、 機(jī)械加工的組件 5、基本形變結(jié)構(gòu)
11、 添加材料的步驟
12、 對組件進(jìn)行基于體積測量的步驟
20、 局部拓樸區(qū)域
21、 空氣動(dòng)力學(xué)計(jì)算步驟
22、 生成理論模型的步驟
31、 拓樸模型的生成
32、 分析整個(gè)拓樸模型
33、 計(jì)算機(jī)械加工路45
34、 加工
41、使用變形使理論模型發(fā)生形變
100、 數(shù)據(jù)庫
101、 基本形變結(jié)構(gòu)
102、 變形函數(shù)的參數(shù)
權(quán)利要求
1、一種使用機(jī)械加工從組件的已知形貌修復(fù)組件工件的方法，所述組件工件為例如，渦輪機(jī)組的葉片，該方法包括如下步驟a、獲得所述組件工件的包絡(luò)面的點(diǎn)的坐標(biāo)，這一套點(diǎn)形成一個(gè)點(diǎn)群；b、將已知的形貌與所述點(diǎn)群相比較，以確定所述組件工件上厚度過大或過小的區(qū)域；c、使用變形方法使所述形貌發(fā)生形變，使得發(fā)生形變的形貌加入所述點(diǎn)群，由所述形貌的形變定義一個(gè)變形函數(shù)；以及d、使用以所述變形函數(shù)為基礎(chǔ)而設(shè)定參數(shù)的機(jī)床對所述組件工件進(jìn)行機(jī)械加工，其中，所述使所述形貌發(fā)生形變包括將具有過大或過小厚度的區(qū)域的所述組件工件的各個(gè)區(qū)域與各個(gè)以網(wǎng)格部分的形式模擬所述形貌的基本形變結(jié)構(gòu)(EDCs)以及模擬所述點(diǎn)群的點(diǎn)相比較，所述基本形變結(jié)構(gòu)(EDCs)是編入到數(shù)據(jù)庫中的，該數(shù)據(jù)庫將變形函數(shù)的參數(shù)與各個(gè)基本形變結(jié)構(gòu)(EDC)關(guān)聯(lián)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述組件的形貌為網(wǎng)格點(diǎn)的形式。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中，被稱作對照點(diǎn)的所述網(wǎng)格點(diǎn)的坐標(biāo)和位移向 量為所述變形函數(shù)的參數(shù)，所述網(wǎng)格點(diǎn)是待發(fā)生位移以加入所述點(diǎn)群。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1-3中任意一項(xiàng)所述的方法，其中，具有或不具有物理傳感的三維 測量機(jī)器(3DMMs)獲得所述組件工件的包絡(luò)面的點(diǎn)的坐標(biāo)。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1-4中任意一項(xiàng)所述的方法，其中，所述組件工件為已經(jīng)添加過材 料的組件。
6、 一種用于實(shí)施權(quán)利要求1-5中任意一項(xiàng)所述的方法的數(shù)據(jù)庫，該類鄉(xiāng)庫將變形函 數(shù)的參數(shù)與基本形變結(jié)構(gòu)(EDC)關(guān)聯(lián)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種使用機(jī)械加工從組件已知的形貌(B)修復(fù)組件工件(1)的方法，所述組件工件為例如，渦輪機(jī)組葉片，該方法包括使用變形方法使形貌(B)發(fā)生形變的步驟(32)，從而使發(fā)生形變的形貌加入所述組件上測得的點(diǎn)群(A)。使形貌(B)發(fā)生形變包括將具有厚度(20)過大或過小的所述組成工件(1)的各個(gè)區(qū)域與各個(gè)以網(wǎng)格部分或點(diǎn)的形式模擬的基本形變結(jié)構(gòu)(EDCs)(5)相比較，所述基本形變結(jié)構(gòu)(EDCs)(5)是編入到數(shù)據(jù)庫(100)中的，數(shù)據(jù)庫(100)將變形函數(shù)的參數(shù)(101)與各個(gè)基本形變結(jié)構(gòu)(EDC)(102)關(guān)聯(lián)。
文檔編號B23P6/00GK101641181SQ200880009204
公開日2010年2月3日 申請日期2008年3月19日 優(yōu)先權(quán)日2007年3月20日
發(fā)明者克勞德·龍奈特, 斯坦弗尼·科內(nèi)斯, 格哈德·德里恩, 魯?shù)峦啤どw斯 申請人:斯奈克瑪