在多軸工具機上對部件加工的方法及執行該方法的裝置與流程

2024-02-20 20:11:15 1

本發明涉及對部件進行加工的工藝。本發明涉及在由NC控制器所驅動的多軸工具機上對部件進行加工的方法。本發明還涉及用於一種執行該方法的裝置。

背景技術：

現在，例如對渦輪葉片的加工（例如，在再處理期間，也用於隨後加工步驟的準備）是利用關於標稱幾何形狀（標準加工）的信息或者關於標稱和實際幾何形狀（自適應加工）的信息而完成。

就由梯度材料或不同材料的層（例如基底材料外加一層或多層的塗層）所製成的零部件或部件而言，對表面材料的檢測（材料組成/化學元素）現在經常是通過目視而完成，有時也在需要採用破壞性方法或者非破壞性方法的特殊設備的分析步驟中完成。

然而，關於實際層材料組成的信息對於材料去除（例如通過銑削、磨削、電火花加工（EDM）、雷射燒蝕，等）和/或材料添加（例如通過雷射熔覆、選擇性雷射熔化，等）的控制會是必不可少的。

現有技術的自適應加工工藝利用幾何信息（標稱的和測量的）而生成用於加工刀具的刀具路徑。這是利用市售的軟體包（例如從DELCAM獲得）而完成。

自適應加工被描述於各種文件中。

例如，文件US 8,578,579B2公開了一種修復的方法，該方法包括去除部件的變形部分從而確定原始部件部分、和將替換部分添加到原始部件部分。基於原始部件部分的一個或多個參數並且基於該部件的一個或多個原始設計參數，自適應地對該替換部分進行加工。

文件US 8,442,665B2公開了一種系統，該系統包括具有不合格區的三維物體、和適合於對該三維物體進行掃描的攝影測量裝置。該系統還包括光學參考目標、和構造成執行修復三維物體的功能的控制器。控制器命令攝影測量裝置對三維物體進行掃描，並且計算三維物體的標稱表面位置和輪廓。控制器還命令攝影測量裝置對三維物體的不合格區進行掃描，並且計算出材料去除刀具路徑，該路徑包括適合於從位於超過標稱表面位置和輪廓的物體中去除材料的路徑。控制器基於標稱表面位置和輪廓而生成該物體的受損區域的實體模型，並且根據該實體模型計算出材料添加刀具路徑。

文件US 2011276166A1公開了一種用於對基材（如薄膜、太陽能電池板等）進行修改、檢測誤差和/或變化、以及如果需要重新優化產品設計和/或錠殼（fly）上的工藝參數使得產品可以符合產品規格的方法和系統。這使可以實時地自適應地改變產品設計的用於工藝控制的方法和系統成為可能。

文件US 2013158698A1涉及一種CIGS薄膜太陽能電池的製造加工系統，更具體地涉及一種CIGS薄膜太陽能電池的製造加工系統，該製造加工系統裝備有利用雷射誘導擊穿光譜技術來描繪CIGS薄膜的基本部件的輪廓的實時分析設備。該系統提供用於通過在CIGS薄膜太陽能電池的連續生產加工線上實時地測量產品的物理和化學性質而判斷是否存在異常並且在此同時通過將反饋提供給CIGS製造工藝而實施生產和質量管理的工藝控制系統。

然而，將會非常有利的是包含關於在該加工工藝中待加工部件的（變化的）局部材料組成的信息，以便優化在所述部件的某些表面區域中的材料去除和/或沉積。

檢測材料組成的一種手段是光譜分析。

然而，現在所提供的這種光譜儀不是在工具機的內部使用。

一般來說，關於化學組成的信息（用光譜儀測量的）現在並不用於自適應製造工藝。

技術實現要素：

本發明的一個目的是將光譜分析裝置整合入在由NC控制器所驅動多軸工具機上的加工工藝中。

本發明的另一個目的是提供一種材料數據採集和分析方法，並且將其反饋提供給自適應刀具路徑生成。

這些和其它的目的是通過根據權利要求1的方法和根據權利要求12的裝置而實現。

根據本發明，用於在由NC控制器所驅動的多軸工具機上對部件進行加工的方法包括以下步驟：

a）將所述部件插入所述工具機；

b）將所述部件固定在所述工具機中，其中所述工具機的刀具可到達待加工的表面；

c）利用光譜分析工具標繪（map）所述被插入且被固定部件的所述表面上的材料組成；

d）基於所述標繪的材料組成，而確定用於從所述部件中去除材料或者向所述部件添加材料的區域；

e）確定用於從所述部件中去除材料或者向所述部件添加材料的的刀具路徑；和

f）利用所述工具機沿所述確定的刀具路徑在所述確定的區域中，從所述部件中去除材料或者向所述部件添加材料。

本發明方法的一個實施例的特徵在於，為待加工的所述部件的所述表面提供具有多個規定的或任意的光柵點的光柵，以及在所述光柵的所述光柵點處標繪所述部件的所述材料組成。

本發明方法的另一個實施例的特徵在於，從所述部件中去除材料的所述步驟包括磨削、銑削、電火花加工（EDM）、或其它材料去除工藝中的一種。

本發明方法的又一個實施例的特徵在於，向所述部件添加材料的所述步驟包括雷射金屬成形（LMF）、或者其它材料添加工藝。

特別是，基於所述部件的CAD模型而確定具有所述多個光柵點的所述光柵。

可替代地，具有所述多個光柵點的所述光柵是基於對所述部件的幾何形狀的掃描。

本發明方法的再一個實施例的特徵在於，利用相同或不同的刀具重新執行步驟（c）至（f）至少一次。

本發明方法的又一個實施例的特徵在於，所述部件是燃氣輪機的零部件。

特別是，所述部件是渦輪葉片。

本發明方法的另一個實施例的特徵在於，將所述光譜分析工具安裝於在所述工具機內部的固定位置。

可替代地，所述工具機裝備有刀具更換器，並且將所述光譜分析工具設置在所述工具機的所述刀具更換器中。

根據本發明的用於執行本發明方法的裝置包括由NC控制器所驅動的多軸工具機，該工具機具有用於從被插入且被固定在所述工具機中的部件中去除材料或者向該部件添加材料的刀具。其特徵在於，將光譜分析工具設置在所述工具機中，用於標繪所述被插入且被固定的部件的表面的材料組成。

根據本發明的裝置的一個實施例的特徵在於，將所述光譜分析工具安裝於在所述工具機內部的固定位置。

可替代地，所述工具機裝備有刀具更換器，並且將所述光譜分析工具設置在所述工具機的所述刀具更換器中。

附圖說明

現在通過不同的實施例並參照附圖來更詳細地說明本發明。

圖1示出了根據本發明一個實施例的加工工藝的各種步驟的流程圖；

圖2示出了作為由本發明加工工藝所加工的示例性部件的、具有表面光柵的渦輪葉片；

圖3a-圖3d示出了根據本發明一個實施例的在加工工藝期間的圖2的渦輪葉片的各種狀態；

圖4示出了根據本發明的具有光譜分析能力的裝置的一個實施例。

具體實施方式

本發明在自適應製造工藝中採用了在工具機內部的材料識別。

如圖4中所示，光譜分析工具（或裝置）27具體化為被併入由NC控制器所驅動的多軸工具機20中的組合體，其中把待加工部件19插入並固定在工作檯21上。由安裝腳22支撐工作檯21。刀具夾持器26可在豎直反向上在豎直滑架25上移動，該滑架25可以在第一水平方向上沿橫梁24移動。橫梁24可以在第二水平方向上在導軌23上移動。可提供另外的旋轉軸。工具機20還裝備有容納各種加工刀具30的刀具更換器29。

圖4中還示出了由刀具夾持器26所保持的光譜分析工具27，以便利用光譜束28來確定部件19的表面上的材料組成。該構造使自適應製造工藝成為可能，其中可對材料界面或材料組成進行檢測，並且將此信息用於確定加工工藝和/或刀具路徑。

根據圖1，利用這種構造可以實現加工工藝：

首先，將待加工的零部件或部件19（例如，如圖2中所示的渦輪葉片10）插入工具機20（這裡被稱為「CNC工具機」）並且固定在工作檯21或等效的夾具上。圖2的渦輪葉片10包括具有前緣14和後緣15的翼型件11。在一端，翼型件11終止於葉片尖端13，而將平臺12設置在另一端。

在下一步驟中，將光譜分析工具27用於部件19的表面的光譜檢測。該光譜分析工具被固定地安裝在所述工具機20上或者如同常規刀具一樣利用刀具夾持器26將其從刀具更換器29中取出。光譜分析工具27可通過無線或有線的方式與工具機20的加工控制裝置進行通信聯繫，從而將所收集的材料組成數據傳輸至中央計算機系統。

然後，利用所述光譜分析工具27在光柵31（圖2）的某些光柵點（圖2中的32）處標繪部件19的表面的材料組成。計算機系統基於部件19的CAD模型或者所述零部件的幾何形狀掃描而對光柵31進行計算。

將標繪工藝的結果示於圖3a，其中對含有不同於在所述區域外部的材料的材料的區域16進行識別和計算。例如，區域16可含有塗層或被耗減的基層，其必須通過隨後加工工藝加以去除，而在區域16外部的表面含有不需要任何去除的基底材料。

在下一步驟中，通過如磨削或銑削或電火花加工（EDM）的第一材料去除工藝或步驟將區域16中的材料去除，在此基於所確定的區域16而計算出用於所使用的材料去除刀具的刀具具體路徑。

圖3b示出了在該第一材料去除步驟之後的渦輪葉片10，其中較小的待去除材料的區域17仍然保留。

在下一步驟中，可通過一個或多個另外的材料去除步驟，用相同或不同的刀具將區域17中的材料完全地去除。

當材料去除結束時（圖3c），計算機系統仍然可利用各種區域邊界16a、17a而獲知材料去除的經歷，因此可以根據該材料去除經歷在一個或多個重複的附加步驟中添加新的材料，例如通過雷射金屬成形（LMF）等。渦輪葉片10最後包括被添加材料的區域18（圖3d）。

總之，本發明採用了在工具機內部的材料檢測和自適應刀具路徑生成，從而實現基於材料的閉環製造工藝。該工藝使部件的精確、快速的重新加工（材料去除和添加）成為可能，該工藝是：

●避免不必要的或者甚至不利的材料去除的先決條件（例如通過銑削等）

●使材料添加中的優化的粘接質量成為可能（例如通過雷射熔覆等）。

附圖標記的列表

10 渦輪葉片

11 翼型件

12 平臺

13 葉片尖端

14 前緣

15 後緣

16、17、18 材料區域

16a，17a 區域邊界

19 部件（待加工，例如渦輪葉片）

20 由NC控制器所驅動的多軸工具機

21 工作檯

22 安裝腳

23 導軌

24 橫梁

25 豎直滑架

26 刀具夾持器

27 光譜分析工具

28 光譜束

29 刀具更換器

30 加工刀具

31 光柵

32 光柵點。