DE102007048588A1

DE102007048588A1 - Verfahren zum Nachbearbeiten eines extern vorgefertigten Formteils

Info

Publication number: DE102007048588A1
Application number: DE102007048588A
Authority: DE
Inventors: Steffen Ehlert
Original assignee: EEW MASCHB GmbH; EEW MASCHINENBAU GmbH
Current assignee: EEW MASCHB GmbH; EEW MASCHINENBAU GmbH
Priority date: 2007-10-01
Filing date: 2007-10-01
Publication date: 2009-04-02
Also published as: WO2009046925A9; WO2009046925A1

Abstract

In einem Verfahren zum Nachbearbeiten eines extern vorgefertigten Formteils, zu dem CAD-Daten vorliegen, wird das Formteil in einer CNC-Bearbeitungsvorrichtung platziert. Positionierungsdaten für einen Scanner werden, basierend auf den als Soll-Daten für die Form des Formteils dienenden CAD-Daten, b CNC-Bearbeitungsvorrichtung unter Verwendung der Positionierungsdaten abgetastet, und Ist-Daten für die Form des Formteils werden aus den von dem Scanner aufgenommenen Messsignalen ermittelt. Das Formteil wird in der CNC-Bearbeitungsvorrichtung entsprechend den Abweichungen zwischen den Ist-Daten und den Soll-Daten nachbearbeitet, falls die Ist-Daten außerhalb von Toleranzgrenzen von den Soll-Daten abweichen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Nachbearbeiten eines extern vorgefertigten Formteils, zu dem CAD-Daten vorliegen, in einer CNC-Bearbeitungsvorrichtung sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Das Verfahren ist besonders geeignet für Hochgeschwindigkeitsbearbeitungsgeräte, wie sie insbesondere für die Bearbeitung großer -Bauteile (z. B. Rotorblätter von Windenergieanlagen) benutzt werden.
Ein Hochgeschwindigkeitsbearbeitungsgerät ist in der EP 1 344 600 A1 beschrieben. Dort geht es um die Nutzung einer Tragwerkstruktur zur Führung einer hochgenauen Fräsmaschine.
Es ist bisher nicht üblich, die unvermeidbaren Produktionsabweichungen sehr großer Bauteile (Längserstreckung z. B. 20 m bis 80 m) in einem Fertigungsprozess zu ermitteln, zu bewerten und mit dem gleichen Bearbeitungsportal (z. B. Hochgeschwindigkeitsbearbeitungsgerät) die korrigierenden Maßnahmen einzuleiten.
In den letzten Jahren haben sich, bedingt durch den sich verbreitenden Einsatz derartiger Fräsmaschinen, die Anforderungen an große genaue Formen und die daraus abgeformten Freiformgeometrien gesteigert. Während es anfangs genügte, große Teile in einem Abformungsverfahren zu produzieren, werden jetzt wesentliche höhere Anforderungen an die Konturgenauigkeit des Endproduktes (z. B. eines Rotorblatts für die Windenergie) gestellt, z. B. aufgrund der aerodynamischen Anforderungen an das Blattprofil. Die Endkontur wird bisher per Hand erstellt, was entsprechende Einschränkungen in der Genauigkeit mit sich bringt (Manufaktur). Eine computergesteuerte Fräsmaschine verfügt per se nicht über die gesteigerten Fähigkeiten der Inspektion und Nachbearbeitung von Toleranzabweichungen.
Große dreidimensionale Freiformen werden häufig nicht direkt, sondern in einem Abformungsverfahren als extern vorgefertigte Formteile erstellt (z. B. Rotorblätter für die Windenergie, Formen in der Yachtindustrie). Die dafür notwendige Form unterliegt im Entformungsprozess starken Kräften, die sie in ihrer Genauigkeit/Maßhaltigkeit verändern können. Dieser Umstand sowie der teilweise stark durch Handarbeit geprägte Prozess können dazu führen, dass das Produkt der Entformung, die dreidimensionale Freiform, die Maßhaltigkeit über den Prozess mehrerer Entformungen verändert und damit eventuell die erlaubten Toleranzen nicht einhält. Es kommt also zu einer unerwünschten Abweichung zwischen der Ist-Geometrie und der Soll-Geometrie.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Möglichkeit zu schaffen, bei Verwendung extern vorgefertigter Formteile, die nur eine mäßige Genauigkeit aufweisen, automatisiert Produkte mit hoher Genauigkeit fertigen zu können.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Nachbearbeiten eines extern vorgefertigten Formteils mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen. Der Anspruch 12 betrifft eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Grundsätzlich gilt zwar, dass eine CNC-Maschine (CNC-Bearbeitungsvorrichtung) sich nicht selbst kontrollieren kann, weil das der Maschinengenauigkeit zugrunde liegende Messsystem nicht herangezogen werden kann, um das mit ihm produzierte Arbeitsergebnis zu überprüfen. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es aber, mit der CNC-Maschine einen Scanner anzusteuern, um Ist-Daten für die Form des Formteils zu ermitteln, was eine Kontrolle erlaubt.
Bei großen vorgefertigten Formteilen (z. B. von 35 m bis 80 m Länge) machen deren Größe, der Transport und das Handling, auch in der Produktion, es wünschenswert, dass möglichst viele Arbeitsschritte an einem Platz erfolgen. Die Endbearbeitung und die abschließende Prüfung sollten idealerweise geschehen, ohne das Produkt zu bewegen. Dies erfordert Lösungen, die eine Freiform an ihrem Platz belassen und sofort nach einem Prüfprozess aufgrund von festgestellten Abweichungen von der Soll-Geometrie Korrekturmaßnahmen einleiten. All dies ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren. Es entsteht ein integriertes Arbeitsverfahren, das es erlaubt, große Bauteile nicht mehr zu bewegen, sondern sie stattdessen in ihren Referenzen-Positionen innerhalb eines großen CNC-Portals zu belassen. Dies ermöglicht eine schnelle Korrektur von Produktionsabweichungen.
Die Erfindung beschreibt also ein Verfahren, mit dem insbesondere große dreidimensionale Freiformen mit einem Hochgeschwindigkeitsbearbeitungsgerät, z. B. einer Hochgeschwindigkeitsfräse, auf ihre Genauigkeit hin überprüft werden können. Aus den Ergebnissen der Überprüfung können, falls erforderlich, automatisiert nächste Arbeitsschritte erzeugt werden, die es dem Hochgeschwindigkeitsbearbeitungsgerät ermöglichen, die zuvor gemessenen Abweichungen vom Soll-Zustand mit Hilfe von individuell wählbaren Applikationen zu beseitigen und damit die Maßgenauigkeit (Maßhaltigkeit) der dreidimensionalen Formteile zu verbessern.
CNC-Bearbeitungsvorrichtungen, insbesondere Hochgeschwindigkeitsbearbeitungsgeräte wie z. B. Hochgeschwindigkeitsfräsen, dienen normalerweise dazu, größere Werkstücke bis zu einigen 10 m Länge mit Hilfe von Fräs- und Schneidwerkzeugen möglichst genau herzustellen, wobei in der Regel vorbestimmte Computerdaten (insbesondere CAD-Daten) benutzt werden. Die Erfindung nutzt aus, dass es die Genauigkeit der Hochgeschwindigkeitsgerate aber auch ermöglicht, dreidimensionale Freiformen (Formteile) auf ihre Genauigkeit hin zu überprüfen, indem Präzisionsmessgeräte mit dem Hochgeschwindigkeitsbearbeitungsgerät kombiniert zum Einsatz gebracht werden. Dazu werden vorzugsweise Ist-Daten für die Form des Formteils ermittelt, indem ein Scanner das Formteil unter Verwendung von Positionierungsdaten abtastet, die einem konstanten Abstand zu einer Oberfläche entsprechend den CAD-Daten (Soll-Daten) für das Formteil entsprechen. Derartige Positionierungsdaten verhindern, dass der Scanner gegen das Formteil fährt, und aus dem Unterschied zwischen den von dem Scanner gemessenen Ist-Daten und den Soll-Daten ergeben sich die erforderlichen Korrekturen oder Daten für die Nachbearbeitung.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen weiter erläutert. Die Zeichnungen zeigen in
1 den oberen Teil eines Ablaufdiagramms für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und
2 den unteren Teil des Ablaufdiagramms, wobei der obere Teil und der untere Teil an den Stellen "Prozessschnittstelle 1" und "Prozessschnittstelle 2" zusammengefügt werden.
Da die einzelnen Arbeitsschritte und Verfahrensstufen, die in den 1 und 2 dargestellt sind, als solche einem Fachmann bekannt sind, ist das Ablaufdiagramm aus sich heraus verständlich und braucht nicht im Detail erläutert zu werden.
Das nachfolgend schwerpunktmäßig beschriebene Verfahren ermöglicht die Ermittlung des genauen Ist-Zustandes der Geometrie einer dreidimensionalen Freiform (extern vorgefertigtes Formteil) durch Vermessung mit einem Scanner und die Einleitung der notwendigen Maßnahmen, um mit Hilfe der Möglichkeiten eines Hochgeschwindigkeitsbearbeitungszentrums (schnelle CNC-Bearbeitungsvorrichtung) die Soll-Geometrie zu erreichen:

a) Montage eines Scanners am Hochgeschwindigkeitsbearbeitungszentrum und Scannen der Geometrie des Freiform-Teils. Dazu ist eine Kombination der Scannerfunktion mit der Steuerung des Hochgeschwindigkeitsbearbeitungszentrums notwendig. Die Bewegung des Hochgeschwindigkeitsbearbeitungszentrums basiert dabei auf der bekannten Soll-Geometrie des Freiform-Teils.
b) Rechnergestützter Soll-Ist-Vergleich zwischen der mit Hilfe des Scanners erfassten Geometrie (Ist-Daten) und den Soll-Geometrie-Daten (CAD) und Erstellung eines Abweichungsprotokolls.
c) Rechnergestützte Erstellung von geeigneten Maschinenprogrammen, die die Abweichung zwischen Ist- und Soll-Geometrie mit bestimmten Maschinenapplikationen des Hochgeschwindigkeitsbearbeitungszentrums korrigieren. Dabei können sowohl materialentfernende Verfahren als auch materialauftragende Verfahren eingesetzt werden.
d) Ausführung der zuvor genannten Korrekturarbeitsgänge. Dazu müssen geeignete Vorrichtungen mit dem Hochgeschwindigkeitsbearbeitungszentrum kombiniert werden, z. B. eine Schleifapplikation oder eine Extrudiermaschine, die das Auftragen von z. B. Zwei-Komponenten-Pasten ermöglicht.
e) Kontrollscannen und rechnergestützte Erstellung eines Qualitätszertifikates.

Im Einzelnen:

Zu a). Verwendet wird im Beispiel ein Triangulationsscanner mit integrierter Kamera. Die zu scannende Freiform wird in den Arbeitsbereich des Hochgeschwindigkeitsbearbeitungsgerätes gebracht und dort referenziert (bzw. befindet sich nach vorherigen Arbeitsgängen bereits dort und ist referenziert), d. h. hinsichtlich Ihrer genauen Lage identifiziert. Die vorhandene Soll-Geometrie wird zur Steuerung des Hochgeschwindigkeitsbearbeitungsgerätes mit dem Scanner genutzt. Der Scanner wird so in einem definierten Abstand über die Oberfläche geführt. Der Abstand muss so gewählt werden, dass der Scanner die Oberfläche auf Grund seiner technischen Eigenschaften scannen und vermessen kann. Die Oberfläche wird z. B. streifenförmig gescannt, und zwar in Streifenbahnen, die so angelegt sind, dass sie in ihrer Breite unterhalb der technisch verfügbaren Messbreite des Scanners liegen. Zur Errechnung des Scanergebnisses nutzt der Scanner die Positionierungsgenauigkeit des Hochgeschwindigkeitsbearbeitungsgerätes. Während des eigentlichen Scanvorganges werden die einzelnen Messwerte in einer Datenbank zwischengespeichert. Zur Ermittlung der Ist-Geometrie wird die genaue Position des Hochgeschwindigkeitsbearbeitungsgerätes zu dem nicht referenzierten Ergebnis des Scanners addiert. So entsteht eine Punktewolke an Messwerten der gescannten dreidimensionalen Freiform.
Zu b). Die gemessene Punktewolke der Ist-Geometrie wird mit einem Rechner gegen die Soll-Geometrie verglichen. Dabei werden Abweichungen, die außerhalb von zuvor definierten Toleranzen liegen, dargestellt. So entsteht ein Abweichungsprotokoll der Produktionsungenauigkeiten der dreidimensionalen Freiform, das es gestattet zu beurteilen, ob und ggf. welche weiteren Arbeitsschritte eingeleitet werden sollen.
Zu c). Für die Abweichungen, die außerhalb der Toleranzen liegen, werden dann automatisiert geeignete Computerprogramme erstellt, um wahlweise unterschiedliche Applikationen zu steuern, mit denen das Hochgeschwindigkeitsbearbeitungsgerät innerhalb seiner Positionierungsgenauigkeiten diese Abweichungen beseitigen kann. Jede Applikation hat eigene konstruktive Abmessungen, die von der Steuerung des Hochgeschwindigkeitsbearbeitungsgerätes bei dem jeweiligen Verlauf der Bearbeitungsbahnen berücksichtigt werden müssen. Für jede Applikation müssen deshalb automatisiert (mit einem Computerprogramm) geeignete Verfahrbewegungen des Hochgeschwindigkeitsbearbeitungsgerätes errechnet werden, die genau die betreffende Applikation geometrisch in allen bewegten Achsen des Hochgeschwindigkeitsbearbeitungsgerätes berücksichtigen.

Die Auswahl der geeigneten Applikation unterscheidet sich je nach Art der festgestellten Abweichung. Flächige Abweichungen, die erhaben sind, also oberhalb der Soll-Geometrie liegen, können mit einem Schleifwerkzeug bearbeitet werden. Flächige Abweichungen, die unterhalb der Soll-Geometrie liegen, müssen mit geeigneten Werkzeugen verfüllt werden. Erhabene punktförmige Abweichungen kleineren Ausmaßes können mit Fräs- oder Schneidwerkzeugen bearbeitet werden.
Liegen die Abweichungen innerhalb der zuvor definierten Toleranzen, ist es nicht notwendig, weitere Bearbeitungsschritte zu starten. Stattdessen wird ein Qualitätsbericht erstellt.

Zu d). Nach der Erstellung der Computerprogramme wird die jeweilige geeignete Korrekturbearbeitung manuell gestartet und automatisiert vom Hochgeschwindigkeitsbearbeitungsgerät abgearbeitet.
Zu e). Nach Abschluss der Arbeiten des Hochgeschwindigkeitsgerätes wird ein Qualitätsbericht erstellt.

Für eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens werden in Ergänzung zu einem vorhandenen Hochgeschwindigkeitsbearbeitungsgerät sowie seiner Steuerung zum Beispiel folgende Einrichtungen benötigt:

– Eine Einrichtung, die den Scanner an dem Hochgeschwindigkeitsbearbeitungsgerät befestigt und seine Messlogik mit dem Positionier-Mess-System des Hochgeschwindigkeitsbearbeitungsgerätes verknüpft.
– Eine Vorrichtung, die einen Abgleich der Soll- und Ist-Geometrie ermöglicht (ein Computerprogramm).
– Eine Einrichtung, die es ermöglicht, Bewegungsprofile für die unterschiedlichen Applikationen zur Korrektur der festgestellten Abweichung von der Soll-Geometrie zu erstellen (ein Computerprogramm).

Eine Einrichtung, die es ermöglicht, die Abweichungen zwischen Soll- und Ist-Geometrie in einem Qualitätsbericht zu dokumentieren (ein Computerprogramm).
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- EP 1344600 A1 [0002]

Claims

Verfahren zum Nachbearbeiten eines extern vorgefertigten Formteils, zu dem CAD-Daten vorliegen, mit den Schritten – Platzieren des Formteils in einer CNC-Bearbeitungsvorrichtung, – Berechnen von Positionierungsdaten für einen Scanner, basierend auf den CAD-Daten als Soll-Daten für die Form des Formteils, – Abtasten des Formteils mit dem Scanner in der CNC-Bearbeitungsvorrichtung unter Verwendung der Positionierungsdaten und Ermittlung von Ist-Daten für die Form des Formteils aus den von dem Scanner aufgenommenen Messsignalen, – Nachbearbeiten des Formteils in der CNC-Bearbeitungsvorrichtung entsprechend den Abweichungen zwischen den Ist-Daten und den Soll-Daten, falls die Ist-Daten außerhalb von Toleranzgrenzen von den Soll-Daten abweichen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Formteil eine Längserstreckung von mindestens 4 m hat.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Nachbearbeiten mindestens einen der folgenden Arbeitsschritte aufweist: Fräsen an der Oberfläche des Formteils, Schleifen an der Oberfläche des Formteils, Auffüllen von Vertiefungen an der Oberfläche des Formteils mit einem Füllmaterial.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Formteil nach dem Platzieren in der CNC-Bearbeitungsvorrichtung referenziert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Scanner ein Triangulationsscanner mit integrierter Kamera verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionierungsdaten für den Scanner so berechnet werden, dass der Scanner in einem konstanten Abstand zu einer Oberfläche entsprechend den CAD-Daten verfahren wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass aus der Abweichung zwischen den Ist-Daten und den Soll-Daten ein Maschinenprogramm zum Ansteuern der CNC-Bearbeitungsvorrichtung erstellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zum Ansteuern der CNC-Bearbeitungsvorrichtung ein CAM-System und NC-Daten verwendet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Formteil nach dem Nachbearbeiten zur Kontrolle erneut von dem Scanner abgetastet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die CNC-Bearbeitungsvorrichtung ein Hochgeschwindigkeitsbearbeitungsgerät ist, das vorzugsweise unter Verwendung von Kohlefasern konstruierte Teile aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Formteil ein Rotorblatt einer Windenergieanlage ist.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 11.