WO 002017068040 A1

Beschreibung

PCT/EP2016/075225

VORRICHTUNG UND VERFAHREN ZUR BEARBEITUNG EINES GASTURBINEN-BAUTEILS MITTELS EINES MANIPULATORS

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bearbeitung eines Bauteils mit den Merkmalen der Oberbegriffe der unabhängigen Ansprüche.

Flugzeugbauteile sind im Betrieb einer hohen Beanspruchung ausgesetzt. Neben Bauteilen aus Verbundwerkstoffen, wie beispielsweise Strukturbauteilen, oder metallischen Bauteilen, wie beispielsweise Fahrwerksbauteile, kann dies insbesondere bei den Bauteilen eines Flugzeugtriebwerks zu einer schadhaften Rissbildung führen. Ähnliche Schadensbilder sind auch bei anderen Gasturbinen, beispielsweise bei stationären Gasturbinen, vorhanden. Brennkammerbauteile sind bei Gasturbinen besonders stark von der Rissbildung betroffen.

Risse sind lokale Materialtrennungen innerhalb einer Struktur oder innerhalb eines Bauteils. Die Rissentstehung ist in der Regel ein lokales Ereignis in der Mikrostruktur der Oberfläche, das in der Regel durch Gitterfehler im Mikrogefüge oder durch zyklische Betriebsbelastungen verursacht wird. Risse breiten sich im Regelfall senkrecht zur wirkenden Normalspannung aus. Diese Ausbreitung wird als normalspannungsgesteuert bezeichnet.

Im Falle von Brennkammerbauteilen entstehen Risse durch hohe thermische und mechanische Belastung. Die Rissbildung wird zum einen durch die vorherrschenden hohen Temperaturen verursacht und zum anderen fördern die auf die Brennkammer übertragenen Schwingungen aus den vor- und nachgeschalteten Modulen, dem

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Hochdruckverdichter und der Hochdruckturbine das Risswachstum und die Rissbildung.

Zudem begünstigen kurzzeitige thermische Materialspannungen während des Startens der Gasturbine bzw. während der Startphase des Flugzeugs die Rissentstehung. In die Gasturbine eingesaugte feste Partikel, wie beispielsweise Sand und Staub, tragen ebenfalls stark zur Rissentstehung an Brennkammerkomponenten bei. Des Weiteren führen die dauerhaften thermischen Belastungen während der Betriebsphase der Gasturbine dazu, dass die geometrische Form der Brennkammerkomponenten eine Veränderung erfahren kann.

In der Instandhaltung von Flugzeug- und/oder Gasturbinen-Bauteilen, insbesondere in der Brennkammerinstandhaltung, besteht das Hauptproblem darin, die im Betrieb entstandenen Beschädigungen, insbesondere Risse, zu detektieren und die Bauteile durch geeignete Maßnahmen zu reparieren. Aufgrund der individuell unterschiedlichen Riss- bzw. Beschädigungsausprägung gestaltet sich dies oft schwierig.

Die etablierten Reparaturverfahren umfassen eine annähernd vollständig manuell durchgeführte Prozesskette, die durch eine lange und instabile Durchlaufzeit sowie eine geringe Reproduzierbarkeit der Reparaturergebnisse gekennzeichnet ist. Der manuelle Prozess zur Reparatur umfasst beispielsweise die Schritte Bauteilrichten, Fräsen zur Vorbereitung der Schweißstelle, Schweißen sowie Fräsen zum Nacharbeiten der Schweißstelle. Zusätzlich können weitere Bearbeitungsschritte vorgesehen sein, wie beispielsweise das Aufbringen einer Wärmeschutzschicht oder das Wärmebehandeln eines Bauteils.

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Die Sicherstellung einer gleichbleibend hohen Qualität bei diesem manuell durchgeführten Prozess ist aufwendig, insbesondere da sichergestellt und dokumentiert werden muss, dass den hohen luftfahrtrechtlichen Anforderungen entsprochen wird.

Problematisch sind beispielsweise die beim Richten der Bauteile auftretenden Ungenauigkeiten, die komplizierten und aufwendigen ´´Flicken" (engl. Patch) Reparaturen, bei denen ein beschädigter Bereich komplett ersetzt wird, was zusätzlich mit einem hohen Wärmeeintrag während einer Schweißreparatur verbunden ist. Der hohe Wärmeeintrag kann Heißrissbildung verursachen, und darüber hinaus ergibt sich ein hoher Nachbearbeitungsaufwand aufgrund von großem Schweißaufmaß. Des Weiteren führt ein hoher Wärmeeintrag zu Verzug, der nur durch aufwendige Spannvorrichtungen und zusätzlich nachgelagerte Richtvorgänge reduziert bzw. korrigiert werden kann.

Aus der DE 10 2012 221 782 Al ist ein Verfahren zur automatisierten Reparatur eines Gasturbinenbauteils bekannt, wobei in einem ersten Verfahrensschritt eine Rissprüfung des Bauteils mittels optischer Messverfahren durchgeführt wird und die dadurch ermittelten Geometrie- und/oder Schadensdaten gespeichert werden. Basierend auf diesen Daten wird dann automatisiert eine optimale Reparaturstrategie sowohl für die spanende Bearbeitung als auch für die Durchführung einer Reparaturschweißung ermittelt. Anschließend erfolgt eine Rissprüfung des Bauteils anhand eines optischen Messverfahrens.

Zum Zwecke einer möglichst genauen Positionierung eines Bearbeitungswerkzeugs, z.B. eines spanenden Werkzeugs oder eines Schweißwerkzeugs, ist es aus dem Stand der Technik bekannt, das Bearbeitungswerkzeug durch Roboter relativ zu einem Bauteil zu positionieren. Dabei handelt es sich typischerweise um

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einen sechsachsigen Roboter, durch den das Bearbeitungswerkzeug theoretisch jeden Punkt des zu bearbeitenden Bauteils erreichen kann.

Ferner ist es beispielsweise aus der EP 0 271 691 Al bekannt, neben den Achsen des Roboters zusätzliche externe Bewegungsachsen vorzusehen, durch die das zu bearbeitende Bauteil dann rotiert oder geneigt werden kann. Die zusätzlichen externen Achsen dienen dazu, den Arbeitsraum des Roboters zu vergrößern, so dass die zu bearbeitende Stelle des Bauteils so positioniert werden kann, dass sie vom Roboter erreicht werden kann. Ferner können dadurch Kollisionen des Roboters mit dem Bauteil sowie Robotersingularitäten vermieden werden.

Die EP 0 158 447 Al zeigt einen sechsachsigen Roboter, der ein Bearbeitungswerkzeug über ein Bauteil führt, das auf einem Drehteller positioniert ist. Hier wird durch eine Überlagerung der Bewegungsanteile des Roboters mit denen des Drehtellers eine Vereinfachung der Roboterbewegung erzielt.

Bei den zuvor genannten Lösungen zur Bearbeitung eines Bauteils mit einem Roboter in Kombination mit einer Bewegung des Bauteils um oder entlang einer zusätzlichen externen Achse ist es möglich, komplexe Bewegungsabläufe effizient zu realisieren. Die hohe Anzahl an Freiheitsgraden des Roboters kann aber einen Präzisionsverlust, beispielsweise verursacht durch Getriebespiel oder elastische Verformung von Roboterkomponenten, zur Folge haben, was insbesondere bei der Bearbeitung von Flugzeugbauteilen nicht akzeptabel ist.

Eine Möglichkeit zur Verbesserung der Genauigkeit von Industrierobotern bieten beispielsweise verschiedene Kalibrierverfahren, darunter das in der EP 0 504 590 Al beschriebene Ver-

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fahren. Solche Kalibierverfahren erfordern großes Know-How des Kalibrierenden sowie einen großen zeitlichen und messtechnischen Aufwand, so dass diese für eine automatisierte Bearbeitung mit geringen Durchlaufzeiten nicht effizient sind.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, Positionierungs- und Orientierungsfehler und damit die Präzision von automatischen Bearbeitungseinrichtungen mit einer mehrachsigen Positioniereinrichtung zu verbessern.

Die Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst.

Gemäß dem Grundgedanken der Erfindung wird eine Vorrichtung zur Bearbeitung eines Bauteils vorgeschlagen, die eine mehrachsige Positioniereinrichtung, ein Bearbeitungswerkzeug und eine Steuereinrichtung zur Steuerung der Positioniereinrichtung aufweist, wobei das Bearbeitungswerkzeug von der Positioniereinrichtung relativ zu dem Bauteil bewegbar ist, wobei das Bearbeitungswerkzeug durch die Positioniereinrichtung für jede Achse innerhalb eines entsprechenden Arbeitsbereichs bewegbar ist, wobei die Steuereinrichtung dazu eingerichtet ist, die Bewegung der Positioniereinrichtung entlang oder um wenigstens eine beschränkte Achse innerhalb des entsprechenden Arbeitsbereichs auf einen Unterbereich oder Unterraum zu beschränken, wobei die Beschränkung der Bewegung entlang oder um die beschränkte Achse durch eine zusätzliche Bewegungsmöglichkeit der Positioniereinrichtung und/oder des Bauteils um und/oder entlang einer externen Achse kompensiert werden kann.

Durch die Positioniereinrichtung sind beliebige Bewegungen des Bearbeitungswerkzeugs innerhalb eines Arbeitsraums möglich. Der Arbeitsraum wird festgelegt durch die Bewegungsmöglichkeit

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entlang oder um die jeweiligen Bewegungsachsen der Positioniereinrichtung innerhalb des entsprechenden Arbeitsbereichs der jeweiligen Achse. Anders gesagt handelt es sich bei dem Arbeitsraum um den Raum, der durch den Teil der Positioniereinrichtung, der das Bearbeitungswerkzeug aufnimmt, erreicht werden kann.

Vorzugsweise handelt es sich bei der Positioniereinrichtung u ein sechsachsiges System, so dass beliebige Bearbeitungsstellen des zu bearbeitenden Bauteils innerhalb des Arbeitsraums erreicht werden können. Grundsätzlich sind aber auch beliebig andere mehrachsige Positioniereinrichtungen mit Dreh- und/ode Linearachsen denkbar. Die Positioniereinrichtung ist vorteilhaft ein mehrachsiger Roboter, insbesondere ein sechsachsiger Industrieroboter mit Zusatzachse(n).

Durch die Einschränkung der Bewegung der Positioniereinrichtung auf den (eindimensionalen) Unterbereich der jeweiligen Achse innerhalb des Arbeitsbereichs wird ein (ein- oder mehrdimensionaler) Unterraum aufgespannt, der kleiner als der Arbeitsraum ist. Durch die Steuereinrichtung wird eine künstliche Einschränkung der Bewegungsfreiheit der Positioniereinrichtung erreicht, was zur Folge hat, dass Bewegungen entlang und/oder um die beschränkte Achse überhaupt nicht oder nur eingeschränkt möglich sind. Durch diese Einschränkung wird es ermöglicht, Positionsunsicherheiten entlang oder um die beschränkte Achse zu minimieren.

Grundsätzlich ist es auch möglich, Roboter einzusetzen, deren Arbeitsraum im Wesentlichen den Unterraum bildet, d.h. dass beispielsweise durch die Einschränkung nur eines Freiheitsgra des die Positioniereinrichtung nur innerhalb des Unterraums bewegt werden kann. Dadurch ist der Einsatz von kompakteren

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Positioniereinrichtungen möglich, die in der Regel geringere Positionsfehler bewirken. Alternativ ist auch der Einsatz mehrerer Positioniereinrichtungen mit einem jeweiligen Bearbeitungswerkzeug möglich, so dass das Bauteil durch mehrere Bearbeitungswerkzeuge parallel bearbeitet werden kann, ohne dass diese in die gegenseitigen Unterräume eindringen und Kollisionen verursachen können.

Um trotz der Beschränkung des Arbeitsraums eine uneingeschränkte Positionierung des Bearbeitungswerkzeugs gegenüber dem zu bearbeitenden Bauteil zu ermöglichen, wird die durch die Steuereinrichtung künstliche Beschränkung auf den Unterraum durch eine Bewegungsmöglichkeit entlang oder um eine externe Achse kompensiert.

Unter einer externen Achse im Sinne dieser Anmeldung ist eine Achse zu verstehen, die nicht unmittelbar der Positioniereinrichtung zugeordnet ist. Vorzugsweise handelt es sich um eine Achse, die zu einer Achse der Positioniereinrichtung redundant ist, d.h. die eigentlich nicht erforderlich wäre, um eine bestimmte Bearbeitungsstelle des Bauteils zu erreichen, weil dies durch die Freiheitsgrade der Positioniereinrichtung selbst möglich wäre. Weiter vorzugsweise ist die externe Achse zu einer Achse der Positioniereinrichtung parallel ausgerichtet .

Vorzugsweise ist die externe Achse derart angeordnet, dass durch den zusätzlich entstehenden Freiheitsgrad das zu bearbeitende Bauteil rotatorisch und/oder translatorisch bewegt werden kann. Alternativ kann die externe Achse auch so angeordnet sein, dass durch den entstehenden Freiheitsgrad die Positioniereinrichtung selbst rotatorisch und/oder translatorisch bewegt werden kann. Weiter vorzugsweise sind auch belie-

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bige Kombinationen der externen Achsen zur Bewegung des Bauteils und der Positioniereinrichtung möglich.

Vorzugsweise ist auch eine hochpräzise Lagerungs- und Aktuationseinrichtung vorgesehen, die eine translatorische und/oder rotatorische Bewegung entlang und/oder um die externe Achse ermöglicht. Die Bewegung entlang und/oder um die externe Achse kann damit genauer, also mit einem geringeren Positionsfehler, durchgeführt werden als dies durch eine Bewegung der Positioniereinrichtung selbst möglich wäre. Es lässt sich damit eine präzisere und prozessstabilere Bearbeitung von Bauteilen erzielen. Ferner können Kollisionen mit dem Bauteil leichter vermieden werden.

Es wird weiter vorgeschlagen, dass die Steuerung der Bewegung um und/oder entlang der externen Achse durch die Steuereinrichtung erfolgt. Es wird damit sowohl die Einschränkung der Bewegung auf den Unterraum als auch die Kompensation dieser Einschränkung durch die Steuereinrichtung durchgeführt. Ferner wird durch die Steuerung der Kompensationsbewegung entlang und/oder um die externe Achse die Präzision im Vergleich zu einer manuellen Bewegung erhöht. In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung können teilweise die Funktionen der Steuereinrichtung auch manuell ausgeführt werden.

Vorzugsweise ist ein Unterraum durch eine Schnittfläche des Bauteils gebildet. Die Schnittfläche im Sinne dieser Anmeldung weist dabei vorzugsweise eine minimale Dicke auf, die jedoch im Vergleich zur Hauptfläche gering ist, d.h. die Dicke beträgt vorzugsweise höchstens 5% der maximalen Länge der Hauptflache. Weiter vorzugsweise kann es sich bei der Schnittfläche auch um eine ideale Fläche handeln.

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Durch die Wahl der Schnittfläche als Unterraum, kann dieser möglichst klein gewählt werden, was die Identifikation und Kompensation der Ungenauigkeiten der Positioniereinrichtung vereinfacht. Etwaige Positionsfehler können effizienter ausgeglichen werden, da eine Messeinrichtung weniger Messpunkte erfassen muss.

Vorzugsweise beträgt der Unterbereich oder Unterraum höchstens 50% des entsprechenden Arbeitsbereichs, weiter vorzugsweise höchstens 10%, insbesondere vorzugsweise höchstens 5%.

Schließlich kann der Unterbereich oder Unterraum auch durch einen diskreten Wert innerhalb des Arbeitsbereichs gebildet sein. Hierdurch wird die Bewegung entlang und/oder um die beschränkte Achse vollständig eingeschränkt und dementsprechend auch vollständig durch die Bewegung um und/oder entlang der externen Achse kompensiert.

Die Positionsfehler der Positioniereinrichtung, die aus einer Bewegung um und/oder entlang der beschränkten Achse resultieren, können damit überwiegend oder vollständig eliminiert werden. Die Kompensation dieser Einschränkung durch die Bewegung entlang und/oder um die externe Achse kann zwar zu neuen Positionsfehlern führen, diese sind jedoch wesentlich geringer als die durch die Positioniereinrichtung hervorgerufenen Positionsfehler. Folglich kann insgesamt die Präzision der Bearbeitungsvorrichtung erhöht werden.

Es wird weiter vorgeschlagen, dass die beschränkte Bewegung eine Rotationsbewegung um die beschränkte Achse ist. Es können dadurch insbesondere rotationssymmetrische bzw. annähernd rotationssymmetrische Bauteile, wie z.B. das äußere oder innere Flammrohr einer Brennkammer einer Gasturbine, effizient bear-

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beitet werden. Die beschränkte Achse fällt dann vorzugsweise mit der Symmetrieachse des Bauteils zusammen bzw. ist parallel zu der Symmetrieachse ausgerichtet. Durch eine entsprechende Rotationsbewegung um die externe Achse kann das Bauteil demnach so weit rotiert werden, bis sich die Bearbeitungsstelle in dem Unterraum befindet. Innerhalb des Unterraums kann dann eine entsprechende Bearbeitung des Bauteils durch das Bearbeitungswerkzeug erfolgen.

Es ist dabei vorteilhaft, wenn die beschränkte Achse eine vertikale Achse ist. Dementsprechend ist auch die externe Achse vertikal ausgerichtet, so dass das Bauteil dann beispielsweise auf einem Drehtisch positioniert werden kann.

Vorzugsweise sind auf einem Datenträger bauteilspezifische Unterräume gespeichert. Die Unterräume können vorzugsweise durch die Steuereinrichtung aufgerufen werden, so dass auf effiziente Art und Weise ein geeigneter Unterraum für die Bearbeitung zur Verfügung steht. Alternativ besteht auch die Möglichkeit, den Unterraum durch Vermessung des zu bearbeitenden Bauteils zu bestimmen. Dies kann beispielsweise durch optische Messverfahren, insbesondere durch Lasermessverfahren, erreicht werden .

In einer bevorzugten Ausführungsform ist eine Messeinrichtung vorgesehen, die dazu eingerichtet ist, die Position des Bearbeitungswerkzeugs innerhalb des Unterraums zu erfassen. Vorzugsweise handelt es sich bei der Messeinrichtung um ein optisches Messsystem, das die Ist-Position der Positioniereinrichtung und/oder des Bearbeitungswerkzeugs bestimmen kann. Über die Steuereinrichtung kann dann eine etwaige Abweichung der Ist-Position von einer Soll-Position, also der Positionsfehler, ermittelt und quantifiziert werden. Durch die Beschrän-

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kung der Messung auf den Unterraum müssen weniger Messpunkte erfasst werden, so dass eine schnellere Messung möglich ist.

Der Unterraum der Positioniereinrichtung wird vorteilhaft ein malig bei der Inbetriebnahme eingemessen. Anschließend muss nur bei Veränderung der Relativpositionen zueinander (z.B. wenn ein etwaiger Drehtisch umpositioniert wird) eine neue Messung stattfinden. Zur Durchführung dieser einmalig erforderlichen Einmessprozedur kann ein hochauflösendes optisches Messgerät, wie beispielsweise ein Lasertracker, genutzt werden. Vorteilhaft ist, dass diese Einmessprozedur nur einmalig erforderlich ist und somit eine aufwendige permanente Überwachung einer etwaigen Abweichung von Ist- und Soll-Position bzw. Online-Regelung des Bearbeitungswerkzeuges entfallen kann.

Vorzugsweise ist die Messeinrichtung dazu eingerichtet, den Bauteilzustand zu ermitteln, d.h. Beschädigungen zu identifizieren. Vorteilhafterweise kann die Führung des Inspektionswerkzeugs dann auf den Unterbereich oder Unterraum beschränkt werden, so dass die optische Messtechnik zur Erfassung bzw. Inspektion des Bauteilzustandes in einer vorbestimmten Positi on verweilen kann. Es kann so auf ein Ausschwingen der vorzugsweise an der Positioniereinrichtung befestigten Messtechnik verzichtet werden, so dass eine schnellere Erfassung etwa iger Schäden möglich ist.

Es ist vorteilhaft, wenn eine Kompensationseinrichtung zum Ausgleich von Positionsfehlern der Positioniereinrichtung vor gesehen ist, wobei die Kompensationseinrichtung dazu eingerichtet ist, die anzufahrenden Roboterposen anhand der eingemessenen Messwerte zu verarbeiten. Die Kompensationseinrichtung muss durch die Verwendung eines Unterraums nur eine Korn-

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pensation von Positionsfehlern innerhalb des Unterraums leisten, so dass sowohl die Identifikation als auch die Kompensation von Positionsfehlern schneller erfolgt. Die effizientere Kompensation von Positionsfehlern wird ferner auch dadurch er reicht, dass der Positioniereinrichtung innerhalb des Unterraums auch weniger Anfahrpunkte zur Verfügung stehen.

Weiter ist es vorteilhaft, wenn eine Schutzgasvorrichtung vor gesehen ist, wobei die Schutzgasvorrichtung derart eingerichtet ist, dass die Schutzwirkung auf den Unterraum beschränkt ist. Vorzugsweise handelt es sich um eine der Bauteilkontur angepasste Schutzgasvorrichtung. Durch die Beschränkung der Schutzgaszufuhr auf den Unterraum wird eine Ersparnis von Schutzgas erreicht, so dass die Fertigungskosten gesenkt werden können. Schließlich wird auch die Umweltbelastung verringert und die Arbeitssicherheit erhöht. Dennoch können durch die Beschränkung der Schutzgaswirkung auf den Unterraum beispielsweise auch komplexere Schweißnahtgeometrien erreicht werden. Vorzugsweise handelt es sich bei der Schutzgasvorrich tung um eine stationäre Schutzgasvorrichtung.

Erfindungsgemäß wird auch ein Verfahren zur Reparatur eines Bauteils vorgeschlagen, wobei die Reparatur unter Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung durchgeführt wird.

Vorzugsweise wird bei der Durchführung des Verfahrens eine Be arbeitungsstelle des Bauteils durch eine Bewegung entlang und/oder um eine externe Achse in einen vordefinierten Unterraum innerhalb des Arbeitsraums bewegt, wobei anschließend ei ne Bearbeitung der Bearbeitungsstelle durch ein Bearbeitungswerkzeug, das innerhalb des Unterraums bewegt wird, erfolgt. Dadurch kann eine Bewegung entlang bzw. um die beschränkte

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Achse vollständig unterbleiben und durch die Bewegung entlang bzw. um die externe Achse kompensiert werden.

Vorzugsweise wird der Unterraum durch eine Schnittfläche des Bauteils gebildet und das Bearbeitungswerkzeug während der Bearbeitung ausschließlich in der Ebene der Schnittfläche bewegt . Das Bearbeitungswerkzeug muss damit im Wesentlichen nur eine zweidimensionale Bewegung durchführen, wodurch die Positionsfehler reduziert werden können.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren erläutert. Dabei zeigt:

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bearbeitung ei nes Bauteils;

Fig. 2 eine Detailansicht eines Bearbeitungswerkzeugs, das in einem Unterraum positioniert ist;

Fig. 3 eine Seitenansicht eines zu bearbeitenden Bauteils,- und

Fig. 4 ein Beispiel für einen bauteilspezifischen Unterraum

Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1 zur Bearbeitung eines Bauteils 2, umfassend ein Bearbeitungswerkzeug 3, eine Positioniereinrichtung 4 und einen Drehtisch 9. Ferner ist schematisch ein Unterraum 7 in Form einer Rechteckfläche dargestellt.

Bei dem zu bearbeitenden Bauteil 2 handelt es sich in diesem Ausführungsbeispiel um ein annähernd rotationssymmetrisches

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Brennkammerbauteil einer Gasturbine. Daneben ist aber durch die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 auch eine Bearbeitung beliebig anderer Bauteile 2 möglich.

Das Bearbeitungswerkzeug 3 ist vorzugsweise ein spanendes, fü gendes oder materialauftragendes Werkzeug, beispielsweise ein Fräser, eine Bohreinrichtung, ein Drehmeißel, eine Trennschei be, eine Schweißeinrichtung, eine Laser-Bohr- und/oder Schnei deinrichtung ggf. mit Strahlenfang. Weiter vorzugsweise ist eine Aufnahme 11 vorgesehen, die das Bearbeitungswerkzeug 3 mit der Positioniereinrichtung 4 verbindet. Vorzugsweise ist die Aufnahme 11 dazu eingerichtet, das Bearbeitungswerkzeug 3 händisch oder automatisch zu wechseln. Vorzugsweise ist neben dem Bearbeitungswerkzeug 3 an der Aufnahme 11 der Positionier einrichtung 4 auch eine Messeinrichtung vorgesehen.

Bei der mehrachsigen Positioniereinrichtung 4 handelt es sich vorzugsweise um eine sechsachsige Positioniereinrichtung 4, s dass es möglich ist, das Bearbeitungswerkzeug 3 beliebig rela tiv zu dem Bauteil 2 zu bewegen. Der Arbeitsraum wird damit durch die Bewegungsachsen der Positioniereinrichtung 4 sowie deren jeweiligen Arbeitsbereich aufgespannt. Der Arbeitsbereich gibt achsenspezifisch an, welche translatorischen oder rotatorischen Bewegungen entlang oder um eine entsprechende Achse möglich sind.

Weiter ist das zu bearbeitende Bauteil 2 auf dem Drehtisch 9 positioniert, dessen Rotationsachse eine externe Achse 5 bildet. Die externe Achse 5 ist vorzugsweise vertikal ausgerichtet und parallel zu einer beschränkten Achse 10 der Positioniereinrichtung 4. In einer alternativen Ausführungsform kann die beschränkte Achse 10 vorzugsweise auch mit der externen Achse 5 zusammenfallen.

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Die externe Achse 5 im Sinne dieser Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der durch sie entstehende zusätzliche Freiheitsgrad nicht erforderlich wäre, um eine entsprechende Bearbeitungsstelle 6 des Bauteils 2 zu erreichen. Das ist auch bei diesem Ausführungsbeispiel der Fall, denn wie Fig. 1 zu entnehmen ist, kann die Bearbeitungsstelle 6 nicht nur durch eine Rotation des Bauteils 2 mit Hilfe des Drehtisches 9 um die externe Achse 5 erfolgen, sondern auch durch die Rotation des Bearbeitungswerkzeuges 3 um die beschränkte Achse 10 der Positioniereinrichtung 4. Allgemein dreht die externe Achse 5 den jeweiligen Bearbeitungspunkt in den Unterraum bzw. um die Schnittebene des Bauteils und der Roboter 4 fährt die Bearbeitungspunkte auf einer hier vertikalen Linie ab. Somit erfolgt jegliche rotatorische Bewegung aus der externen Achse 5 und nur die vertikale Bewegung wird durch den Roboter 4 ausgeführt .

Ferner ist eine in Fig. 1 nur schematisch dargestellte elektronische Steuereinrichtung 14, beispielsweise ein Computer, vorgesehen, die dazu eingerichtet ist, die Bewegungsfreiheit der Positioniereinrichtung 4 und somit des Bearbeitungswerkzeugs 3, nämlich den sogenannten Tool Center Point (TCP), auf einen Unterraum zu beschränken. Dieser Unterraum ist Teil des gesamten Arbeitsbereichs des Roboters 4.

In Fig. 1 ist der Unterraum auf eine Ebene reduziert dargestellt. Um die genannten Vorteile des Verfahrens (Korrekturwerte für Genauigkeitssteigerung, stationäre Schutzgaszufuhr etc.) so effizient wie möglich zu realisieren, ist es sinnvoll, den Unterraum so gering wie möglich zu wählen. Nicht nur die Dimensionen Höhe, Breite und Länge des Unterraums, sondern auch die möglichen Orientierungsvariationen (Drehung des TCPs

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um die drei Achsen des xyz-Koordinatensystems) können dabei begrenzt werden. Demnach ist die Bewegungsfreiheit entlang oder um wenigstens eine beschränkte Achse 10, jedoch vorteilhaft entlang oder um eine Mehrzahl von beschränkten Achsen innerhalb des entsprechenden Arbeitsbereichs auf einen Unterbereich beschränkt. In Fig. 1 rotiert der Drehtisch 9 das Bauteil 2 um die Drehachse 5 in den Unterraum 7, der auf eine 2D-Ebene begrenzt wurde, d.h. eine Längendimension wurde eliminiert. Die Positioniereinrichtung 4 muss dementsprechend nur Positionen innerhalb des Unterraums 7 anfahren. Da das Werkzeug 3 ausschließlich senkrecht zur Bauteiloberfläche arbeiten muss, können über eine Längendimension hinaus auch zwei Orientierungsvariablen eliminiert werden, da das Werkzeug nur innerhalb des Unterraums rotiert werden muss. Die weiteren Freiheitsgrade der Positioniereinrichtung 4 bleiben jedoch erhalten, so dass das Bearbeitungswerkzeug 3 innerhalb eines Unterraums 7 translatorisch und rotatorisch bewegt werden kann.

In einer anderen möglichen Betrachtungsweise ist der Arbeitsbereich bezüglich der Rotationsmöglichkeit der Positioniereinrichtung 4 um die Achse 10 auf 360° definiert. Durch die Festlegung eines Unterbereichs innerhalb des Arbeitsbereichs kann die Rotation um die Achse 10 vollständig verhindert werden, d.h. der Unterbereich wird bezüglich der Rotationsmöglichkeit um die Achse 10 auf einen diskreten Wert festgelegt. Mindestens ein Freiheitsgrad der Positioniereinrichtung 4 wird damit durch die Steuereinrichtung 14 beschränkt.

Die beschränkte Bewegungsmöglichkeit der Positioniereinrichtung 4 wird durch den zusätzlichen Freiheitsgrad, der durch die Rotation des Drehtisches 9 um die externe Achse 5 entsteht, kompensiert. Alternativ oder zusätzlich kann eine Kompensation einer durch die Steuereinrichtung 14 herbeigeführten

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Beschränkung der Bewegungsmöglichkeit der Positioniereinrichtung 4 auch durch eine translatorische Bewegung entlang einer externen Achse 5 kompensiert werden.

Für den Fall, dass eine Bewegung, beispielsweise eine Rotationsbewegung, um die beschränkte Achse 10 nicht vollständig eingeschränkt wird, sondern durch die Steuereinrichtung 14 auf einen vordefinierten Winkelbereich beschränkt wird, muss die beschränkte Bewegung durch eine entsprechende Bewegungsmöglichkeit um die externe Achse 5 kompensiert werden. Wäre beispielsweise die Rotationsbewegung der Positioniereinrichtung 4 um die beschränkte Achse 10 auf einen Winkel von höchstens 25° beschränkt, dann müsste eine Rotation um eine mit der beschränkten Achse 10 zusammenfallenden externen Achse 5 um wenigstens 335° möglich sein, um den gesamten möglichen Bearbeitungsbereich von 360° zu erfassen.

Vorzugsweise wird die Bewegung um oder entlang der externen Achse 5 durch eine entsprechende Lagerung des zu bearbeitenden Bauteils 2 umgesetzt, beispielsweise durch den Einsatz des Drehtisches 9. In einer alternativen Ausführungsform kann aber auch die gesamte Positioniereinrichtung 4 so gelagert sein, dass eine Bewegung entlang oder um die externe Achse 5 möglich ist.

In dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist das zu bearbeitende Bauteil 2 über mehrere Auflageelemente 12 sicher auf dem Drehtisch 9 positioniert. Ferner ist vorzugsweise eine Aktuationseinrichtung vorgesehen, die dazu eingerichtet ist, den Drehtisch 9 vordefiniert um die externe Achse 5 zu rotieren. Vorzugsweise wird die Aktuationseinrichtung von der Steuereinrichtung 14 angesteuert, so dass gezielt die Einschrän-

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kung der Bewegungsmöglichkeit der Positioniereinrichtung 4 kompensiert werden kann.

In Fig. 2 sind mehrere Bearbeitungsstellen 6a und 6b, hier Risse, des Bauteils 2 gezeigt, die durch das spanende Bearbeitungswerkzeug 3, hier eine Fräseinrichtung, bearbeitet werden sollen. Durch die Rotation des Drehtisches 9 und damit des Bauteils 2 um die externe Achse 5 wurde zunächst die Bearbeitungsstelle 6b in den Unterraum 7 bewegt, der in diesem Fall durch eine rechteckige Fläche gebildet ist. Nach der Bearbeitung der Bearbeitungsstelle 6b wird durch Rotation des Drehtisches 9 die Bearbeitungsstelle 6a in den Unterraum bewegt. Alternativ kann der Unterraum 7 auch durch beliebig andere Raumgeometrien gebildet sein. Vorzugsweise ist das Bearbeitungswerkzeug 3 auch parallel zu dem flächigen Unterraum 7 ausgerichtet. Weiter vorzugsweise liegt eine etwaige Rotationsachse bzw. ein Bearbeitungsmittelpunkt des Bearbeitungswerkzeugs 3 in der Ebene des flächigen Unterraums 7.

Die Steuereinrichtung 14 ist vorzugsweise dazu eingerichtet, einen geeigneten Unterraum 7, beispielsweise aus einem Datenspeicher, automatisch auszuwählen. Dies beinhaltet nicht nur die Geometrie des Unterraums 7, sondern auch dessen Anordnung gegenüber dem Bauteil 2.

Der Unterraum 7 kann beliebig positioniert und orientiert werden, unter der Voraussetzung, dass er Teilraum des Arbeitsraums der Positioniereinrichtung 4 ist. Dabei ist vorzugsweise zu beachten, dass Kollisionen und Singularitäten vermieden werden sowie die Bearbeitung an den Achs- und Arbeitsraumgrenzen vermieden werden. In diesem Ausführungsbeispiel ist der flächige Unterraum 7 vorzugsweise senkrecht angeordnet, wobei der Unterraum 7 vorzugsweise auch senkrecht zu einer zentri-

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sehen Achse 13 der Bearbeitungsstelle 6 ausgerichtet ist.
Dadurch, dass das Bauteil 2 über die Auflageelemente 12 horizontal ausgerichtet und vorzugsweise in dieser Position auch
eingespannt werden kann, ist es möglich, die Bearbeitungsstelle 6 bzw. deren zentrische Achse 13 allein durch eine Rotation des Drehtisches 9 um die externe Achse 5 in den Unterraum 7 zu bewegen. Auch wenn der Unterraum nicht senkrecht orientiert
ist, kann der Drehtisch 9 den Bearbeitungspunkt in den Unterraum drehen. Des Weiteren ist es nicht erheblich, dass die
Achse 5 des Drehtisches parallel zu einer Roboterachse ist oder damit zusammenfällt. Dieses Merkmal aus Fig. 1 ist keine
Voraussetzung für die Realisierung des Verfahrens.

Durch eine Messeinrichtung kann die Position der Bearbeitungsstelle 6 gegenüber dem Unterraum 7 überwacht und geregelt werden, so dass auch während des Bearbeitungsvorgangs, beispielsweise durch Bearbeitungskräfte, sichergestellt ist, dass sich
die Bearbeitungsstelle 6 nicht aus dem Unterraum 7 herausbewegt. Damit kann eine hohe Prozessqualität und -Stabilität erreicht werden.

Wegen der Möglichkeit der Bewegung der Bearbeitungsstelle 6 in den Unterraum 7 mittels Rotation um die externe Achse 5 kann
durch die Steuereinrichtung 14 die Rotation um die beschränkte Achse 10 vorzugsweise vollständig blockiert werden. Das Bearbeitungswerkzeug 3 muss dann für eine Verbringung in die Bearbeitungsposition nur noch innerhalb des Unterraums 7 bewegt
werden, so dass im Vergleich zu einer Bewegung des Bearbeitungswerkzeugs 3 im gesamten Arbeitsraum, durch die Positioniereinrichtung 4 eine wesentlich einfachere und kürzere Bewegung vollzogen werden muss; dadurch werden die Positionsfehler reduziert. Auch die Bewegung des Bearbeitungswerkzeugs 3 während des eigentlichen Bearbeitungsvorgangs findet vorzugsweise

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ausschließlich innerhalb des Unterraums 7 statt, so dass damit auch die Bearbeitungsqualität verbessert werden kann.

Ferner ist eine Kompensationseinrichtung vorgesehen, die mit einer Messeinrichtung verbunden ist. Die Messeinrichtung ist dazu eingerichtet, die Ist-Position des Bearbeitungswerkzeugs 3 gegenüber dem Bauteil 2 zu detektieren. Durch die Kompensationseinrichtung kann dann eine Abweichung der Ist-Position von der Soll-Position ausgeglichen werden. Durch die Bewegung der Bearbeitungsstelle 6 in den Unterraum 7 durch eine Rotation um die externe Achse 5 muss die Positioniereinrichtung 4 selbst wesentlich geringere Positionierbewegungen vollziehen. Ferner ist die Rotationsbewegung um die externe Achse 5 durch den wesentlich positionsstabileren Drehtisch 9 weniger fehleranfällig. Die ausgleichenden Eingriffe der Kompensationseinrichtung können so reduziert werden und damit eine höhere Präzision der Vorrichtung 1 insgesamt erreicht werden.

Nach der Bearbeitung der Bearbeitungsstelle 6 können nacheinander in gleicher Weise die weiteren Bearbeitungsstellen 6a und 6b bearbeitet werden. Hierzu werden die jeweiligen Bearbeitungsstellen 6a und 6b nacheinander durch die Rotation des Bauteils 2 um die externe Achse 5 in den Unterraum 7 bewegt und entsprechend durch das Bearbeitungswerkzeug 3 bearbeitet.

Ein weiterer Vorteil einer Beschränkung der Bewegung des Bearbeitungswerkzeugs 3 (beispielsweise ein Fräser oder eine Schweißdüse) auf den Unterraum 7 besteht darin, dass ein Einsatz von Schutzgas auf den Unterraum 7 beschränkt werden kann. Vorzugsweise ist deshalb eine der Bauteilkontur angepasste Schutzgasvorrichtung vorgesehen. Die Schutzgasvorrichtung ist weiter vorzugsweise dazu eingerichtet, nur den Unterraum 7 oder sogar nur einen Teil des Unterraums 7, der sich gerade in

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der Bearbeitungszone befindet, mit Schutzgas zu versorgen. In einer alternativen Ausführungsform kann es jedoch aus konstruktiven Gründen zweckmäßig sein, dass auch ein den Unterraum 7 umgebender Randbereich durch die Schutzgasvorrichtung mit Schutzgas versorgt wird. Das Schutzgas ist vorteilhaft vorgesehen, um das Bauteil zu umschließen. Der Randbereich ist dabei vorzugsweise durch einen Bereich bestimmt, der vorzugsweise nicht mehr als 3 0 cm von dem Unterraum entfernt ist, weiter vorzugsweise nicht mehr als 10 cm und insbesondere vorzugsweise nicht mehr als 5 cm. Die Größe des Randbereiches bzw. der mit Schutzgas abgeschirmte Bereich ist abhängig von der Bauteilgeometrie, entweder muss das gesamte Bauteil oder nur die Zone der Bearbeitung mit Schutzgas abgeschirmt werden. Durch die erfindungsgemäße Schutzgasvorrichtung, deren Wirkung auf den Unterraum 7 oder auf den Unterraum 7 mit Randbereich beschränkt ist, kann Schutzgas eingespart werden und damit der Bearbeitungsprozess effizienter gestaltet werden. Gleiches gilt für einen etwaigen Strahlenfang, der lokal auf den Unterraum und Randbereich beschränkt ist, um Beschädigungen der Bauteilrückseite durch Laserstrahlung zu vermeiden. Ferner kann durch den räumlich abgegrenzten Einsatz von Schutzgas die Arbeitssicherheit erhöht werden.

Schließlich kann die Bearbeitungsqualität durch eine intelligente Definition des Unterraums 7 weiter gesteigert werden. Grundsätzlich wird angestrebt, den Unterraum 7 so klein wie möglich zu wählen, da so die ungenaueren Bewegungen der Positioniereinrichtung 4 minimiert werden und durch die genaueren Bewegungen um bzw. entlang der externen Achse 5 ersetzt werden können. Vorzugsweise wird daher der Unterraum 7 durch eine Schnittfläche 8 des Bauteils 2 gebildet. Weiter vorzugsweise handelt es sich bei einem rotationssymmetrischen Bauteil 2 um

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die Schnittfläche 8, die das Bauteil 2 in Radialrichtung schneidet.

Fig. 3 zeigt eine Seitenansicht eines rotationssymmetrischen Brennkammerbauteils 2 einer Gasturbine sowie Fig. 4 deren schematischen Querschnitt. Vorzugsweise wird der Unterraum 7 unmittelbar durch die Umrandung der Querschnittsfläche des Bauteils 2 gebildet. Weiter vorzugsweise kann aber auch, wie in Fig. 4 dargestellt, der Unterraum 7 in einem gewissen Abstand um den Querschnitt gelegt werden. Vorzugsweise beträgt dieser Abstand nicht mehr als 5 cm, weiter vorzugsweise nicht mehr als 5 mm. Grund dafür ist auch, dass das Bauteil verformt sein kann. Ferner können in einem vorgelagerten Messschritt (z.B. mit Hilfe des Verfahrens aus DE 10 2011 103003 Al) Verformungen des Bauteils erfasst und dadurch die Größe des erforderlichen Unterraums adaptiv bestimmt werden. Durch diesen Abstand zur eigentlichen Schnittfläche 8 des Bauteils 2 wird sichergestellt, dass sich das Bearbeitungswerkzeug 3 bei einer Bewegung um und/oder entlang der externen Achse 5 in einem sicheren Abstand zu dem Bauteil 2 befindet und es nicht zu Beschädigungen kommen kann. Dennoch kann damit ein entsprechend kleiner Unterraum 7 definiert werden, so dass eine hohe Präzision bei der Bearbeitung erreicht werden kann.

Patentansprüche

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Ansprüche :

1. Vorrichtung (1) zur Bearbeitung eines Bauteils (2), die eine mehrachsige Positioniereinrichtung (4), ein Bearbei tungswerkzeug (3) und eine Steuereinrichtung (14) zur Steuerung der Positioniereinrichtung (4) aufweist, wobei

- das Bearbeitungswerkzeug (3) von der Positioniereinrichtung (4) relativ zu dem Bauteil (2) bewegbar ist, wo bei

- das Bearbeitungswerkzeug (3) durch die Positioniereinrichtung (4) für jede Achse innerhalb eines entsprechenden Arbeitsbereichs bewegbar ist,

dadurch gekennzeichnet, dass

- die Steuereinrichtung (14) dazu eingerichtet ist, die Bewegung der Positioniereinrichtung (4) entlang oder um wenigstens eine beschränkte Achse (10) innerhalb des ent sprechenden Arbeitsbereichs auf einen Unterbereich oder Unterraum zu beschränken, wobei

- die Beschränkung der Bewegung entlang oder um die beschränkte Achse (10) durch eine zusätzliche Bewegungsmög lichkeit der Positioniereinrichtung (4) und/oder des Bau teils (2) um und/oder entlang einer externen Achse (5) kompensiert werden kann.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, das;

- die Steuerung der Bewegung um und/oder entlang der externen Achse (5) durch die Steuereinrichtung (14) erfolgt .

3. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass

- ein Unterraum (7) durch eine Schnittfläche (8) des Bau teils (2) gebildet ist.

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4. Vorrichtung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass

- der Unterbereich oder Unterraum höchstens 50% des entsprechenden Arbeitsbereichs beträgt.

5. Vorrichtung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass

- der Unterbereich oder Unterraum durch einen diskreten Wert innerhalb des Arbeitsbereichs gebildet ist.

6. Vorrichtung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass

- die beschränkte Bewegung mindestens eine beschränkte Rotationsbewegung um mindestens eine beschränkte Achse (10) umfasst.

7. Vorrichtung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass

- die beschränkte Achse (10) mindestens eine vertikale Achse umfasst.

8. Vorrichtung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass

- auf einem Datenträger bauteilspezifische Unterräume (7) gespeichert sind.

9. Vorrichtung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass

- eine Schutzgasvorrichtung vorgesehen ist, wobei

- die Schutzgasvorrichtung derart eingerichtet ist, dass die Schutzwirkung auf den Unterraum (7) beschränkt ist.

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10. Verfahren zur Reparatur eines Bauteils (2), dadurch gekennzeichnet, dass

- die Reparatur unter Verwendung der Vorrichtung (1) nach den Ansprüchen 1 bis 9 durchgeführt wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass

- eine Bearbeitungsstelle (6) des Bauteils (2) durch eine Bewegung entlang einer und/oder um eine externe Achse (5) in einen vordefinierten Unterraum (7) innerhalb des Arbeitsraums bewegt wird und anschließend

- eine Bearbeitung der Bearbeitungsstelle (6) durch ein Bearbeitungswerkzeug (3), das innerhalb des Unterraums (7) bewegt wird, erfolgt.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass

- der Unterraum (7) durch eine Schnittfläche (8) des Bauteils (2) gebildet wird und

- das Bearbeitungswerkzeug (3) während der Bearbeitung ausschließlich in der Ebene der Schnittfläche (8) bewegt wird.