WO 002020109482 A1

Beschreibung

PCT/EP2019/082937

Verfahren und Vorrichtung zur passgenauen Herstellung von Austauschstrukturteilen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur passgenauen Herstellung von Austauschstrukturteilen aus einem Rohling zum Ersatz beschädigter, mit einer Vielzahl von Löchern zur Befestigung an einer aufnehmenden Struktur versehener Strukturbauteile.

Bei der mechanischen Instandsetzung von Strukturen, deren Teile mit einer Vielzahl von Schrauben und/oder Nieten miteinander verbunden sind, muss ein Austauschstrukturteil sowohl in seiner äußeren Formgebung, als auch hinsichtlich der Befestigungslöcher passgenau an die übrigen, bereits bestehenden Strukturbauteile angepasst sein.

Aufgrund von Fertigungstoleranzen, aber auch aufgrund von während des Betriebs auftretenden Verformungen an der Struktur ist es nicht immer möglich, ein Austauschstrukturteil derart vollständig vorzufertigen, dass es unmittelbar in die instandzusetzende Struktur eingefügt werden kann. In solchen Fällen wird auf einen Rohling zurückgegriffen, der die grundsätzliche Form des fraglichen Strukturteils hat, jedoch ein Übermaß aufweist und regelmäßig ohne Befestigungslöcher gefertigt ist. Der Rohling muss dann manuell anhand der instandzusetzenden Struktur und ggf. unter Zuhilfenahme von Schablonen o. Ä. so nachbearbeitet werden, dass er als Austauschstrukturteil passgenau in die Struktur eingefügt werden kann.

Ein Beispiel für ein entsprechendes Austauschstrukturteil ist das Inlet Cowl Lip Skin-Segment eines Flugzeugtriebwerks, also ein Segment der ringförmigen und aerodynamisch ausgeformten Abdeckung am Einlass des Strahltriebwerks eines Flugzeuges, insbesondere eines Verkehrsflugzeugs. Entsprechende Lip Skins bzw. deren Segmente sind mehrfach gekrümmte Komponenten und

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mit hunderten Nietverbindungen in Umfangslänge an der Inlet Cowl Struktur befestigt.

Zum Austausch eines Lip Skin-Segments wird auf einen Rohling zurückgegriffen, der sowohl ohne Bohrungen für die Befestigungselemente - in der Regel Nieten - als auch mit Konturübermaß angeliefert wird. Die relevanten geometrischen Elemente Bohrungen und begrenzende Kanten - müssen anhand der aufnehmenden Inlet Cowl Struktur sowie der übrigen Lip Skin-Segmente in den Rohling übertragen, eingebracht bzw. angepasst werden.

Dies erfolgt gemäß dem Stand der Technik von Hand mittels Messschieber und einer speziellen Lochübertragungsschablone.

Für das Zuschneiden des Rohlings auf die erforderliche Form wird mit Hilfe eines an einem an der Inlet Cowl Struktur zeitweise angebrachten Hilfselement (bspw. einem Klebestreifen) entlanggeführten Messschiebers bei auf die Struktur aufgesetztem Rohling die Außenkontur des benötigten Austauschstrukturteils angezeichnet. Der Rohling wird anschließend entsprechend zugeschnitten.

Für jede einzelne Bohrung wird zunächst per Stift und Schablone eine Markierung auf dem angrenzenden Bereich der Inlet Cowl-Struktur gesetzt. Auf Basis dieser Markierung können die Bohrungspositionen nach Aufsetzen des zugeschnittenen, aber noch ungebohrten Ersatzteils dann auf dieses Ersatzteil zurück übertragen werden. Die erforderlichen Bohrungen können dabei unmittelbar eingebracht oder zunächst nur angezeichnet werden, um zu einem späteren Zeitpunkt gebohrt zu werden.

Das beschriebene manuelle Verfahren ist sehr zeitaufwendig und dadurch kostenintensiv. Zusätzlich erfordern die Prozesse viel Erfahrung der durchführenden Personen, insbesondere Fluggerä-

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temechaniker. Aufgrund der regelmäßig hohen Anzahl an vorzunehmenden Bohrungen besteht aber selbst bei erfahrenen Mechanikern ein inhärentes Fehlerpotenzial, weshalb sich eine reproduzierbare Qualität nur eingeschränkt erzielen lässt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, bei denen die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile nicht mehr oder nur noch in vermindertem Umfang auftreten.

Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren gemäß dem Hauptanspruch sowie eine Vorrichtung gemäß Anspruch 9. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Demnach betrifft die Erfindung ein Verfahren zur passgenauen Herstellung von Austauschstrukturteilen aus einem Rohling zum Ersatz beschädigter, mit einer Vielzahl von Löchern zur Befestigung an einer aufnehmenden Struktur versehener Strukturbauteile, mit den Schritten:

a)

3D-Scannen des Aufnahmebereichs für ein Austauschstrukturteil an der aufnehmenden Struktur umfassend die Stoßkanten für das Austauschstrukturteil und die Boh-

rungen zur Befestigung des Austauschstrukturteils;

b)

Extrahieren von Modelldaten der Stoßkanten und/oder Bohrungen an der aufnehmenden Struktur aus der durch das 3D-Scannen gewonnenen Punktwolke;

c)

Übertragen der extrahierten Modelldaten der Stoßkanten

und/oder Bohrungen auf Modelldaten für Begrenzungskanten und Bohrungen für das Austauschstrukturteil mittels vorgegebener Übertragungsfunktionen;

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d) Ermitteln kollisionsfreier Roboterbahnen zur Übertragung der Modelldaten für Begrenzungskanten und Bohrungen für das Austauschstrukturteil auf den Rohling des Austauschstrukturteils; und

e) Ansteuerung eines Roboters gemäß der ermittelten kollisionsfreien Roboterbahnen zur Übertragung der Modelldaten auf den Rohling.

Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur passgenauen Herstellung von Austauschstrukturteilen aus einem Rohling zum Ersatz beschädigter, mit einer Vielzahl von Löchern zur Befestigung an einer aufnehmenden Struktur versehener Strukturbauteile umfassend

- einen 3D-Scanner zum Scannen des Aufnahmebereichs für ein Austauschstrukturteil an der aufnehmenden Struktur umfassend die Stoßkanten für das Austauschstrukturteil und die Bohrungen zur Befestigung des Austauschstrukturteils;

- eine Steuerungs- und Berechnungsvorrichtung, die dazu ausgebildet ist:

- Modelldaten der Stoßkanten und/oder Bohrungen an der

aufnehmenden Struktur aus der durch das 3D-Scannen gewonnenen Punktwolke zu extrahieren;

- die extrahierten Modelldaten der Stoßkanten und/oder Bohrungen auf Modelldaten für Begrenzungskanten und Bohrungen für das Austauschstrukturteil mittels vor

gegebener Übertragungsfunktionen zu übertragen; und

- Kollisionsfreie Roboterbahnen zur Übertragung der Modelldaten für Begrenzungskanten und Bohrungen für

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das Austauschstrukturteil auf den Rohling des Austauschstrukturteils zu ermitteln; und

- einen Roboter zur Übertragung der Modelldaten auf den Rohling gemäß der ermittelten kollisionsfreien Roboterbahnen.

Die Erfindung schafft demnach ein Verfahren, bei dem ein Austauschstrukturteil auf Basis eines geeigneten Rohlings automatisiert passgenau hergestellt werden kann. Aufgrund der erfindungsgemäß erreichten Automatisierung ist eine kostengünstige Herstellung mit über mehrere Austauschstrukturteile gleichbleibender Qualität möglich.

Die Erfindung hat dabei erkannt, dass für eine passgenaue Herstellung eines Austauschstrukturteils regelmäßig nicht auf Konstruktionszeichnungen o. Ä. zurückgegriffen werden kann, da sowohl die Außenkontur des zu ersetzenden Bauteils, insbesondere aber die Bohrungen zur Befestigung des Bauteils teils erheblichen Fertigungstoleranzen unterliegen und sich die letztlich aufnehmende Struktur im Laufe der Zeit verformen kann. Vielmehr wird unmittelbar auf die Struktur, für welches das Austauschstrukturteil hergestellt wird abgestellt, sodass sämtliche Abweichungen von der ursprünglichen Konstruktion der Struktur bei der Herstellung des Austauschstrukturteils berücksichtigt werden können.

Die vorliegende Erfindung setzt dabei bewusst auf die automatisierte Bearbeitung von Rohlingen bei der Herstellung von Austauschstrukturteilen. Die Erfindung hat nämlich erkannt, dass die Strukturteile, die mit einer Vielzahl an Nieten oder Schrauben an benachbarten Strukturteilen befestigt sind, regelmäßig einer solch hohen mechanischen und/oder thermischen Belastung ausgesetzt sind, dass aufbauende Fertigungsverfah-

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ren, wie bspw. der 3D-Druck, für entsprechende Austauschstrukturteile (derzeit) nicht geeignet sind. Durch die Verwendung von Rohlingen können mechanisch und thermisch ausreichend belastbare Austauschstrukturteile hergestellt werden.

Zu Beginn des Verfahrens wird zunächst der Aufnahmebereich für das herzustellende Austauschstrukturteil an der aufnehmenden Struktur umfassend die Stoßkanten für das Austauschstrukturteil und die Bohrungen zur Befestigung des Austauschstrukturteils daran als 3D-Scan erfasst. In anderen Worten soll nach Entfernen des beschädigten bzw. auszutauschenden Strukturteils derjenige Bereich der Struktur vollständig gescannt werden, der die erforderliche Außenkontur des Austauschstrukturteils sowie sämtliche Bohrungen zur Befestigung des fehlenden und zu ersetzenden Strukturteils umfasst. Das 3D-Scannen erfolgt dabei vorzugsweise berührungslos und kann bspw. mit einem robotergeführten, optischen Messsystem durchgeführt werden.

Das Ergebnis des 3D-Scannens ist eine Punktwolke, welche die Oberfläche der gescannten Struktur - insbesondere umfassend den Anschlussbereich für das herzustellende Austauschstrukturteil - widerspiegelt. Da sich die Punktwolke für die nachfolgenden Schritte nicht unmittelbar verwenden lässt, werden nach der Gewinnung der Punktwolke die Stoßkanten und/oder die Bohrungen der aufnehmenden Struktur aus der Punktwolke ermittelt. Aus der Punktwolke werden also Modelldaten extrahiert, welche die Stoßkanten und/oder Bohrungen wiedergeben. Bei den Modelldaten handelt es sich dabei um logisch und/oder mathematisch beschreibbare 3D-Linien beliebiger Form (Geraden, Kreise, Bögen, Ellipsen, Splines, etc.), wie sie bspw. aus dem Bereich des 3D-CAD bekannt sind. Die extrahierten Modelldaten lassen sich bildlich als Drahtgittermodell vorstellen.

Eine bevorzugte Variante zum Extrahieren von Modelldaten aus Punktwolken umfasst die Schritte:

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Identifizierung von Punkten der Punktwolke als Randpunkte durch Berechnung einer Randpunktwahrscheinlichkeit, vorzugsweise auf Basis des Winkelkriteriums, Halbscheibenkriteriums und/oder Formkriteriums;

Zusammenfassung der identifizierten Randpunkte in einzelne jeweils eine oder mehrere Stoßkanten oder eine Bohrung beschreibende Randpunktgruppen, vorzugsweise basierend auf einer Abstandsmetrik; und

Bestimmen einer analytischen Beschreibung der Rand-

punkte jeder Randpunktgruppe.

In anderen Worten werden zunächst diejenigen Punkte aus der Punktwolke identifiziert, die mit hoher Wahrscheinlichkeit am Rand der von der Punktwolke abgebildeten Struktur liegen, unabhängig davon, ob es sich um eine Begrenzungskante der Struktür an sich oder um die Begrenzung eines Bohrlochs handelt.

Zur Ermittlung der Randpunktwahrscheinlichkeit für jeden einzelnen Punkt der Punktwolke kann auf das Winkelkriterium, Halbscheibenkriterium und/oder Formkriterium zurückgegriffen werden, wie sie ausführlich in G. H. Bendels et.al. "Detecting Holes in Point Set Surfaces" (Journal of WSCG 14, 2006, S. 89-96) und S. Gumhold et al. "Feature extraction from point clouds" (Proceedings of IOth international meshing roundtable, 2001) diskutiert sind.

Anschließend werden die Randpunkte jeweils so in Gruppen zusammengefasst, dass die Randpunkte einer Gruppe jeweils ein geometrisches Merkmal der Struktur - insbesondere also eine Stoßkante oder eine Bohrung - widerspiegeln. Die Zuordnung zu einer Gruppe kann bspw. basierend auf einer Abstandsmetrik erfolgen, bei der nur solche Randpunkte einer Gruppe zugeordnet werden, wenn der Abstand zu wenigstens einem weiteren Randpunkt in der Gruppe unterhalb eines vorgegebenen Schwellwertes

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liegt. Ist der Schwellwert für den Abstand größer als die Auflösung des 3D-Scanners, aber kleiner als der kleinste Abstand zweier benachbarter geometrischer Merkmale der Struktur, ist die gewünschte Zuordnung in die einzelnen Randpunktgruppen regelmäßig sehr zuverlässig.

Für die so ermittelten Randpunktgruppen werden dann jeweils analytische Beschreibungen auf Basis der darin enthaltenen Randpunkte bestimmt. Es wird dabei nach einer analytischen und also logisch und/oder mathematisch ausdrückbaren Funktion gesucht, welche die durch die Randpunkte der jeweiligen Randpunktgruppe abgebildete Kantengeometrie möglichst genau widerspiegelt. Dabei können beliebig komplexe logische und/oder mathematische Funktionen an die Randpunkte der jeweiligen Gruppen angepasst werden. Es ist aber bevorzugt, wenn zumindest für einige zu erwartende geometrische Formen bestimmte analytische Beschreibungen vorgegeben sind, um ggf. an die Randpunkte angepasst zu werden. Bevorzugt wird ein 3D-Kreis - also ein Kreis, dessen Radius und Lage im dreidimensionalen Raum beliebig anpassbar ist - als eine von ggf. mehreren analytisehen Beschreibungen vorgegeben, um damit insbesondere Bohrungen in der Struktur beschreiben zu können.

Es ist bevorzugt, wenn vor oder nach dem Bestimmen der analytischen Beschreibung die für das Austauschstrukturteil irrelevanten Randpunkte, Randpunktgruppen und/oder analytische Be-Schreibungen verworfen werden. Können Randpunkte und/oder Randpunktgruppen bereits vor der Ermittlung einer analytischen Beschreibung dafür als für die Herstellung des Austauschstrukturteils irrelevant ermittelt werden, bspw. weil sie Bohrungen beschreiben, die nicht für die Verbindung mit dem Austauschstrukturteil vorgesehen sind, kann die Rechenleistung für das Ermitteln der analytischen Beschreibung für eben diese Randpunkte und/oder Randpunktgruppen eingespart werden. Ähnliches gilt für bereits ermittelte analytische Beschreibungen: Für

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die Herstellung des Austauschstrukturteils irrelevante analytische Beschreibungen müssen bei den nachfolgenden Schritten nicht weiter berücksichtigt werden, was Rechenleistung einsparen kann.

Die extrahierten Modelldaten, welche die Stoßkanten und/oder die Bohrungen an der aufnehmenden Struktur widerspiegeln, werden mittels vorgegebener Übertragungsfunktionen auf Modelldaten für die Begrenzungskanten und/oder Bohrungen für das Austauschstrukturteil übertragen. Da die extrahierten Modelldaten lediglich die erfasste aufnehmende Struktur abbilden, auf der das Austauschstrukturteil zu liegen kommt bzw. mit der es verbunden werden soll, ist eine Übertragung der Modelldaten der aufnehmenden Struktur auf das Austauschstrukturteil und letztendlich den Rohling nicht immer möglich. Vielmehr ist vorgese- hen, die extrahierten Modelldaten mithilfe von Übertragungsfunktionen in Modelldaten für das Austauschstrukturteil zu überführen, wobei bspw. auf die Dicke des Austauschstrukturteils im Bereich der Bohrungen für Verbindungselemente Rücksicht genommen werden kann. Darüber hinaus ist bevorzugt, wenn bei den Übertragungsfunktionen Abstände zwischen Stoßkanten der Struktur und den jeweiligen Begrenzungskanten der Austauschstruktur vorgesehen werden, bspw. um einen Spalt für Dichtungsmasse zwischen aufnehmender Struktur und Austauschstrukturteil zu schaffen.

Für das Übertragen der extrahierten Modelldaten der Stoßkanten und/oder Bohrungen auf Modelldaten für Begrenzungskanten und Bohrungen für das Austauschstrukturteil kann auf ein 3D-Modell des Rohlings zurückgegriffen werden, um sicherzustellen, dass sich die übertragenen Modelldaten für Begrenzungskanten und Bohrungen für das Austauschstrukturteil tatsächlich auf dem nachfolgend zu bearbeitenden Rohling bzw. dessen Oberfläche wiederfinden.

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Es kann vorgesehen sein, dass die Modelldaten für Begrenzungskanten und Bohrungen für das Austauschstrukturteil manuell überprüft und/oder bearbeitet werden können, bevor die letztendliche Umsetzung der Modelldaten in den Rohling erfolgt.

Auf Basis der ggf. manuell veränderten Modelldaten für Begrenzungskanten und Bohrungen für das Austauschstrukturteil werden anschließend auf bekannte Art und Weise kollisionsfreie Roboterbahnen zur Übertragung dieser Modelldaten auf den Rohling des Austauschstrukturteils ermittelt. Hierzu sind neben den Modelldaten noch Informationen über den Roboter und insbesondere dessen Beweglichkeit erforderlich, die jedoch regelmäßig vorliegen.

Abschließend wird ein Roboter gemäß der ermittelten kollisionsfreien Roboterbahnen zur Übertragung der Modelldaten auf den Rohling angesteuert. Dass Übertragen der Modelldaten auf den Rohling kann dabei das Anzeichnen von Bohrungen und Begrenzungskanten, die anschließend entsprechend - ggf. auch manuell - ausgearbeitet werden, oder aber das unmittelbare Einbringen von Bohrungen und/oder das Fräsen von Begrenzungskanten umfassen. Hierzu geeignete Roboter sind aus dem Stand der Technik bekannt.

Am Ende des Verfahrens liegt ein aus einem Rohling hergestelltes Austauschstrukturteil vor, welches sich passgenau in die aufzunehmende Struktur einfügen und sich unmittelbar an dieser befestigen lässt.

Zur Erläuterung der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird auf die vorstehenden Ausführungen verwiesen.

Die Erfindung wird nun anhand einer bevorzugten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beispielhafthaft beschrieben. Es zeigen:

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Figur 1: schematische Darstellung des Inlet-Cowl-Bereichs

eines Flugzeugtriebwerks mit entferntem, zu ersetzendem Lip Skin-Segment;

Figur 2: einen 3D-Scanner zum Scannen der Inlet Cowl aus

Figur 1;

Figur 3: beispielhafter Ausschnitt einer Punktwolke als

Ergebnis des 3D-Scanners aus Figur 2;

Figur 4: schematische Darstellung der aus einer Punktwolke

gemäß Figur 3 extrahierten Modelldaten der Inlet Cowl aus Figur 1;

Figur 5: schematische Darstellung der auf einen Rohling

übertragenen Modelldaten basierend auf den Modelldaten der Inlet Cowl nebst kollisionsfreier Roboterbahnen; und

Figur 6: schematische Darstellung eines Roboters zur Über

tragung der Modelldaten gemäß Figur 5 auf einen Rohling.

In Figur 1 ist ein Abschnitt einer Inlet Cowl 1 eines Flugzeugtriebwerks dargestellt, aus dem ein defektes Lip Skin-Segment 2 bereits entfernt ist. Die dazu benachbarten Lip Skin-Segmente 2 sind an der Inlet Cowl 1 verblieben, ebenso wie die Verbindungslaschen 3, mit dem die Lip Skin-Segmente 2 an der Inlet Cowl 1 sowie den benachbarten Lip Skin-Segmenten 2 verbunden werden. Die Verbindungslaschen 3 weisen dazu ein Lochbild 4 auf, um jeweils mit den darüber zu verbindenden Teilen durch Nieten 5 fest verbunden zu werden.

Die Inlet Cowl 1 sowie die daran verbliebenden Lip Skin-Segmente 2 nebst Verbindungslaschen 3 bilden eine aufnehmende

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Struktur 10 im Sinne der vorliegenden Erfindung mit einem Aufnahmebereich 11 für ein Austauschstrukturteil 40 als Ersatz für das bereits entfernte defekte Lip Skin-Segment 2. Damit das Austauschstrukturteil 40 in den Aufnahmebereich 11 passt, muss zum einen dessen Außenkontur an die durch die aufnehmende Struktur 10 definierte Begrenzung des Aufnahmebereichs 11 angepasst sein, zum anderen muss das für die Befestigung an dem Austauschstrukturteil 40 vorzusehende Muster an Bohrungen 41 auf die dafür vorgesehenen Bohrungen 13 in den Verbindungslasehen 3 ausgelegt sein. Die in diesem Zusammenhang relevanten Stoßkanten 12 sowie die Bohrungen 13 in den Verbindungslaschen 3 sind in Figur 1 angegeben.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Aufnahmebereich 11 per 3D-Scan-Verfahren erfasst wird.

In Figur 2 ist exemplarisch eine für den gewünschten 3D-Scan geeignete Vorrichtung 20 gezeigt.

Die Vorrichtung 20 umfasst einen Roboter 21 und einen um eine vertikale Achse 22 drehbaren Werkstückträger 23 zur Aufnahme der aufnehmenden Struktur 10. Der Roboter 21 weist einen Werkzeugwechsler 24 auf, wobei ein Werkzeug ein Laserliniensensor 25 ist. Der Roboter 21 inkl. dem Werkstückträger 23, der Werkzeugwechsler 24 sowie der Laserliniensensor 25 werden jeweils über ihnen zugeordnete Steuerungseinheiten 26, 27, 28 gesteuert, die über ein Bus-System 29 mit einer übergeordneten Steuerungs- und Berechnungsvorrichtung 30 verbunden sind, welche die verschiedenen Komponenten der Vorrichtung 20 koordiniert. An der Steuerungs- und Berechnungsvorrichtung 30 ist außerdem ein Terminal 31 angeordnet, über welches ein Nutzer auf die Steuerung der Vorrichtung 20 Einfluss nehmen kann.

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Aufgrund des Werkzeugwechslers 24 ist es möglich, den Roboter 21 wahlweise mit einem Markierstift oder Bearbeitungselementen, wie Bohrer oder Fräser, zu versehen, sodass die Vorrichtung 20 gemäß Figur 2 grundsätzlich auch für die in Zusammenhang mit Figur 6 erläuterte Bearbeitung eines Rohlings 39 geeignet ist.

Die Steuerungs- und Berechnungsvorrichtung 30 steuert die Vorrichtung 20 so, dass der in der Figur 1 dargestellte Aufnahmebereich 11 der aufnehmenden Struktur 10 vollständig erfasst wird. Der Laserliniensensor 25 liefert als Ergebnis eine Punktwolke 32 des Aufnahmebereichs 11 inklusive der relevanten Stoßkanten 12 und der Bohrungen 13. Ein beispielhafter Ausschnitt einer entsprechenden Punktwolke 32 ist in Figur 3 dargestellt.

Aus der Punktwolke 32 werden anschließend durch die Steuerungs- und Berechnungsvorrichtung 30 Modelldaten der Stoßkanten 12 und der Bohrungen 13 extrahiert. Dazu werden zunächst die Randpunkte in der Punktwolke 32 durch Berechnung einer Randpunktwahrscheinlichkeit auf Basis des Winkelkriteriums, des Halbscheibenkriteriums sowie des Formkriteriums ermittelt, wie es aus der Literatur bekannt ist. Anschließend werden diese identifizierten Randpunkte basierend auf einer Abstandsmetrik in einzelne jeweils eine oder mehrere Stoßkanten 12 cider eine Bohrung 13 beschreibende Randpunktgruppen zusammenge- fasst, für die dann jeweils eine analytische Beschreibung bestimmt wird. Für die Bohrungen 13 ist als analytische Beschreibung ein 3D-Kreis vorgegeben, für die Stoßkanten 12 eine auf die Oberfläche des Rohlings, welche in Form von 3D-CAD-Daten vorliegt, projizierte Gerade.

Nach Bestimmung der analytischen Beschreibung für sämtliche in der Punktwolke 32 identifizierbare Stoßkanten 12 und Bohrungen

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13 werden anschließend die für die Herstellung des Austauschteils 40 irrelevanten analytischen Beschreibungen - bspw. sämtliche Bohrungen 13 außerhalb der Stoßkanten 12 - verworfen, sodass im Ergebnis nur analytische Beschreibungen der tatsächlich relevanten Geometrie des Aufnahmebereichs 11 verbleiben. Diese lassen sich bspw. als 3D-CAD-Modell darstellen, wie es in Figur 4 als vereinfachte, insbesondere hinsichtlich der Anzahl der Bohrungen 13 stark reduzierte Draufsicht gezeigt ist.

Basierend auf den extrahierten Modelldaten der Stoßkanten 12 und Bohrungen 13 im Aufnahmebereich 11 der aufnehmenden Struktur 10 werden anschließend durch die Steuerungs- und Berechnungsvorrichtung 30 mithilfe von vorgegebenen Übertragungsfunktionen Modelldaten für die Begrenzungskanten 42 und Boh- rungen 41 für das Austauschstrukturteil 40 ermittelt, damit dieses passgenau zum Aufnahmebereich 11 der aufnehmenden Struktur 10 ist. Dabei wird bspw. die Position der Bohrungen 41 unter Berücksichtigung der Wandstärke des Rohlings 39 angepasst. Außerdem werden die Begrenzungskanten 42 so verändert, dass im eingesetzten Zustand des aus dem Rohling 39 hergestellten Austauschstrukturteils 40 in den Aufnahmebereich 11 der aufnehmenden Struktur 10 zwischen Begrenzungskanten 42 und Stoßkanten 12 ein Spalt zur Aufnahme von Dichtmaterial vorhanden ist.

Die so gewonnenen Modelldaten für die Begrenzungskanten 42 und Bohrungen 41 für das Austauschstrukturteil 40 lassen sich ebenfalls als 3D-CAD-Daten darstellen, wie es in Figur 5 analog zur Darstellung aus Figur 4 gezeigt ist. Diese Modelldaten lassen sich bei Bedarf noch manuell anpassen.

Sind die Modelldaten - bspw. über das Terminal 31 - von einem Nutzer freigegeben, werden in einem nächsten Schritt von der

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Steuerungs- und Berechnungsvorrichtung 30 kollisionsfreie Roboterbahnen 43 zur Übertragung der Modelldaten für Begrenzungskanten 42 und Bohrungen 41 für das Austauschstrukturteil 40 auf einen Rohling 39 ermittelt. Diese Roboterbahnen 43 Iassen sich unter Berücksichtigung der Freiheitsgrade des Roboters 20 auf bekannte Art und Weise ermitteln und sind in Figur 5 angedeutet.

Die so ermittelten Roboterbahnen 43 werden dann zur Ansteuerung des Roboters 20 verwendet, mit dem die Modelldaten auf den Rohling 39 übertragen werden (Figur 6). Der Roboter 20 führt dabei die Bohrungen 41 unmittelbar selbst aus, während die Begrenzungskanten 42 auf dem Rohling 39 lediglich angezeichnet werden, sodass in einer manuellen Bearbeitung das gewünschte Austauschteil 40 aus dem Rohling 39 ausgelöst werden kann. Aus dem Rohling 39 entsteht somit durch Bearbeitung durch den Roboter 20 und durch anschließende manuelle Bearbeitung das Austauschstrukturteil 40. Der Wechsel zwischen Bohrer und Markierstift erfolgt mithilfe des Werkzeugwechslers 24.

Das so hergestellte Austauschstrukturteil 40 passt unmittelbar in den Aufnahmebereich 11 der aufnehmenden Struktur 10. Ein weiteres Einpassen ist grundsätzlich nicht erforderlich.

Patentansprüche

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Patentansprüche

Verfahren zur passgenauen Herstellung von Austauschstrukturteilen (40) aus einem Rohling (39) zum Ersatz beschädigter, mit einer Vielzahl von Löchern zur Befestigung an einer aufnehmenden Struktur (10) versehener Strukturbauteile, mit den Schritten:

a) 3D-Scannen des Aufnahmebereichs (11) für ein Austauschstrukturteil (40) an der aufnehmenden Struktur (10) umfassend die Stoßkanten (12) für das Austauschstrukturteil (40) und die Bohrungen (13) zur Befestigung des Austauschstrukturteils (40);

b) Extrahieren von Modelldaten der Stoßkanten (12) und/oder Bohrungen (13) an der aufnehmenden Struktur (10) aus der durch das 3D-Scannen gewonnenen Punktwolke (32) ;

c) Übertragen der extrahierten Modelldaten der Stoßkanten (12) und/oder Bohrungen (13) auf Modelldaten für Begrenzungskanten (42) und Bohrungen (41) für das Austauschstrukturteil (40) mittels vorgegebener Übertragungsfunktionen ;

d) Ermitteln kollisionsfreier Roboterbahnen (43) zur Übertragung der Modelldaten für Begrenzungskanten (42) und Bohrungen (41) für das Austauschstrukturteil (40) auf den Rohling (39) des Austauschstrukturteils (40); und

e) Ansteuerung eines Roboters (20) gemäß der ermittelten kollisionsfreien Roboterbahnen (43) zur Übertragung der Modelldaten auf den Rohling (39).

Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass

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das Extrahieren von Modelldaten der Stoßkanten (12) und/oder Bohrungen (13) an der aufnehmenden Struktur (10) aus der durch das 3D-Scannen gewonnenen Punktwolke (32) die Schritte umfasst:

- Identifizierung von Punkten der Punktwolke (32) als Randpunkte durch Berechnung einer Randpunktwahrscheinlichkeit, vorzugsweise auf Basis des Winkelkriteriums, Halbscheibenkriteriums und/oder Formkriteriums;

- Zusammenfassung der identifizierten Randpunkte in einzelne jeweils eine oder mehrere Stoßkanten (12) oder eine Bohrung (13) beschreibende Randpunktgruppen, vorzugsweise basierend auf einer Abstandsmetrik; und

- Bestimmen einer analytischen Beschreibung der Randpunkte jeder Randpunktgruppe.

Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass

zur Bestimmung einer analytischen Beschreibung verschiedene analytische Beschreibungen vorgegebenen sind, wobei die vorgegebenen analytischen Beschreibungen einen 3D-Kreis zur Beschreibung von Bohrungen (13) umfassen.

Verfahren nach Anspruch 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet, dass

vor oder nach dem Bestimmen der analytischen Beschreibung die für das Austauschstrukturteil (40) irrelevanten Randpunkte, Randpunktgruppen und/oder analytischen Beschreibungen verworfen werden.

Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass

die Übertragungsfunktion zur Übertragung der extrahierten

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Modelldaten der Stoßkanten (12) auf Modelldaten für Begrenzungskanten (42) Vorgaben hinsichtlich Abständen zwischen Stoßkanten (12) und Begrenzungskanten (42) berücksichtigen.

Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass

das Übertragen der Modelldaten auf den Rohling (39) das Anzeichnen von Bohrungen und Begrenzungskanten, das Einbringen von Bohrungen und/oder das Fräsen von Begrenzungskanten umfasst.

Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass

das 3D-Scannen berührungslos ist und vorzugsweise mit einem robotergeführten, optischen Messsystem (25) durchgeführt wird.

Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass

Modelldaten für Begrenzungskanten (42) und Bohrungen (41) für das Austauschstrukturteil vor der Ermittlung kollisionsfreier Roboterbahnen (43) manuell überprüft und/oder bearbeitet werden.

Vorrichtung zur passgenauen Herstellung von Austauschstrukturteilen (40) aus einem Rohling (39) zum Ersatz beschädigter, mit einer Vielzahl von Löchern zur Befestigung an einer aufnehmenden Struktur (10) versehener Strukturbauteile umfassend

- einen 3D-Scanner zum Scannen des Aufnahmebereichs (11) für ein Austauschstrukturteil (40) an der aufnehmenden Struktur (10) umfassend die Stoßkanten (12) für das Austauschstrukturteil (40) und die Bohrungen (13) zur Befestigung des Austauschstrukturteils (40);

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- eine Steuerungs- und Berechnungsvorrichtung (30), die dazu ausgebildet ist:

- Modelldaten der Stoßkanten (12) und/oder Bohrungen (13) an der aufnehmenden Struktur (10) aus der durch das 3D-Scannen gewonnenen Punktwolke (32) zu extrahieren;

- die extrahierten Modelldaten der Stoßkanten (12) und/oder Bohrungen (13) auf Modelldaten für Begrenzungskanten (42) und Bohrungen (41) für das Austauschstrukturteil (40) mittels vorgegebener Übertragungsfunktionen zu übertragen; und

- Kollisionsfreie Roboterbahnen (43) zur Übertragung der Modelldaten für Begrenzungskanten (42) und Bohrungen (41) für das Austauschstrukturteil (40) auf den Rohling (39) des Austauschstrukturteils (40) zu ermitteln; und

- einen Roboter (20) zur Übertragung der Modelldaten auf den Rohling (39) gemäß der ermittelten kollisionsfreien Roboterbahnen (43).

10. Vorrichtung nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet, dass

die Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 2 bis 8 ausgebildet ist.