EP2475955A1 - Prüfvorrichtung, prüfapparatur und prüfverfahren für profilnuten - Google Patents

Prüfvorrichtung, prüfapparatur und prüfverfahren für profilnuten

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EP2475955A1
EP2475955A1 EP10754451A EP10754451A EP2475955A1 EP 2475955 A1 EP2475955 A1 EP 2475955A1 EP 10754451 A EP10754451 A EP 10754451A EP 10754451 A EP10754451 A EP 10754451A EP 2475955 A1 EP2475955 A1 EP 2475955A1
Authority
EP
European Patent Office
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test
groove
cross
distance sensors
measuring
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP10754451A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Wolfram Knoche
Niels König
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Priority to EP10754451A priority Critical patent/EP2475955A1/de
Publication of EP2475955A1 publication Critical patent/EP2475955A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/24—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures
    • G01B11/245—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures using a plurality of fixed, simultaneously operating transducers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D17/00—Regulating or controlling by varying flow
    • F01D17/02—Arrangement of sensing elements
    • F01D17/04—Arrangement of sensing elements responsive to load
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D21/00—Shutting-down of machines or engines, e.g. in emergency; Regulating, controlling, or safety means not otherwise provided for
    • F01D21/003—Arrangements for testing or measuring
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/30—Fixing blades to rotors; Blade roots ; Blade spacers
    • F01D5/3007—Fixing blades to rotors; Blade roots ; Blade spacers of axial insertion type
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/30—Fixing blades to rotors; Blade roots ; Blade spacers
    • F01D5/3092—Protective layers between blade root and rotor disc surfaces, e.g. anti-friction layers
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
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    • G—PHYSICS
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    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B5/00—Measuring arrangements characterised by the use of mechanical techniques
    • G01B5/20—Measuring arrangements characterised by the use of mechanical techniques for measuring contours or curvatures
    • G01B5/205—Measuring arrangements characterised by the use of mechanical techniques for measuring contours or curvatures of turbine blades or propellers

Definitions

  • Test device test apparatus and test method for
  • the present invention relates to a test specimen and a test device for profile grooves, in particular for Tannuten in wheels for mounting blades in turbines such as steam turbines of power plants.
  • Blades of turbines in particular of a larger design, such as those used in power plants, are usually mounted with their blade root individually in profiled grooves, which are partially helically incorporated into the outer cylindrical surface of the wheels.
  • Extending to the groove bottom towards ver ⁇ monyenden groove flanks have a plurality, typically three, opposing pairs of longitudinal grooves on, resulting in a typical cross-sectional shape of the groove profile yields, also referred to as "Tannennut”.
  • the respective Obersei ⁇ th of the grooves forming supporting shoulders against which the corresponding mating shoulders of the blade roots are supported.
  • the tolerances for the distance deviation of the opposing support shoulders from one another are 0 to -0.02 mm, for the parallelism deviation of the support shoulders to the nominal contour also from 0 to -0.02 mm, for the width deviation of the groove between +0.3 and -0.1 mm, for the height deviation in the range of 0.01 mm and for the deviation of the radius of curvature in the range around 0.02 mm.
  • both groove flanks are milled together in one cut.
  • both sides are milled individually Müs ⁇ sen. This leads to new sources of error.
  • the cutter is pushed away by the one-sided engagement and the tracks can be milled eccentrically or offset in height.
  • a geometric measurement of the groove profile is possible with coordinate measuring instruments and tactile buttons, but only for accessible spaces, which are usually available only at the beginning and end of the groove. This precludes continuous groove testing for acceptance testing and control of the manufacturing process. In addition, the measuring time of such a test is too long and not suitable for the factory.
  • An object of the invention is to provide a testing device, a testing apparatus and a test method for profile grooves, in particular of grooved grooves in impellers for mounting blades on turbines, which make it possible to determine manufacturing errors with high accuracy, reliable and over the entire length of the groove.
  • a test device for testing the cross-sectional profile of profile grooves, in particular of grooved grooves has:
  • a substantially prismatic specimens with a cross section profile corresponding to the cross sectional profile of the profiled to examine ⁇ least in interest Konturabschnit- the support element and the groove bottom of the furrow grooves, is modeled, wherein the cross-sectional size of the fürturabschnit- the support element and the groove bottom of the furrow grooves is smaller than that of the groove, and a group of distance sensors, which are arranged in measuring surfaces of the test specimen, preferably perpendicular to this, wherein the
  • a test specimen according to this aspect is thus formed in cross-section like a blade root of a rotor blade to be fastened in the groove. It forms, based on a radia ⁇ len section through the arc, which describes the blade groove, the counterpart to the formed as contact surfaces for the blade roots (support shoulders) profile area. Since the test specimen is smaller overall than the groove, it can be inserted into the groove and moved over the entire length of the groove. With the distance sensors arranged in the measuring surfaces, the distance of the same from the contour sections of interest of the groove, ie, the contact surfaces of the tine groove, can be determined. Since the contour of the test specimen and the position of the distance sensors is known, the geometry of the groove in the test cross section can thus be determined.
  • this cross-section plane ⁇ defines the test section.
  • the sensors are arranged in the middle cross-sectional plane of the test piece, so that the symmetry of the test piece can be utilized.
  • This parallel measuring level defines a secondary measuring level.
  • a plurality of partial bodies of the same cross-section are connected to one another in order to form the test body, wherein the distance sensors are each arranged in the connecting plane of two partial bodies.
  • the cross-sectional shape of the specimen has a substantially trapezoidal basic shape, the oblique sides corresponding to the groove flanks and the narrow of the parallel sides corresponding to the groove bottom and defining a measuring surface, and a plurality, preferably two or three, projecting from the oblique sides, to the outside tapered and the bottom of the groove towards becoming smaller projections, wherein the upwardly facing sides of the projections each define a measuring surface.
  • the specimen is adjusted to the pro ⁇ filform a Tannennut in wheels for mounting rotor blades on turbines.
  • At least two distance sensors are arranged in the second measuring plane in the measuring surface opposite the groove base. Such an arrangement facilitates the use of the method in narrow measuring ranges, while with a wider measuring range at this point a distance sensor can be sufficient.
  • measuring surfaces are provided, each of which faces a cone section of the groove, and at least one distance sensor is provided in each measuring surface opposite a cone section of the groove.
  • Milling cutter regardless of other influences such as errors on the support flank angle, are determined. If the actual cone angle on the profile milling tool is known, the geomet- deviations resulting from the lateral milling cutter displacement and an error at the support flank angle are differentiated. Because these two disturbance variables can each be quantified independently of one another, the slot width for each required reference plane can be determined independently of any angular errors.
  • the two distance sensors of each cone section are placed one above the other and arranged opposite their respective distance sensors on the other cone section.
  • the test device has a Abdschreib worn for pressing the test piece from the groove bottom.
  • the Ab ⁇ pressing device has in particular a pneumatic cylinder used in an axial bore of the test specimen and a punch, which is extendable by means of the action of the pneumatic cylinder of the bottom surface of the specimen on.
  • the test piece can be pressed against the upper contact surfaces of the groove and aligned with these and fixed in the groove for the measurement.
  • the stakes can be exchangeable.
  • the push-off device may preferably be driven electromechanically.
  • One or two grooves are preferably formed in the measuring surfaces defined on the upward-facing sides of the upper projections, in each of which an insert made of a wear-resistant material is arranged and fastened, the inserts rising slightly above the measuring surfaces.
  • a defined nominal distance of the measuring surfaces is predetermined by the contact surfaces of the groove, a stable seat of the measuring device in the groove is achieved and wear on the measuring surfaces during frequent use is avoided.
  • the distance sensors are particularly preferably fiber-optic distance sensors whose ferrules open in the measuring surfaces and whose optical fibers are laid inside the test body.
  • the use of fiber-optic distance sensors in a test piece adapted to the shape of the groove allows a highly accurate measurement of the groove cross section and a compact Design.
  • the fiber optic distance sensors integrate the actual sensor (the ferrule) with the supply line (the optical fibers).
  • the ferrules can be placed with high precision in corresponding recesses and define the sensor position by their front end.
  • the ferrules are made of a ceramic material and the optical fibers are fixed therein.
  • a test apparatus for testing the cross-sectional profile of profile grooves, in particular fur grooves, a test specimen as described above and a control unit for driving the distance sensors and possibly the Abdschreib founded for receiving and evaluating signals from the Ab - Position sensors, and is set up to output evaluation results.
  • a memory device for storing the evaluation results may also be provided. With such an apparatus, the signals of the distance sensors can be evaluated and made visible. In addition, a systematic and automatic testing of several test ⁇ cross sections is possible.
  • a method of testing the cross-sectional profile of profiled grooves comprises the steps of: inserting a specimen as described above; Be ⁇ because of the test piece along the groove longitudinal direction up to a predetermined test cross-section; Moving the test specimen in the vertical direction until the test specimen is placed on the groove profile; Activating the distance sensors and receiving signals from them; and determining and preferably outputting a distance value for each distance sensor.
  • Fig. 1 is an overall perspective view of a test piece according to a first embodiment of the invention
  • Fig. 2 is an exploded view of the test specimen of Fig. 1;
  • Fig. 3 is a main part of the test specimen of Fig. 1 and 2 with
  • Figure 5 is a workpiece having a portion with a Tannennut ⁇ set, test specimens.
  • FIG. 6 shows a calibration with a Tannennut with inserted specimen.
  • Fig. 7 is an exploded view of a test specimen according to
  • Fig. 8 is a main part of the test specimen of Fig. 7 in something
  • Fig. 9 is a bottom of the main piece of Fig. 8 in an enlarged view and in again somewhat different ⁇ Licher perspective.
  • test piece 1 of the present invention will be explained with reference to the illustration in Figs. 1 to 4.
  • Fig. 1 shows the test specimen 1 as a first109sbei ⁇ game in a perspective overall view.
  • the test specimen 1 has a prismatic contour with a symmetrical trapezoidal base cross section, from which protrude a plurality of lateral projections (described in more detail below).
  • the parallel sides of the trapezoid describe an upper side and a lower side (bottom surface) of the test piece 1.
  • a connection surface 2 of the test piece 1 which is defined by the upper side of the trapezoidal basic cross-section, abuts an unspecified tool holder for guiding and holding the test piece 1.
  • An axial bore 3 extends in the symmetry axis of the test specimen 1 from the connection surface 2 through the test specimen 1.
  • the oblique sides of the trapezoidal cross-section define lateral sides or flanks 4 of the test specimen. From ⁇ at the flanks 4 each have three projections 5, 6, 7 from the trapezoidal base cross section to the outside.
  • the upper protrusion 5 and the middle protrusion 6 are defined on both sides of the respective edge 4, while the lower projection 7 in the bottom surface passes (in FIG. 4 with 24 denotes) of educakör ⁇ pers. 1
  • the cross-sectional shape of the test piece 1 is adapted to a groove profile to be tested (in this case a fur groove), wherein a clearance is present between the sides of the test piece 1 and the groove.
  • the flanks 4 of the test piece 1 correspond approximately to the groove flanks and corresponds to the
  • measuring surface 5a of the upper projections 5 two webs 8, 9 are inserted in each case.
  • the ridges 8, 9 allow de ⁇ finêt alignment of the test piece 1 to the uppermost plant-ge vom the groove.
  • the webs 8, 9 are made of hard metal or another suitable, in particular seal-resistant material and improve the wear properties of the test specimen. 1
  • measuring points MP are arranged on ⁇ , which will be described in more detail below in connection with FIGS. 3 and 4.
  • Fig. 2 shows an exploded view of a three-part structure of the specimen 1, as it is not visible in Fig. 1.
  • the test body 1 consists of a main piece 10, a middle piece 11 and an end piece 12, which each have the same prismatic contour and lie against one another in the profile direction.
  • the main piece 10 is as thick as the middle piece 11 and the end piece 12 together.
  • the bore 3 is divided in a plane extending in the axial direction and extends to a first portion 3a in the main piece 10 and to a second portion 3b in the center piece 11.
  • an inner groove 13 and an outer groove 14 is shown on each of the upper support shoulders 5, which extend over the main piece 10, the middle piece 11 and the end piece 12.
  • the grooves 13, 14 receive the webs 8, 9 (see Fig. 1).
  • Fig. 3 shows the structure of the main part 10 of the specimen 1 in more detail.
  • a pneumatic cylinder 15 is received in the axial bore 3 (here only the bore portion 3a shown).
  • the pneumatic cylinder 15 serves to press the test specimen 1 against the groove bottom and will be explained in more detail below.
  • Optical fibers 16 and ferrules 17 form respective measuring probes (fiber-optic distance sensors) which serve to measure the distance between defined points of the test body 1 and the groove wall.
  • the ferrules 17 are made of a suitable material such as ceramic and in outputs (not shown closer), which are introduced in the parting plane between the sections of the specimen 1.
  • the off ⁇ gears are with high accuracy with respect to depth, incorporated by ⁇ diameter and angle in the specimen. 1
  • the light conductors are extending 16 (not shown in detail) from there in suitable grooves which initially ver ⁇ running from outputs from radially inwardly and then on both sides along the axial bore 3 for the connection surface 2 of the test piece 1, where they are combined and added to a Ausnceapparatur (not shown in detail) are performed.
  • the arrangement of the probes is as follows. On both sides of the specimen 1 in the measuring surface 5a, 6a, 7a of each pre ⁇ leap 5, 6, 7 as well as in the bottom surface of the test piece 1 in the parting plane between the main piece 10 and the central piece, two probes 16, arranged 17th The parting plane between the main piece 10 and the center piece forms a main measuring plane.
  • the ferrules 17 form the 1 attached interpret ⁇ th in Fig. Measuring points MP, which are numbered in Fig. 3 separately.
  • the assignment of the sensors 16, 17 and the measuring points MP to their position on the test specimen 1 is shown in Table 1 below.
  • probes or sensors 16, 17 there are a total of nineteen probes or sensors 16, 17 are provided.
  • the ferrules 17 and light guides 16 are secured in the bores or grooves by a suitable means, such as a UV adhesive.
  • the individual pieces 10, 11, 12 of the specimen 1 are also connected together in the assembled state by suitable means, such as glued or screwed, possibly additionally pinned.
  • the pneumatic cylinder 15 has a cylinder body 18 which is accommodated in the upper third of the test body 1 in the axial bore 3 and is held by means of an upper guide 19.
  • the movable part 20 of the pneumatic cylinder 15 is connected by means of a thread with a punch 21, which extends to the underside of the specimen.
  • the area of the lower protrusions 7 is slightly modified from the illustration in FIG. 3. ie, seen more from the right side, and shown in enlarged view.
  • the punch 21 is held in a lower guide 22 and is in the retracted state of the pneumatic cylinder (15) shown here within an outlet bore 23, which is aligned with the axial bore 3.
  • the punch 21 projects out of the outlet opening 21 beyond the plane of the bottom surface 24 of the test piece 1.
  • the punch presses against the groove bottom and presses the test body with the webs 8 ( Figure 1) against the contact surfaces of the groove profile. if ideally aligned, the specimen is thus brought into contact at several points.
  • a stable fit of the test body 1 can be achieved by means of a special bevel.
  • FIG. 5 shows the arrangement of a test body 1 ⁇ in a profile groove, which is incorporated in a workpiece section 25.
  • the groove has a curvature and thus forms a concave flank 26 and a convex flank 27.
  • the test piece 1 ⁇ is a modification of the test piece 1 and has on its upper side instead of an axial bore a slot through which the optical fibers of the distance sensors to lead.
  • Fig. 6 shows the arrangement of the test piece 1 in a test ⁇ body 28 cut with a profile groove of asymmetrical cross section.
  • test apparatus The extension of the test apparatus to a test apparatus and its mode of operation will be explained below.
  • a test apparatus (not shown in detail) has a ver ⁇ mobile holder, a control unit with control and evaluation on and a pressure generating device for generating the required pressure for the pneumatic cylinder.
  • the controller has the known per se on ⁇ construction of a computer with CPU, RAM, ROM, internal and / or ex ⁇ ternem memory, an I / O bus for communication with peripheral devices for inputting data and commands, and for outputting data, a network connection and the like.
  • the Holder has actuators such as pneumatic or hydraulic cylinders, motors, transmissions or the like and suitable transmission links as well as displacement and angle encoders known per se. Further, means for feedback of motion resistance are provided, such as by direct force or moment measurement or by measurement of engine torque, motor voltage or power, pneumatic or hydraulic pressure, or the like.
  • actuators such as pneumatic or hydraulic cylinders, motors, transmissions or the like and suitable transmission links as well as displacement and angle encoders known per se.
  • means for feedback of motion resistance are provided, such as by direct force or moment measurement or by measurement of engine torque, motor voltage or power, pneumatic or hydraulic pressure, or the like.
  • the test piece 1 is clamped in the movable holder and inserted into the groove.
  • the test ⁇ body 1 is moved to a predetermined test cross-section and fixed there by means of the pneumatic cylinder 15 with a predetermined force.
  • the distance sensors are activated and receive the response signals.
  • the response signals in the transmitter in distance values converted therefrom and on the
  • the groove width is calculated from the distance of the sensors in the bottom surface, are calculated from the distances of the other sensors in the main measuring level, the relative position of the contact surfaces in the selected measuring points (MP) and the average angular position of the izoflä ⁇ chen calculated, and are calculated from the distances of the sensors in the secondary measurement level misalignments of the test specimen.
  • the arrangement of the grooves 13, 14 with webs 8, 9 inserted therein is purely exemplary. In modifications, more or fewer webs can be used. It can also extend webs transverse to the profile longitudinal direction, depending on how it is advantageous for a secure fit in the groove. Particularly preferred are three specially shaped webs, e.g. on the concave side of the groove a longitudinal web is arranged and on the convex side of the groove two transverse webs are arranged. Other arrangements are conceivable. Especially with three webs can be achieved by a special bevel of the webs a stable seat of the test device over three contact points (and the punch 21 at the bottom of the groove as fourth investment point).
  • the arrangement of the distance sensors can be changed as needed.
  • FIGS. 7 to 9 show a test specimen 100 as a second embodiment of the invention.
  • the procedures and considerations shown for the first out ⁇ leadership example and described are, unless otherwise stated in the following description, to this second exporting ⁇ insurance for applicable.
  • the test body 100 of this embodiment is according to the exploded view in Fig. 7 in its basic form as the test specimen 1 of the first embodiment with symmetrical tra ⁇ pezförmigem basic cross-section, from which protrude the lateral projections 5, 6, 7, constructed and also from the main ⁇ piece 10, the center piece 11 and end piece 12, each having the same prismatic contour and lie against each other in the profile direction.
  • the hole in the middle axis and the Abdrück shark is to refer to the above description of the first embodiment ⁇ .
  • two bores 38 extending in the longitudinal direction of the profile, each having a countersink 39, can be seen in the end piece 12. Although not visible in the figure, these bores are aligned with corresponding bores in the center piece 11 and threaded bores 40 (see Fig. 8) in the main piece 10.
  • This bore arrangement serves to receive fixing elements such as screws extending from the front side of the End piece 12 introduced from and screwed into the Gewindeboh ⁇ tion 36.
  • the threaded bore 40 is a simple Boh ⁇ tion, optionally provided with a counterbore on the back, and rivets for non-detachable connection of the pieces 10, 11, 12 is used).
  • a centering pieces 10 , 11, 12 via pins 41 which extend through the center piece 11 and sit in blind holes (not shown in detail) in the main piece 10 and the end piece 12.
  • pins 41 which extend through the center piece 11 and sit in blind holes (not shown in detail) in the main piece 10 and the end piece 12.
  • a screw or the like it is also conceivable to connect the components, for example by means of a PU adhesive or the like.
  • Fig. 9 shows the area of the bottom surface 24 in an enlarged view.
  • the essential difference between the test specimen 100 and the test specimen 1 lies in the arrangement of the distance sensors or measuring points (cf., FIGS. 8 and 9). (Due to the different arrangement, the counting of the measuring points also shifts.) The staggering (double occupation) of the distance sensors in the bottom surface 24 is eliminated. Thus, in the ground plane 24 in the primary measurement plane only two distance sensors (left and right one each) in the measuring points MP9 and MP10 and in the secondary measuring plane, only one distance sensor in the measuring point MP11 available. This eliminates three measuring points. The remaining measuring points lie in the outer area in order to obtain a good angular resolution over as large a distance as possible.
  • test piece 1 can also be used without a movable holder. Namely, the test specimen 1 can also be manually inserted into the groove to be tested and moved to the desired test cross section, then the pneumatic cylinder can be activated and the measurement can be triggered.
  • test specimen may also have measuring points in further measuring levels in addition to the main measuring level and the secondary measuring level.
  • the test specimen 1 can have more than three part bodies. It is understood that the proposed test device for other groove shapes only requires a change in the cross-sectional geometry. In summary, the proposed test device allows the measurement of the relevant parameters, ie the support shoulder distances and angles as well as the groove width. These characteristics are important not only for the correct insertion of the blade feet, but also for an even load distribution in the later operation.
  • test device for profile grooves can also be used for the analysis of existing processes in which reference has hitherto been made to the tool geometry. On the basis of the gained insights optimization steps for the process can be derived.

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Abstract

Nach einem ersten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung weist eine Prüfvorrichtung zur Prüfung des Querschnittsprofils von Profilnuten, insbesondere von Tannennuten, auf : einen im Wesentlichen prismatischen Prüfkörper (1) mit einem Querschnittsprofil, das dem Querschnittsprofil der zu prüfenden Profilnut wenigstens in interessierenden Konturabschnitten, insbesondere Tragschultern (5) und Nutgrund der Tannennuten, nachempfunden ist, wobei die Querschnittsgröße des Prüfkörpers (1) kleiner als diejenige der Nut ist, und eine Gruppe von Abstandssensoren (16, 17), die in Messflächen (5a, 6a, 7a) des Prüfkörpers (1), vorzugsweise senkrecht zu diesen, angeordnet sind, wobei die Messflächen (5a, 6a, 7a) interessierenden Konturabschnitten der Profilnut, insbesondere Anlageflächen der Tannennut, entsprechen.

Description

Beschreibung
Prüf orrichtung, Prüfapparatur und Prüfverfahren für
Profilnuten
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Prüfkörper und eine PrüfVorrichtung für Profilnuten, insbesondere für Tannennuten in Laufrädern zur Befestigung von Laufschaufeln bei Turbinen wie etwa Dampfturbinen von Kraftwerken.
Laufschaufeln von Turbinen insbesondere größerer Bauart, wie sie in Kraftwerken verwendet werden, sind üblicherweise mit ihrem Schaufelfuß einzeln in profilierten Nuten gelagert, die teilweise wendeiförmig in die äußere Zylinderoberfläche der Laufräder eingearbeitet sind. Die sich zum Nutgrund hin ver¬ jüngenden Nutflanken weisen mehrere, üblicherweise drei, gegenüberliegende Paare von Längsrillen auf, wodurch sich eine typische Querschnittsform des Nutprofils ergibt, die auch als "Tannennut" bezeichnet wird. Die jeweiligen Obersei¬ ten der Rillen bilden Tragschultern, gegen die sich die entsprechenden Gegenschultern der Schaufelfüße abstützen. Bei typischen Bauteildurchmessern im Bereich einiger Meter liegen die Toleranzen für die Abstandsabweichung der gegenüberlie- gender Tragschultern zueinander bei 0 bis -0,02 mm, für die Parallelitätsabweichung der Tragschultern zur Sollkontur ebenfalls bei 0 bis -0,02 mm, für die Breitenabweichung der Nut zwischen +0,3 und -0,1 mm, für die Höhenabweichung im Bereich um 0,01 mm und für Abweichung des Krümmungsradius im Bereich um 0,02 mm.
Die Tannennuten sind im Betrieb stark belastet und stellen daher hohe Anforderungen an die Fertigung und Qualitätssicherung. Zurzeit werden bei der Herstellung der Profilnuten in Turbinenläufern beide Nutflanken in einem Schnitt gemeinsam gefräst. Wird hierbei die Schnittgeschwindigkeit unter Ein¬ satz geeigneter Werkzeuge auf ein Vielfaches gesteigert, er¬ hält man nur im Gleichlauffräsverfahren die geforderte Ober- flächengüte, weshalb beide Seiten einzeln gefräst werden müs¬ sen. Hierbei kommt es zu neuen Fehlerquellen. Der Fräser wird durch den einseitigen Eingriff abgedrängt und die Bahnen können exzentrisch oder höhenversetzt gefräst werden.
Bisher ist es nicht möglich, die hierbei möglichen Ferti¬ gungsfehler messtechnisch zu erfassen. Da also kein geeignetes Verfahren zur Prüfung des am engsten tolerierten Profilbereichs, nämlich der Tragschultern des Profils, bekannt ist, werden die Profilnuten mit einem zuvor vermessenen, entsprechend protokollierten und für gut befundenen Profilfräser hergestellt. Durch das Fertigfräsen in einem Schnitt ist sichergestellt, dass das gefräste Nutprofil dem gemessenen Fräserprofil entspricht. Somit kann auf eine reguläre Vermes- sung des Nutprofils verzichtet werden. Eine Gut-/Schlecht-Be- urteilung ist zusätzlich durch eine lehrende Prüfung möglich.
Eine geometrische Messung des Nutprofils ist mit Koordinaten- messgeräten und taktilen Tastern möglich, jedoch nur für in dafür zugänglichen Räumen, welche in der Regel nur am Anfang und Ende der Nut zur Verfügung stehen. Dies schließt eine durchgängige Nutprüfung zur Abnahmeprüfung und zur Kontrolle des Fertigungsprozesses aus. Zusätzlich ist die Messzeit einer solchen Prüfung zu lang und nicht werkergerecht.
Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Prüfvorrichtung, eine Prüfapparatur und ein Prüfverfahren für Profilnuten, insbesondere von Tannennuten in Laufrädern zur Befestigung von Laufschaufeln bei Turbinen bereitzustellen, die es ermöglichen, Fertigungsfehler hochgenau, zuverlässig und über die gesamte Länge der Nut festzustellen.
Nach einem ersten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung weist eine PrüfVorrichtung zur Prüfung des Querschnittspro- fils von Profilnuten, insbesondere von Tannennuten, auf:
einen im Wesentlichen prismatischen Prüfkörper mit einem Querschnittsprofil, das dem Querschnittsprofil der zu prüfen¬ den Profilnut wenigstens in interessierenden Konturabschnit- ten, insbesondere Tragschultern und Nutgrund der Tannennuten, nachempfunden ist, wobei die Querschnittsgröße des Prüfkör¬ pers kleiner als diejenige der Nut ist, und eine Gruppe von Abstandssensoren, die in Messflächen des Prüfkörpers, vor- zugsweise senkrecht zu diesen, angeordnet sind, wobei die
Messflächen interessierenden Konturabschnitten der Profilnut, insbesondere Anlageflächen der Tannennut, entsprechen.
Ein Prüfkörper nach diesem Gesichtspunkt ist somit im Quer- schnitt wie ein Schaufelfuß einer in der Nut zu befestigenden Laufschaufei ausgebildet. Er bildet, bezogen auf einen radia¬ len Schnitt durch den Kreisbogen, den die Schaufelnut beschreibt, das Gegenstück zu dem als Anlageflächen für die Schaufelfüße (Tragschultern) ausgebildeten Profilbereich. Da der Prüfkörper insgesamt kleiner als die Nut ist, kann er in die Nut eingesetzt und über die gesamte Länge der Nut bewegt werden. Mit den in den Messflächen angeordneten Abstandssensoren kann der Abstand derselben von den interessierenden Konturabschnitten der Nut, d.h., den Anlageflächen der Tan- nennut, bestimmt werden. Da die Kontur des Prüfkörpers und die Lage der Abstandssensoren bekannt ist, kann somit die Geometrie der Nut in dem Prüfquerschnitt bestimmt werden.
Wenn die Abstandssensoren in einer Querschnittsebene des Prüfkörpers angeordnet sind, definiert diese Querschnitts¬ ebene den Prüfquerschnitt . Vorzugsweise sind die Sensoren in der mittleren Querschnittsebene des Prüfkörpers angeordnet, sodass die Symmetrie des Prüfkörpers ausgenutzt werden kann. Mit wenigstens einer weiteren Gruppe von Abstandssensoren, die jeweils in einer zu der Querschnittsebene der Abstands¬ sensoren parallelen, zweiten Querschnittsebene des Prüfkörpers angeordnet sind, ist es möglich, eine Fehlstellung der Vorrichtung festzustellen und in der Auswertung auszuglei- chen. Diese parallele Messebene definiert eine sekundäre Messebene . Vorzugsweise sind mehrere Teilkörper gleichen Querschnitts miteinander verbunden, um den Prüfkörper auszubilden, wobei die Abstandssensoren jeweils in der Verbindungsebene zweier Teilkörper angeordnet sind. Eine solche Anordnung erleichtert die Anordnung der Abstandssensoren und der erforderlichen Zuleitungen, insbesondere wenn in den Verbindungsflächen der Teilkörper Ausnehmungen und Rillen zur Aufnahme der Abstandssensoren und Zuleitungen ausgebildet sind. Speziell weist die Querschnittsform des Prüfkörpers eine im wesentlichen trapezförmige Grundform, wobei die schrägen Seiten den Nutflanken entsprechen und die schmale der parallelen Seiten dem Nutgrund entspricht und eine Messfläche definiert, und mehrere, vorzugsweise zwei oder drei, von den schrägen Seiten abragenden, sich nach außen verjüngenden und zum Nutgrund hin kleiner werdenden Vorsprüngen auf, wobei die nach oben weisenden Seiten der Vorsprünge jeweils eine Messfläche definieren. Auf diese Weise ist der Prüfkörper auf die Pro¬ filform einer Tannennut in Laufrädern zur Befestigung von Laufschaufeln bei Turbinen angepasst.
In einer Ausgestaltung der Erfindung sind in der zweiten Messebene in der dem Nutgrund gegenüberliegenden Messfläche wenigstens zwei Abstandssensoren angeordnet. Eine solche An- Ordnung erleichtert die Anwendung des Verfahrens bei engen Messbereichen, während bei weiterem Messbereich an dieser Stelle ein Abstandssensor ausreichen kann.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind Messflä- chen vorgesehen, die jeweils einem Konusabschnitt der Nut gegenüberliegen, und ist in jeder einem Konusabschnitt der Nut gegenüberliegenden Messfläche wenigstens ein Abstandssensor vorgesehen. Durch das Messen der Abstände auf dem Innenkonus kann der Konuswinkel und damit die bei einem seriellen Fräsen der Nutflanken auftretende seitliche Abdrängung des
Fräsers, unabhängig von anderen Einflüssen wie z.B. Fehler am Tragflankenwinkel, ermittelt werden. Ist der tatsächliche Konuswinkel am Profilfräswerkzeug bekannt, können die geomet- rischen Abweichungen, die sich aus der seitlichen Fräserab- drängung und einem Fehler am Tragflankenwinkel ergeben, differenziert werden. Dadurch, dass diese beiden Störgrößen jeweils unabhängig voneinander quantifizierbar sind, kann die Nutbreite für jede erforderliche Bezugsebene unabhängig von etwaigen Winkelfehlern bestimmt werden. Die beiden Abstandssensoren eines jeden Konusabschnitts sind übereinanderliegend platziert und ihren entsprechenden Abstandssensoren an dem anderen Konusabschnitt gegenüberliegend angeordnet.
Vorzugsweise weist die PrüfVorrichtung eine Abdrückeinrichtung zum Abdrücken des Prüfkörpers vom Nutgrund auf. Die Ab¬ drückeinrichtung weist insbesondere einen in einer Axialbohrung des Prüfkörpers eingesetzten Pneumatikzylinder und einen Stempel, der mittels der Wirkung des Pneumatikzylinders von der Bodenfläche des Prüfkörpers ausfahrbar ist, auf. So kann der Prüfkörper gegen die oberen Anlageflächen der Nut gedrückt und an diesen ausgerichtet und für die Messung in der Nut fixiert werden. Die Einsätze können austauschbar sein. Alternativ kann bevorzugt die Abdrückeinrichtung elektrome- chanisch angetrieben sein.
Vorzugsweise sind in den auf den nach oben weisenden Seiten der oberen Vorsprünge definierten Messflächen jeweils ein oder zwei Nuten ausgebildet, in welchen jeweils ein Einsatz aus einem verschleißfesten Material angeordnet und befestigt ist, wobei die Einsätze sich geringfügig über die Messflächen erheben. So wird ein definierter Soll-Abstand der Messflächen von den Anlageflächen der Nut vorgegeben, ein stabiler Sitz der Messeinrichtung in der Nut erreicht und ein Verschleiß der Messflächen bei häufigem Einsatz vermieden.
Besonders bevorzugt sind die Abstandssensoren faseroptische Abstandssensoren, deren Ferrulen sich in den Messflächen öff- nen und deren Lichtleitfasern im Inneren des Prüfkörpers verlegt sind. Die Verwendung von faseroptischen Abstandssensoren in einem der Form der Nut angepassten Prüfkörper erlaubt eine hochgenaue Vermessung des Nutquerschnitts und eine kompakte Bauform. Die faseroptischen Abstandssensoren integrieren den eigentlichen Messfühler (die Ferrule) mit der Zuleitung (den Lichtleitfasern) . Die Ferrulen können hochgenau in entsprechenden Ausnehmungen platziert werden und definieren durch ihr vorderes Ende die Sensorposition. Besonders vorteilhaft sind die Ferrulen aus einem keramischen Material hergestellt und sind die Lichtleitfasern darin fixiert.
Nach einem weiteren Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung weist eine Prüfapparatur zur Prüfung des Querschnittsprofils von Profilnuten, insbesondere von Tannennuten, einen wie vorstehend beschriebenen Prüfkörper und ein Steuergerät, das zum Ansteuern der Abstandssensoren und ggf. der Abdrückeinrichtung, zum Empfangen und Auswerten von Signalen von den Ab- Standssensoren, und zum Ausgeben von Auswertungsergebnissen eingerichtet ist. Es kann auch eine Speichereinrichtung zum Speichern der Auswertungsergebnisse vorgesehen sein. Mit einer solchen Apparatur können die Signale der Abstandssensoren ausgewertet und sichtbar gemacht werden. Außerdem ist eine systematische und automatische Prüfung mehrerer Prüf¬ querschnitte möglich.
Nach einem weiteren Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung weist ein Verfahren zum Prüfen des Querschnittsprofils von Profilnuten, insbesondere von Tannennuten, die Schritte auf: Einsetzen eines wie vorstehend beschriebenen Prüfkörpers; Be¬ wegen des Prüfkörpers entlang der Nutlängsrichtung bis zu einem vorbestimmten Prüfquerschnitt ; Bewegen des Prüfkörpers in vertikaler Richtung bis zu einem Aufsetzen des Prüfkörpers an dem Nutprofil; Aktivieren der Abstandssensoren und Empfangen von Signalen von diesen; und Ermitteln und vorzugsweise Ausgeben eines Abstandswerts für jeden Abstandssensor.
Gegebenenfalls können die Abstandswerte gespeichert werden. Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen PrüfVorrichtung anhand der beigefügten schematischen Zeichnungen erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 eine perspektivische Gesamtansicht eines Prüfkörpers nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Fig. 2 eine Explosionsdarstellung des Prüfkörpers aus Fig. 1 ;
Fig. 3 ein Hauptstück des Prüfkörpers aus Fig. 1 und 2 mit
AbstandsSensoren,·
Fig. 4 einen unteren Bereich des Hauptstücks aus Fig. 3 in vergrößerter Ansicht und in etwas unterschiedlicher Perspektive ; Fig. 5 einen Werkstückabschnitt mit einer Tannennut mit ein¬ gesetztem Prüfkörper;
Fig. 6 einen Kalibrierkörper mit einer Tannennut mit eingesetztem Prüfkörper;
Fig. 7 eine Explosionsdarstellung eines Prüfkörpers gemäß
einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Fig. 8 ein Hauptstück des Prüfkörpers aus Fig. 7 in etwas
unterschiedlicher Perspektive; und
Fig. 9 einen unteren Bereich des Hauptstücks aus Fig. 8 in vergrößerter Ansicht und in erneut etwas unterschied¬ licher Perspektive.
Zunächst wird der Aufbau und die Verwendung eines Prüfkörpers 1 der vorliegenden Erfindung anhand der Darstellung in Fig. 1 bis 4 erläutert.
Fig. 1 zeigt den Prüfkörper 1 als ein erstes Ausführungsbei¬ spiel in perspektivischer Gesamtansicht. Der Prüfkörper 1 weist eine prismatische Kontur auf mit einem symmetrisch-trapezförmigen Grundquerschnitt, von welchem mehrere seitliche Vorsprünge (weiter unten genauer beschrieben) abragen. Die parallelen Seiten des Trapezes beschreiben eine Oberseite und eine Unterseite (Bodenfläche) des Prüfkörpers 1. Eine Anschlussfläche 2 des Prüfkörpers 1, die durch die Oberseite des trapezförmigen Grundquerschnitts definiert wird, stößt an eine nicht näher definierte Werkzeugaufnahme zur Führung und Halterung des Prüfkörpers 1. Eine Axialboh- rung 3 erstreckt sich in der Symmetrieachse des Prüfkörpers 1 von der Anschlussfläche 2 aus durch den Prüfkörper 1 hindurch .
Die schrägen Seiten des trapezförmigen Querschnitts definie- ren laterale Seiten oder Flanken 4 des Prüfkörpers. Von bei¬ den Flanken 4 weisen jeweils drei Vorsprünge 5, 6, 7 von dem trapezförmigem Grundquerschnitt nach außen ab. Der obere Vorsprung 5 und der mittlere Vorsprung 6 sind beidseits von der jeweiligen Flanke 4 begrenzt, während der untere Vorsprung 7 in die Bodenfläche (in Fig. 4 mit 24 bezeichnet) des Prüfkör¬ pers 1 übergeht. Die Querschnittsform des Prüfkörpers 1 ist an ein zu prüfendes Nutprofil (hier einer Tannennut) ange- passt, wobei zwischen den Seiten des Prüfkörpers 1 und der Nut ein Spiel vorhanden ist. Dabei entsprechen die Flanken 4 des Prüfkörpers 1 in etwa den Nutflanken und entspricht die
Bodenfläche des Prüfkörpers 1 in etwa dem Nutgrund. Die Ober¬ seiten der Vorsprünge 5, 6, 7 bilden jeweilige Messflächen 5a, 6a, 7a, die jeweiligen Anlageflächen der Tannennut entsprechen und in etwa den Tragschultern eines Laufradfußes nachgebildet sind.
In der Messfläche 5a der oberen Vorsprünge 5 sind jeweils zwei Stege 8, 9 eingelassen. Die Stege 8, 9 erlauben eine de¬ finierte Ausrichtung des Prüfkörpers 1 an den obersten Anla- geflächen der Nut. Die Stege 8, 9 sind aus Hartmetall oder einem anderen geeigneten, insbesondere verschließfesten Werkstoff hergestellt und verbessern die Verschleißeigenschaften des Prüfkörpers 1. Auf bzw. in den Messflächen 5a, 6a, 7a sind Messpunkte MP an¬ geordnet, die weiter unten im Zusammenhang mit Fig. 3 und 4 genauer beschrieben werden.
Fig. 2 zeigt in einer Explosionsansicht einen dreiteiligen Aufbau des Prüfkörpers 1, wie er in Fig. 1 nicht sichtbar ist . Gemäß der Darstellung in Fig. 2 besteht der Prüfkörper 1 aus einem Hauptstück 10, einem Mittelstück 11 und einem Endstück 12, die jeweils die gleiche prismatische Kontur aufweisen und in Profilrichtung aneinanderliegen . Das Hauptstück 10 ist genauso dick wie das Mittelstück 11 und das Endstück 12 zusam- men. Aus der Figur wird deutlich, dass die Bohrung 3 in einer in axialer Richtung verlaufenden Ebene geteilt ist und zu einem ersten Anteil 3a in dem Hauptstück 10 und zu einem zweiten Anteil 3b in dem Mittelstück 11 verläuft. In der Figur ist auch auf jeder der oberen Tragschultern 5 eine innere Nut 13 und eine äußere Nut 14 dargestellt, die sich über das Hauptstück 10, das Mittelstück 11 und das Endstück 12 erstrecken. Die Nuten 13, 14 nehmen die Stege 8, 9 (vgl. Fig. 1) auf.
Fig. 3 zeigt den Aufbau des Hauptstücks 10 des Prüfkörpers 1 genauer .
In der Axialbohrung 3 (hier nur der Bohrungsanteil 3a ge- zeigt) ist ein Pneumatikzylinder 15 aufgenommen. Der Pneumatikzylinder 15 dient dem Abdrücken des Prüfkörpers 1 gegen den Nutgrund und wird weiter unten genauer erläutert.
Lichtleiter 16 und Ferrulen 17 bilden jeweilige Mess-Sonden (faseroptische Abstandssensoren) , die der Messung des Ab- stands zwischen definierten Punkten des Prüfkörpers 1 und der Nutwand dienen. Die Ferrulen 17 sind aus einem geeigneten Material wie etwa Keramik hergestellt und in Ausgängen (nicht näher dargestellt) angeordnet, die in der Trennebene zwischen den Teilstücken des Prüfkörpers 1 eingebracht sind. Die Aus¬ gänge sind mit hoher Genauigkeit hinsichtlich Tiefe, Durch¬ messer und Winkel in den Prüfkörper 1 eingearbeitet. Die Lichtleiter 16 erstrecken sind von dort aus in geeigneten Rillen (nicht näher dargestellt) , die von den Ausgängen aus zunächst radial nach innen und dann beidseits entlang der Axialbohrung 3 zur Anschlussfläche 2 des Prüfkörpers 1 ver¬ laufen, wo sie zusammengefasst und zu einer Auswerteapparatur (nicht näher dargestellt) geführt werden.
Die Anordnung der Sonden ist wie folgt. Auf beiden Seiten des Prüfkörpers 1 sind in der Messfläche 5a, 6a, 7a jedes Vor¬ sprungs 5, 6, 7 wie auch in der Bodenfläche des Prüfkörpers 1 in der Trennebene zwischen dem Hauptstück 10 und dem Mittelstück jeweils zwei Sonden 16, 17 angeordnet. Die Trennebene zwischen dem Hauptstück 10 und dem Mittelstück bildet eine Haupt-Messebene. Zusätzlich sind in der Trennebene zwischen dem Mittelstück und dem Endstück (beide in der Figur wegge- lassen) weitere Sonden 16, 17 auf einer Seite des Prüfkörpers 1 (der linken Seite in der Figur) angeordnet, und zwar in der oberen Messfläche 5a eine Sonde 16, 17, die in Profillängs¬ richtung auf einer Linie mit der inneren der beiden dort in der Haupt-Messebene vorgesehenen Sonden 16, 17 angeordnet ist, und in der Bodenfläche zwei Sonden 16, 17, die in Pro¬ fillängsrichtung auf einer Linie mit den beiden dort in der Haupt-Messebene vorgesehenen Sonden 16, 17 angeordnet sind. Die Trennebene zwischen dem Mittelstück und dem Endstück bildet somit eine Sekundär-Messebene, in welcher die wenigen zu- sätzlichen Sensoren 16, 17 angeordnet sind.
Insbesondere bilden die Ferrulen 17 die in Fig. 1 angedeute¬ ten Messpunkte MP, die in Fig. 3 einzeln durchnummeriert sind. Die Zuordnung der Sensoren 16, 17 bzw. der Messpunkte MP zu ihrer Lage am Prüfkörper 1 geht aus nachstehender Tabelle 1 hervor. Rechte Seite Linke Seite
Innen Außen Innen Außen
Obere
MP18
Schulter MP1 MP2 MP17
MP19 (*)
5a
Mittlere
Schulter MP3 MP4 MP16 MP15 6a
Untere
Schulter MP5 MP6 MP14 MP13 5a
Boden MP9 MP11
MP8 MP7
(Grund) MP10 (*) MP12 (*)
(*) in Sekundär-Messebene Tabelle 1
Es sind also insgesamt neunzehn Sonden bzw. Sensoren 16, 17 vorgesehen . Die Ferrulen 17 und Lichtleiter 16 sind mit einem geeigneten Mittel wie etwa einem UV-Kleber in den Bohrungen bzw. Rillen befestigt. Die einzelnen Stücke 10, 11, 12 des Prüfkörpers 1 sind im zusammengebauten Zustand ebenfalls mit geeigneten Mitteln miteinander verbunden, so etwa verklebt oder ver- schraubt, ggf. zusätzlich verstiftet.
Der Pneumatikzylinder 15 weist einen Zylinderkörper 18 auf der im oberen Drittel des Prüfkörpers 1 in der Axialbohrung 3 aufgenommen ist und mittels einer oberen Führung 19 gehalten wird. Der bewegliche Teil 20 des Pneumatikzylinders 15 ist mittels eines Gewindes mit einem Stempel 21 verbunden, der sich zur Unterseite des Prüfkörpers hin erstreckt.
In Fig. 4 ist der Bereich der unteren Vorsprünge 7 gegenüber der Darstellung in Fig. 3 in leicht veränderter Perspektive, d.h., mehr von der rechten Seite aus gesehen, und in vergrößerter Ansicht dargestellt.
Gemäß der Darstellung in Fig. 4 ist der Stempel 21 in einer unteren Führung 22 gehalten und befindet sich im hier dargestellten, eingefahrenen Zustand des Pneumatikzylinders (15) innerhalb einer Austrittsbohrung 23, welche mit der Axialbohrung 3 fluchtet. Im ausgefahrenen Zustand des Pneumatikzylinders (15) ragt der Stempel 21 dagegen aus der Austrittsöff- nung 21 über die Ebene der Bodenfläche 24 des Prüfkörpers 1 hinaus. Im Betrieb drückt der Stempel gegen den Nutgrund und drückt den Prüfkörper mit den Stegen 8 (Fig. 1) gegen die Anlageflächen des Nutprofils; bei idealer Ausrichtung wird der Prüfkörper so an mehreren Punkten zur Anlage gebracht. Bei dem Einsatz von drei Stegen 8 kann durch einen speziellen Anschliff derselben ein stabiler Sitz des Prüfkörpers 1 erreicht werden.
Fig. 5 zeigt die Anordnung eines Prüfkörpers 1λ in einer Pro- filnut, die in einem Werkstückabschnitt 25 eingearbeitet ist.
Die Nut weist eine Krümmung auf und bildet somit eine konkave Flanke 26 und eine konvexe Flanke 27. Der Prüfkörper 1λ ist eine Abwandlung des Prüfkörpers 1 und weist an seiner Ober- seite anstelle einer Axialbohrung einen Schlitz auf, durch welchen die Lichtleiter der Abstandssensoren zu führen sind.
Fig. 6 zeigt die Anordnung des Prüfkörpers 1 in einem Prüf¬ körper 28 mit einer Profilnut von unsymmetrischem Quer- schnitt.
Gemäß der Darstellung in Fig. 6 weist die Nut auf der linken Nutflanke Anlageflächen 29, 30, 31 und auf der rechten Nut¬ flanke Anlageflächen 32, 33, 34. Während auf der rechten Seite die Profilkontur dem symmetrischen „Tannenbaum"-Profil des Schaufelfußes und damit des Prüfkörpers 1 folgt, sind auf der rechten Seite Freischnitte 35, 36, 37 vorgesehen, die dem in der Nut befindlichen Körper im unfixierten Zustand eine größere Beweglichkeit verleihen.
Nachstehend wird die Ausdehnung der PrüfVorrichtung auf eine Prüfapparatur sowie deren Betriebsweise erläutert.
Eine Prüfapparatur (nicht näher dargestellt) weist eine ver¬ fahrbare Halterung, eine Steuergerät mit Ansteuerungs- und Auswerteelektronik auf und eine Druckerzeugungseinrichtung zur Erzeugung des erforderlichen Drucks für den Pneumatikzylinder auf. Das Steuergerät weist den an sich bekannten Auf¬ bau eines Computers mit CPU, RAM, ROM, internem und/oder ex¬ ternem Speicher, einem I/O-Bus zur Kommunikation mit Peripheriegeräten zur Eingabe von Daten und Befehlen und zur Ausgabe von Daten, einen Netzwerkanschluss und dergleichen auf. Die
Halterung weist Stellglieder wie Pneumatik- oder Hydraulikzylinder, Motoren, Getriebe oder dergleichen und geeignete Übertragungsglieder sowie Weg- und Winkelgeber an sich bekannter Art auf. Ferner sind Einrichtungen zur Rückkopplung von Bewegungswiderständen vorgesehen, wie etwa durch direkte Kraft- oder Momentenmessung oder durch Messung des Motormoments, der Motorspannung oder -leistung, des pneumatischen oder hydraulischen Drucks, oder dergleichen. Zunächst wird der Prüfkörper 1 in die verfahrbare Halterung eingespannt und in die Nut eingeführt. Sodann wird der Prüf¬ körper 1 an einen vorbestimmten Prüfquerschnitt verfahren und dort mittels des Pneumatikzylinders 15 mit einer vorgegebenen Kraft fixiert. Die Abstandssensoren werden aktiviert und die Antwortsignale empfangen. Die Antwortsignale werden in der Auswerteelektronik in Abstandswerte umgerechnet und hieraus unter Zugrundelegung der vorab gespeicherten Profilgeometrie des Prüfkörpers 1 die Geometrie des Prüfquerschnitts berech¬ net .
Bei der Auswertung der Messwerte wird aus dem Abstand der Sensoren in der Bodenfläche die Nutbreite berechnet, werden aus den Abständen der sonstigen Sensoren in der Hauptmess- ebene die relative Lage der Anlageflächen in den ausgewählten Messpunkten (MP) sowie die mittlere Winkellage der Anlageflä¬ chen berechnet, und werden aus den Abständen der Sensoren in der Sekundärmessebene Fehlstellungen des Prüfkörpers berech- net .
Die Anordnung der Nuten 13, 14 mit darin eingesetzten Stegen 8, 9 ist rein beispielhaft. In Abwandlungen können mehr oder weniger Stege verwendet werden. Es können sich auch Stege quer zur Profillängsrichtung erstrecken, je nachdem, wie es für einen sicheren Sitz in der Nut vorteilhaft ist. Besonders bevorzugt sind drei speziell geformte Stege, wobei z.B. auf der konkaven Seite der Nut ein Längssteg angeordnet ist und auf der konvexen Seite der Nut zwei Querstege angeordnet sind. Auch andere Anordnungen sind denkbar. Speziell bei drei Stegen kann durch einen speziellen Anschliff der Stege ein stabiler Sitz der PrüfVorrichtung über drei Anlagepunkte (und den Stempel 21 am Nutgrund als vierten Anlagepunkt) erreicht werden .
Die Anordnung der Abstandssensoren kann je nach Bedarf verändert werden.
In Fig. 7 bis 9 ist ein Prüfkörper 100 als zweites Ausfüh- rungsbeispiel der Erfindung gezeigt. Die für das erste Aus¬ führungsbeispiel gezeigten und beschriebenen Verfahrensweisen und Überlegungen sind, soweit sich aus nachstehender Beschreibung nichts anderes ergibt, auf dieses zweite Ausfüh¬ rungsbeispiel anwendbar.
Der Prüfkörper 100 dieses Ausführungsbeispiels ist gemäß der Explosionsansicht in Fig. 7 in seiner Grundform wie der Prüfkörper 1 des ersten Ausführungsbeispiels mit symmetrisch-tra¬ pezförmigem Grundquerschnitt, von welchem die seitlichen Vor- sprünge 5, 6, 7 abragen, aufgebaut und ebenfalls aus Haupt¬ stück 10, Mittelstück 11 und Endstück 12, die jeweils die gleiche prismatische Kontur aufweisen und in Profilrichtung aneinanderliegen . Für die in der Mittelachse liegende Bohrung und die Abdrückeinrichtung ist auf die vorstehende Beschrei¬ bung des ersten Ausführungsbeispiels zu verweisen.
Für die Zwecke der nachstehenden Beschreibung werden hier die trapezförmigen Flanken des Prüfkörpers in eine obere Flanke 4a, eine mittlere Flanke 4b und eine untere Flanke 4c unter¬ schieden .
In Fig. 7 sind in dem Endstück 12 zwei sich in Profillängs- richtung erstreckende Bohrungen 38 mit jeweiliger Ansenkung 39 zu erkennen. Obschon in der Figur nicht erkennbar, fluchten diese Bohrungen mit entsprechenden Bohrungen in dem Mittelstück 11 und Gewindebohrungen 40 (s. Fig. 8) in dem Hauptstück 10. Diese Bohrungsanordnung dient der Aufnahme von Be- festigungselementen wie etwa Schrauben, die von der Stirnseite des Endstücks 12 aus eingeführt und in der Gewindeboh¬ rung 36 verschraubt werden. (In einer nicht lösbaren Abwandlung ist anstelle der Gewindebohrung 40 eine einfache Boh¬ rung, gegebenenfalls mit einer Gegensenkung auf der Rück- seite, vorgesehen, und werden Niete zur unlösbaren Verbindung der Stücke 10, 11, 12 verwendet.) Eine Zentrierung der Stücke 10, 11, 12 erfolgt über Stifte 41 (vgl. Fig. 8), die sich durch das Mittelstück 11 hindurch erstrecken und in Sackbohrungen (nicht näher dargestellt) in dem Hauptstück 10 und dem Endstück 12 sitzen. Anstelle einer Verschraubung oder dergleichen ist es auch denkbar, die Bauteile z.B. mittels eines PU-Klebers oder dergleichen zu verbinden.
Fig. 9 zeigt den Bereich der Bodenfläche 24 in vergrößerter Darstellung.
Der Wesentliche Unterschied zwischen dem Prüfkörper 100 und dem Prüfkörper 1 liegt in der Anordnung der Abstandssensoren bzw. Messpunkte (vgl. Fig. 8 und 9) . (Wegen der unterschied- liehen Anordnung verschiebt sich auch die Zählung der Messpunkte . ) Die Staffelung (Doppelbesetzung) der Abstandssensoren in der Bodenfläche 24 entfällt. Somit sind in der Bodenfläche 24 in der Primär-Messebene nur zwei Abstandssensoren (links und rechts jeweils einer) in den Messpunkten MP9 und MP10 und in der Sekundär-Messebene nur ein Abstandssensor in dem Messpunkt MP11 vorhanden. Es entfallen hier also drei Messpunkte. Die verbleibenden Messpunkte liegen im äußeren Bereich, um über einen möglichst großen Abstand eine gute Winkelauflösung zu erhalten. Die o. g. Anordnung bietet sich z.B. bei weiten Messbereichen an, während bei engerem Messbereich in den jeweiligen Teilbereichen der Bodenfläche 24 zwei Abstandssenso¬ ren (wie im ersten Ausführungsbeispiel) erforderlich sein können . Ferner sind in der oberen Flankenfläche 4a und der unteren Flankenfläche 4c links und rechts jeweils ein weiterer Ab¬ standssensor, mithin vier weitere Messpunkte MP1, MP6, MP14, MP20 vorgesehen (es wird nochmals darauf hingewiesen, dass die Zählung nicht mit derjenigen des ersten Ausführungsbei- spiels übereinstimmt) . Mit diesen zusätzlichen Messpunkten ist auch eine isolierte Ermittlung des Konuswinkels möglich.
Es sind also insgesamt 20 Messpunkte MP1 bis MP20 vorhanden, die sich gemäß nachstehender Tabelle 3 verteilen:
Rechte Seite Linke Seite
Innen Außen Innen Außen
Obere
MP1 MP20
Flanke 4a
Obere MP18
MP2 MP3 MP17 Schulter 5a MP19 (*)
Mittlere
MP4 MP5 MP16 MP15 Schulter 6a
Untere
MP6 MP14
Flanke 4c
Untere
MP7 MP8 MP13 MP12 Schulter 7a
Boden MP10
MP9
(Grund) 24 MP11 (*)
(*) in Sekundär-Messebene
Tabelle 3
Es versteht sich, dass je nach Anforderungen und Messmöglichkeiten auch andere Anordnungen der Messpunkte möglich sind, die jedoch vom grundlegenden Gedanken der Erfindung abgedeckt sind.
Der Prüfkörper 1 ist auch ohne verfahrbare Halterung einsetzbar. Und zwar kann der Prüfkörper 1 auch manuell in die zu prüfende Nut eingeführt und an den gewünschten Prüfquer- schnitt bewegt werden, kann dann der Pneumatikzylinder aktiviert werden und die Messung ausgelöst werden.
Je nach erforderlichem Abstand der Sekundärebene kann der Prüfkörper auch Messpunkte in weiteren Messebenen zusätzlich zu der Hauptmessebene und der Sekundärmessebene aufweisen.
Hierzu kann der Prüfkörper 1 mehr als drei Teilkörper aufweisen . Es versteht sich, dass die vorgeschlagene PrüfVorrichtung für andere Nutformen lediglich einer Änderung der Querschnittsgeometrie bedarf. Zusammenfassend ermöglicht die vorgeschlagene PrüfVorrichtung die Messung der relevanten Kenngrößen, also der Tragschulter- abstände und -winkel sowie der Nutbreite. Diese Kenngrößen sind nicht nur für das korrekte Einsetzen der Schaufelfüße, sondern auch für eine gleichmäßige Lastenverteilung im späte- ren Betrieb bedeutend.
Durch den Einsatz der vorgeschlagenen PrüfVorrichtung für Profilnuten wird es ermöglicht, aktuelle Schneidstoffe für Fräser wirtschaftlich sinnvoll einzusetzen. Mit dem Einsatz von Hartmetall als Schneidstoff kann der Zeitbedarf zum Her¬ stellen der Profilnuten entscheidend reduziert werden.
Darüber hinaus kann die PrüfVorrichtung für Profilnuten auch zur Analyse bestehender Prozesse eingesetzt werde, bei denen bisher auf die Werkzeuggeometrie referenziert wurde. Auf der Basis der gewonnenen Erkenntnisse können Optimierungsschritte für den Prozess abgeleitet werden.

Claims

Patentansprüche
1. Prüf orrichtung zur Prüfung des Querschnittsprofils von Profilnuten, insbesondere von Tannennuten, aufweisend:
einen im Wesentlichen prismatischen Prüfkörper (1) mit einem Querschnittsprofil, das dem Querschnittsprofil der zu prüfenden Profilnut wenigstens in interessierenden Konturabschnitten, insbesondere Tragschultern (5) und Nutgrund der Tannennuten, nachempfunden ist,
wobei die Querschnittsgröße des Prüfkörpers (1) kleiner als diejenige der Nut ist, und
eine Gruppe von Abstandssensoren (16, 17), die in Messflä¬ chen (5a, 6a, 7a) des Prüfkörpers (1), vorzugsweise senk¬ recht zu diesen, angeordnet sind,
wobei die Messflächen (5a, 6a, 7a) interessierenden Konturabschnitten der Profilnut entsprechen,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Querschnittsform des Prüfkörpers (1) eine im wesentlichen trapezförmige Grundform ist,
wobei die schrägen Seiten den Nutflanken entsprechen, wobei die schmale der parallelen Seiten dem Nutgrund ent¬ spricht und eine Messfläche definiert, und mehrere, vor¬ zugsweise zwei oder drei, von den schrägen Seiten abragenden, sich nach außen verjüngenden und zum Nutgrund hin kleiner werdenden Vorsprüngen (5, 6, 7) aufweist,
wobei die nach oben weisenden Seiten der Vorsprünge (5, 6, 7) jeweils eine Messfläche (5a, 6a, 7a) definieren, wobei auch Messflächen vorgesehen sind, die jeweils einem Konusabschnitt, insbesondere einem oberen und einem unteren Konusabschnitt der Nut, entsprechen,
wobei in jeder einem Konusabschnitt der Nut entsprechenden Messfläche wenigstens ein Abstandssensor (16, 17) vorgese¬ hen ist,
wobei vorzugsweise in der zweiten Messebene in der dem Nut- grund entsprechenden Messfläche genau ein Abstandssensor (16, 17) angeordnet ist,
gekennzeichnet durch eine Abdrückeinrichtung zum Abdrücken des Prüfkörpers (1) vom Nutgrund.
2. Prüf orrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Abstandssensoren (16, 17) in einer Querschnittsebene des Prüfkörpers (1), vorzugsweise in der mittleren Querschnittsebene des Prüfkörpers, angeordnet sind.
3. PrüfVorrichtung nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass wenigstens eine weitere Gruppe von Abstandssensoren (16, 17) vorgesehen ist,
wobei die Abstandssensoren (16, 17) jeder weiteren Gruppe in einer zu der Querschnittsebene der Abstandssensoren (16,
17) parallelen, zweiten Querschnittsebene des Prüfkörpers angeordnet sind.
4. PrüfVorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass mehrere Teilkörper (10, 11, 12) gleichen Querschnitts miteinander verbunden sind, um den Prüfkörper (1) auszubilden,
wobei die Abstandssensoren (16, 17) jeweils in der Verbindungsebene zweier Teilkörper (10, 11, 12) angeordnet sind.
5. PrüfVorrichtung nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass in den Verbindungsflächen der Teilkörper (10, 11, 12) Ausnehmungen und Rillen zur Aufnahme der Abstandssensoren (16, 17) und von Zuleitungen ausgebildet sind.
6. Prüf orrichtung nach Anspruch 4 oder 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Teilkörper (10, 11, 12) miteinander und/oder die Abstandssensoren (16, 17) in den Verbindungsflächen mittels PU-Kleber verklebt sind.
7. PrüfVorrichtung nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass in der zweiten Messebene in der dem Nutgrund entspre¬ chenden Messfläche wenigstens zwei Abstandssensoren (16, 17) angeordnet sind.
8. PrüfVorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Abdrückeinrichtung einen in einer Axialbohrung des Prüfkörpers (1) eingesetzten Pneumatikzylinder (15) und einen Stempel (21), der mittels der Wirkung des Pneumatik- Zylinders (15) von der Bodenfläche des Prüfkörpers (1) aus¬ fahrbar ist, aufweist.
9. PrüfVorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet,
dass in den oberen Messflächen jeweils ein oder zwei Nuten ausgebildet sind, in welchen jeweils ein Einsatz (8, 9) aus einem verschleißfesten Material angeordnet und befestigt ist,
wobei die Einsätze (8, 9) sich geringfügig über die Mess¬ flächen erheben und vorzugsweise austauschbar sind.
10. Prüf orrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass die Abstandssensoren faseroptische Abstandssensoren sind, deren Ferrulen (17) sich in den Messflächen öffnen und deren Lichtleitfasern (16) im Inneren des Prüfkörpers
(1) verlegt sind.
11. PrüfVorrichtung nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Ferrulen (17) aus einem keramischen Material hergestellt sind und die Lichtleitfasern (16) darin fixiert sind .
12. Prüfapparatur zur Prüfung des Querschnittsprofils von Profilnuten, insbesondere von Tannennuten, aufweisend:
einen Prüfkörper (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche; und
ein Steuergerät, das zum Ansteuern der Abstandssensoren
(16, 17) und ggf. der Abdrückeinrichtung, zum Empfangen und Auswerten von Signalen von den Abstandssensoren (16, 17), und zum Ausgeben von Auswertungsergebnissen eingerichtet ist .
13. Prüfapparatur nach Anspruch 12,
weiter gekennzeichnet
durch eine Speichereinrichtung zum Speichern der Auswer- tungsergebnisse .
14. Verfahren zum Prüfen des Querschnittsprofils von Profil¬ nuten, insbesondere von Tannennuten, mit den Schritten: Einsetzen eines Prüfkörpers (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 14 in die Profilnut;
Bewegen des Prüfkörpers (1) entlang der Nutlängsrichtung bis zu einem vorbestimmten Prüfquerschnitt ;
Bewegen des Prüfkörpers (1) in vertikaler Richtung bis zu einem Aufsetzen des Prüfkörpers (1) an dem Nutprofil;
Aktivieren der Abstandssensoren (16, 17) und Empfangen von Signalen von diesen; und
Ermitteln und vorzugsweise Ausgeben eines Abstandswerts für jeden Abstandssensor (16, 17).
15. Verfahren nach Anspruch 14,
weiter gekennzeichnet durch
einen Schritt eines Speicherns der Abstandswerte.
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