Studio, ingegnerizzazione, implementazione e validazione di un sistema di misura basato su di un sensore laser a triangolazione per la lavorazione adattativa di componenti freeform

Abstract

The work hereby presented represents a conceptual framework for an in-line inspection and adaptive correction in the field of high precision manufacturing of turbomachinery freeform shaped components. A wide perspective on the whole concept is firstly presented, then a deep description, comprehensive of study, engineering and validation experiments, is given on a part of the whole concept. This part consists in an on-board correction system, based on the laser triangulation principle, aiming at the compensation of positioning errors of freeform shaped parts for their machining via Electro Discharge Machining (EDM). The work has been carried out with the cooperation of SARIX SA (www.sarix.com), a Swiss based company, leader in the micro-EDM high precision machines manufacturing. The specific experimental setup comprehensive of machine tool characteristics and technology used for the demonstration, is presented and characterized. Then the sensing equipment choice, together with the design of the specific on-board integration system, are reported. Then the overall procedures designed for the machine tool calibration and positioning are extensively described, together with their governing equations. Since the machining of turbomachinery components is subjected to strict industrial standards, two different procedures have been investigated in order to ensure the full compliancy with these standards: a local adaptive positioning method and a six points constrained one. These two methods have been compared and motivations for the usage of one or another, are reported. The comparison with the actual standard procedure, based on the tactile measurement of some predefined points, was not possible to be reported due to confidentiality issues. Along the work description, the possible error sources, coming for example from the sensing equipment or from its integration system, have been reported and quantified through experimental trials, relatively to the specific equipment used for the experiments. In fact, final results are affected by all the error chain contributions, that must be evaluated in strict relationship with the specific equipment adopted. Finally, overall system tests, comprehensive of both calibration and positioning procedures, have been performed with the described equipment on a custom produced dummy turbine blade, and reported in the present document, together with a few nods regarding real case scenarios (i.e. with real production turbine blades) implementation of the system.

ABSTRACT IN ITALIANO:

In questo lavoro di tesi viene presentato un ampio framework riguardante l’ispezione e la relativa correzione adattativa di processi di lavorazione di componenti freeform nel settore delle turbomacchine. Dapprima è fornita una descrizione generale dell’intero framework, per poi entrare nel dettaglio della realizzazione di una sua parte, riguardante lo studio, l’ingegnerizzazione e le prove sperimentali di un sistema di misura, basato su di un laser a triangolazione, per la correzione adattativa del posizionamento di componenti freeform su di una macchina utensile ad elettroerosione. Il lavoro è stato condotto in collaborazione con SARIX SA (www.sarix.com), azienda Svizzera leader nella fabbricazione di macchine utensili nel campo dell’elettroerosione. Lo specifico setup sperimentale, comprensivo delle caratteristiche della macchina utensile e della tecnologia utilizzata per la dimostrazione, sono estensivamente descritti. È quindi riportato il processo di scelta della sensoristica e la progettazione del sistema per la sua integrazione a bordo della macchina utensile. Seguono la descrizione degli algoritmi e delle procedure relative alla calibrazione del sistema e al posizionamento, insieme con le equazioni caratterizzanti il processo. Dal momento che le lavorazioni di componenti funzionali nel campo delle turbomacchine sono soggette a standard particolarmente restrittivi, sono stati studiati, implementati e validati due sistemi differenti, dei quali è fornito un confronto e le relative motivazioni e vantaggi per l’utilizzo dell’uno piuttosto che dell’altro. Non è stato possibile invece riportare Il confronto con lo standard attuale, per motivi di confidenzialità. Nel documento sono state analizzate e specificatamente caratterizzate, le possibili fonti di errore che influenzano il risultato finale in termini di accuratezza e ripetibilità; passaggio fondamentale per la generalizzazione del sistema e la sua re-applicabilità in macchine utensili e campi differenti da quello presentato. Infine, sono riportate le prove sperimentali dell’intero sistema, condotte su un componente di prova (i.e. una paletta di turbina) specificatamente realizzato per la pubblicazione libera dei risultati, insieme con alcuni cenni a prove sperimentali condotte su componenti reali di produzione.