高天國(guó) (1963-)
男,畢業(yè)于哈爾濱工業(yè)大學(xué)精密儀器系,主要從事新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì)工作。
摘要:本文論述了葉片測(cè)量?jī)x的結(jié)構(gòu)及工作原理。介紹了葉片測(cè)量?jī)x硬件和軟件系統(tǒng)及在實(shí)際工作中的應(yīng)用,并探討了葉片測(cè)量?jī)x的發(fā)展趨勢(shì)和應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞:葉片測(cè)量?jī)x;汽輪機(jī)葉片;型面測(cè)量;三維觸發(fā)式測(cè)頭;運(yùn)動(dòng)控制卡
Abstract: This is a primary study about the working principle and application of the Blade measuring apparatus system. This paper introduces the measurement hardware and software systems and its applications in practical work, and discusses the development trend and application prospects of the blade measuring apparatus.
Key words: Blade measuring apparatus; Turbine blade; Molding surface measurement; Three-dimensional flip-flop probe; Motion Control Card
1 引 言
在現(xiàn)代工業(yè)中,汽輪機(jī)由于具有功率大、轉(zhuǎn)速高、效率較高、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)和使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn),因而得到廣泛的應(yīng)用。汽輪機(jī)葉片是汽輪機(jī)的關(guān)鍵零件。葉片的質(zhì)量是評(píng)價(jià)整臺(tái)汽輪機(jī)質(zhì)量的重要指標(biāo)之一[1]。其制造精度的高低,直接影響到汽輪機(jī)的能量轉(zhuǎn)換效率和工作性能。因此葉片測(cè)量越來(lái)越受到葉片生產(chǎn)企業(yè)以及用戶(hù)的關(guān)注和重視。
葉片的造型較為復(fù)雜、特殊。描述的參數(shù)眾多,葉片形狀、位置關(guān)系的測(cè)量也是整個(gè)葉片測(cè)量的關(guān)鍵。葉片型線的評(píng)定一般是通過(guò)測(cè)量沿葉片軸線方向分布的若干截面的型線來(lái)實(shí)現(xiàn)的。目前就國(guó)內(nèi)葉片測(cè)量領(lǐng)域來(lái)說(shuō),還沒(méi)有專(zhuān)門(mén)用于葉片測(cè)量的儀器。
關(guān)于葉片型線的測(cè)量,盡管目前測(cè)量方法很多,每種測(cè)量方法都有各自的特點(diǎn),但從測(cè)量效率、測(cè)量精度以及成本等方面綜合考慮,這些測(cè)量方法均存在一定的不足,一般都不具備專(zhuān)用性,且數(shù)據(jù)處理也不夠靈活。目前,坐標(biāo)測(cè)量法是當(dāng)今葉片型面測(cè)量的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。本文在基于坐標(biāo)測(cè)量法的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)出一種測(cè)量效率高、價(jià)格較低、使用方便,而且適用于車(chē)間及計(jì)量室使用的汽輪機(jī)葉片型面專(zhuān)用測(cè)量機(jī)——葉片測(cè)量?jī)x。
2 葉片測(cè)量?jī)x結(jié)構(gòu)及工作原理
2.1 葉片測(cè)量?jī)x結(jié)構(gòu)
葉片測(cè)量?jī)x的機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖1所示。它是由機(jī)體1、立柱2、操縱控制面板3、三維觸發(fā)式測(cè)頭4、徑向滑板(X軸)5、水平滑板(Y軸) 6、垂直滑架(Z軸)7、回轉(zhuǎn)軸(C軸) 8 、下頂尖9 、上頂尖10等構(gòu)成。
圖1 葉片測(cè)量?jī)x的機(jī)械結(jié)構(gòu)
1-機(jī)體 2-立柱 3-操縱控制面板
4-三維觸發(fā)式測(cè)頭 5-徑向滑板(X軸)
6-水平滑板(Y軸) 7—垂直滑架(Z軸)
8-回轉(zhuǎn)軸(C軸) 9-下頂尖 10-上頂尖
該葉片測(cè)量?jī)x是基于三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的基礎(chǔ)上,在保持原有的X,Y,Z軸,又增加了一個(gè)以Z軸為旋轉(zhuǎn)軸的C軸組成,是四坐標(biāo)測(cè)量機(jī)。即它有4個(gè)運(yùn)動(dòng)軸:X、Y、Z軸和C軸。最底層為水平滑板(Y軸)6,上托垂直滑架(Z軸)7,Z軸上安裝徑向滑板(X軸)5,徑向滑板(X軸)5上裝有雷尼紹3D觸發(fā)式測(cè)頭4,立柱2上安裝有上頂尖10,可自動(dòng)上下升降,以便檢測(cè)不同規(guī)格尺寸的葉片,下頂尖9可回轉(zhuǎn),構(gòu)成C軸。該葉片測(cè)量?jī)x采用了三坐標(biāo)的測(cè)量方式,它通過(guò)三維觸發(fā)式測(cè)頭實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)葉片在(X、Y、Z)三維坐標(biāo)方向上的測(cè)量。
2.2 葉片測(cè)量?jī)x的工作原理
為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)量和三維型線的測(cè)量評(píng)定,葉片測(cè)量?jī)x選用了坐標(biāo)測(cè)量法對(duì)葉片進(jìn)行測(cè)量。為了保證葉片測(cè)量?jī)x的精度,準(zhǔn)確測(cè)量葉片的各項(xiàng)參數(shù)。因此在測(cè)量葉片前,首先要對(duì)葉片測(cè)量?jī)x進(jìn)行參數(shù)校核及葉片參數(shù)設(shè)置和工件坐標(biāo)系建立等工作。
葉片測(cè)量?jī)x參數(shù)的校核有兩項(xiàng)內(nèi)容:即測(cè)量?jī)x三維觸發(fā)式測(cè)頭參數(shù)校核和回轉(zhuǎn)軸校核。通過(guò)測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)圓柱樣件,實(shí)現(xiàn)了對(duì)測(cè)量?jī)x三維觸發(fā)式測(cè)頭和回轉(zhuǎn)軸的校核,根據(jù)校核結(jié)果對(duì)三維觸發(fā)式測(cè)頭、測(cè)桿以及復(fù)位參數(shù)進(jìn)行修正與補(bǔ)償。
葉片參數(shù)的設(shè)置:主要有葉片型線的理論數(shù)據(jù),葉根、葉冠的基本參數(shù)等。理論數(shù)據(jù),它主要含有兩方面的信息,其一為葉片背弧和內(nèi)弧型線點(diǎn)的坐標(biāo)值、截面高度、進(jìn)汽邊圓弧的半徑與圓心坐標(biāo)、出汽邊圓弧的半徑與圓心坐標(biāo)、進(jìn)汽邊與背弧、內(nèi)弧的交點(diǎn),出汽邊與背弧、內(nèi)弧的交點(diǎn)等;其二為葉片的特征參數(shù)信息,如葉片名稱(chēng),截面號(hào)等。
葉片測(cè)量?jī)x工件坐標(biāo)系的建立:在理想情況下,工件坐標(biāo)系與葉片測(cè)量?jī)x的固有坐標(biāo)系重合。葉片的理論數(shù)據(jù)均為工件坐標(biāo)系下的坐標(biāo)。葉片的安裝基準(zhǔn)是葉根和葉冠。如圖2所示,葉片的基本形狀及安裝基準(zhǔn)。測(cè)量葉片時(shí),由于當(dāng)前測(cè)得的坐標(biāo)點(diǎn)均為葉片測(cè)量?jī)x坐標(biāo)系下的點(diǎn),為找正待測(cè)葉片工件坐標(biāo)系的位置,軟件通過(guò)測(cè)量葉片的葉根或葉冠的實(shí)際位置坐標(biāo)建立工件坐標(biāo)系。實(shí)現(xiàn)將葉片測(cè)量數(shù)據(jù)由葉片測(cè)量?jī)x坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為工件坐標(biāo)系。為葉片測(cè)量?jī)x后續(xù)數(shù)據(jù)處理和誤差分析奠定了基礎(chǔ)。
圖2 葉片的基本形狀及安裝基準(zhǔn)
葉片測(cè)量?jī)x經(jīng)過(guò)參數(shù)的校核及葉片參數(shù)的設(shè)置和待測(cè)葉片工件坐標(biāo)系的建立后,即可對(duì)葉片型線的數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量。由于葉片型線為回轉(zhuǎn)曲線,為了使測(cè)量方便,在測(cè)量機(jī)原有三坐標(biāo)基礎(chǔ)上,又增加了一回轉(zhuǎn)軸C軸,測(cè)量時(shí),將被測(cè)葉片安裝在葉片測(cè)量?jī)x的上、下頂尖之間(安裝在C軸上),通過(guò)立柱上的上頂尖將其頂緊,三維觸發(fā)式測(cè)頭安裝在徑向滑板(X軸)上。當(dāng)測(cè)量控制軟件驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)控制卡控制各路伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)時(shí)。由C軸帶動(dòng)葉片回轉(zhuǎn),X、Y、Z各軸協(xié)同動(dòng)作,由徑向滑板(X軸)驅(qū)動(dòng)三維觸發(fā)式測(cè)頭沿X軸方向接觸被測(cè)葉片型線表面,三維觸發(fā)式測(cè)頭在任何方向都可觸發(fā),當(dāng)測(cè)頭接觸到葉片型線表面時(shí),產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào),運(yùn)動(dòng)控制卡根據(jù)測(cè)頭的觸發(fā)信號(hào)鎖存各軸的位置,觸發(fā)數(shù)據(jù)被記錄,并傳送到控制系統(tǒng)。由于測(cè)量葉片型線過(guò)程中,回轉(zhuǎn)軸C軸帶動(dòng)葉片做軸向旋轉(zhuǎn),同時(shí)軟件控制三維觸發(fā)式測(cè)頭在葉片的截面輪廓上不斷采點(diǎn),進(jìn)而測(cè)頭可在輪廓一周范圍內(nèi)采集到葉片截面的封閉離散數(shù)據(jù),完成該截面數(shù)據(jù)的測(cè)量。因此,三維觸發(fā)式測(cè)頭在三個(gè)坐標(biāo)的聯(lián)合驅(qū)動(dòng)下可自動(dòng)采集葉片型面上的回轉(zhuǎn)曲線的數(shù)據(jù),以此獲得葉片型面上各點(diǎn)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),記錄了各個(gè)測(cè)量點(diǎn)的坐標(biāo)值。通過(guò)PCI總線將葉片型面上各點(diǎn)的采樣數(shù)據(jù)傳輸給計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與分析,然后由計(jì)算機(jī)按要求的表征參數(shù)將經(jīng)過(guò)處理的實(shí)際數(shù)據(jù)和初始信息獲得的理論數(shù)據(jù)進(jìn)行比較計(jì)算。分析葉片的誤差。最后得到被測(cè)葉片型面的加工誤差和曲線。運(yùn)算結(jié)果由顯示器顯示和打印機(jī)輸出。本儀器針對(duì)葉片數(shù)據(jù)測(cè)量的特點(diǎn),還提供了手動(dòng)測(cè)量和自動(dòng)測(cè)量?jī)煞N測(cè)量方式[2]。這主要是從減少操作者的操作時(shí)間和操作復(fù)雜度的角度來(lái)考慮的,操作者除了在特殊情況下需要手動(dòng)操作之外,一般在自動(dòng)測(cè)量狀態(tài)下即可完成測(cè)量任務(wù)。自動(dòng)測(cè)量方式在一定程度上可降低測(cè)量的強(qiáng)度,提高測(cè)量效率。
2.3 葉片測(cè)量?jī)x系統(tǒng)的組成
葉片測(cè)量?jī)x系統(tǒng)是由測(cè)量?jī)x硬件和控制軟件兩部分組成。由葉片測(cè)量?jī)x硬件部分產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)并觸發(fā)待測(cè)葉片,是葉片測(cè)量系統(tǒng)的執(zhí)行者;而控制軟件則控制著硬件的動(dòng)作,實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的采集,此外軟件還負(fù)責(zé)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和計(jì)算,是測(cè)量?jī)x系統(tǒng)的靈魂。
2.4 系統(tǒng)硬件
葉片測(cè)量?jī)x系統(tǒng)硬件主要是由計(jì)算機(jī)、運(yùn)動(dòng)控制卡、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、光柵傳感器、三維觸發(fā)式測(cè)頭、I/O接口、顯示器、打印機(jī)及輔助功能等部分組成。如圖3所示,葉片測(cè)量?jī)x系統(tǒng)圖。
圖3 葉片測(cè)量?jī)x系統(tǒng)圖
運(yùn)動(dòng)控制卡采用Adlink公司4軸控制的伺服/步進(jìn)運(yùn)動(dòng)控制卡PCI-8164,它是運(yùn)動(dòng)控制部分的核心,運(yùn)動(dòng)控制卡與伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和光柵傳感器以及三維觸發(fā)式測(cè)頭相連。其主要功能是控制各軸(X、Y、Z和C軸)伺服電機(jī)的協(xié)調(diào)工作。伺服運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)采用安川小慣量伺服電機(jī),分別用于控制X、Y、Z三個(gè)軸的運(yùn)動(dòng),回轉(zhuǎn)軸C軸采用了安川直接驅(qū)動(dòng)的伺服電機(jī),用于控制C軸的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。避免了機(jī)械減速器中回程差的影響。光柵傳感器采用了雷尼紹反射式光柵尺,精度為0.1,用于檢測(cè)X、Y、Z軸位置信號(hào);對(duì)型線的測(cè)量采用雷尼紹3D觸發(fā)式測(cè)頭,可在任何方向觸發(fā),用于測(cè)量葉片,測(cè)頭信號(hào)作為外部觸發(fā)信號(hào)接入運(yùn)動(dòng)控制卡中,利用運(yùn)動(dòng)控制卡提供的高速位置鎖存功能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)采集。I/O接口卡也采用了Adlink公司的PCI9111多功能數(shù)據(jù)采集卡作為I/O接口,該卡提供了16路模擬量輸入,1路模擬量輸出,16路開(kāi)關(guān)量輸入及16路開(kāi)關(guān)量輸出等功能。系統(tǒng)中對(duì)面板的操作以及一些輔助功能操作等都是通過(guò)該接口卡實(shí)現(xiàn)的。
計(jì)算機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分,它通過(guò)驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)控制卡和I/O接口卡,來(lái)控制硬件部分的運(yùn)動(dòng)(如:徑向滑板、水平滑板、垂直滑架和回轉(zhuǎn)軸的運(yùn)動(dòng)等)。此外它還承擔(dān)了數(shù)據(jù)處理、分析計(jì)算以及人機(jī)交互等工作。并時(shí)時(shí)顯示測(cè)量過(guò)程和測(cè)量結(jié)果,處理和打印測(cè)量數(shù)據(jù)。
2.5 系統(tǒng)軟件
葉片測(cè)量?jī)x軟件系統(tǒng)基于Windows平臺(tái),在Visual C++ 6.0環(huán)境下用C++語(yǔ)言開(kāi)發(fā)而成,采用OpenGL技術(shù)進(jìn)行圖形顯示。軟件首先在初始化階段讀取葉片的理論數(shù)據(jù),通過(guò)PCI8164運(yùn)動(dòng)控制卡、PCI9111接口卡驅(qū)動(dòng)測(cè)量?jī)x硬件進(jìn)行葉片實(shí)際數(shù)據(jù)的測(cè)量,分別對(duì)理論數(shù)據(jù)和實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,經(jīng)比較分析后獲得實(shí)際葉片的各項(xiàng)誤差。如圖4所示,葉片測(cè)量?jī)x系統(tǒng)程序流程圖。
葉片測(cè)量?jī)x系統(tǒng)軟件啟動(dòng)后執(zhí)行如下的流程:
圖4 葉片測(cè)量?jī)x系統(tǒng)程序流程圖
(1)系統(tǒng)初始化
開(kāi)機(jī)后首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化,主要有運(yùn)動(dòng)控制卡的初始化,測(cè)量?jī)x參數(shù)和葉片參數(shù)的讀入等。讀入的測(cè)量?jī)x參數(shù)主要有復(fù)位參數(shù)、測(cè)頭直徑、測(cè)量速度等;讀入的葉片參數(shù)有葉片型線的理論數(shù)據(jù),葉根、葉冠的基本參數(shù)等。
(2)執(zhí)行復(fù)位操作
對(duì)測(cè)量?jī)x進(jìn)行復(fù)位,坐標(biāo)軸X、Y、Z、C按先后順序?qū)Ω鬏S的零位傳感器進(jìn)行觸發(fā),實(shí)現(xiàn)測(cè)量?jī)x各軸坐標(biāo)值的清零,然后根據(jù)初始化階段讀入復(fù)位參數(shù),重新設(shè)定儀器各軸的坐標(biāo)值。
(3)進(jìn)行測(cè)頭、回轉(zhuǎn)軸的校核與修正,參數(shù)修正后再次復(fù)位
對(duì)于首次測(cè)量,為保證葉片測(cè)量?jī)x的精度,有必要對(duì)儀器的測(cè)頭和回轉(zhuǎn)軸進(jìn)行校核。
(4)讀入待測(cè)葉片文件,對(duì)葉片測(cè)量參數(shù)進(jìn)行設(shè)置
(5)建立工件坐標(biāo)系
通過(guò)測(cè)量向參考點(diǎn)、測(cè)量葉根和葉冠基準(zhǔn),來(lái)完成工件坐標(biāo)系的建立。
(6)對(duì)葉片型線進(jìn)行測(cè)量
葉片型線測(cè)量過(guò)程中測(cè)量的截面數(shù)越多、測(cè)點(diǎn)越密集就越能反映葉片表面的真實(shí)情況。在保證測(cè)量精度要求的前提下,盡量減少測(cè)點(diǎn)的數(shù)量。如圖5所示,葉片截面型線測(cè)量測(cè)點(diǎn)的分布。
圖5 葉片截面型線測(cè)量測(cè)點(diǎn)的分布
測(cè)量葉片截面型線時(shí),在自動(dòng)測(cè)量方式下選擇數(shù)控代碼自動(dòng)生成的方式,生成的測(cè)量路徑顯示在自動(dòng)測(cè)量區(qū),選擇“測(cè)量”后進(jìn)入自動(dòng)測(cè)量狀態(tài),并將測(cè)量結(jié)果顯示于操作記錄區(qū)中。如圖5所示,葉片型線測(cè)量。
圖6 葉片型線測(cè)量
(7)通過(guò)軟件的數(shù)據(jù)處理,得到誤差結(jié)果,并可以最終打印輸出。
3 葉片測(cè)量?jī)x應(yīng)用
目前,專(zhuān)用的葉片測(cè)量?jī)x已越來(lái)越為葉片生產(chǎn)和使用廠家所重視。從葉片測(cè)量的發(fā)展方向來(lái)看,數(shù)字化測(cè)量也是該行業(yè)的發(fā)展方向[3]。而目前國(guó)內(nèi)在葉片型面檢測(cè)方面還幾乎沒(méi)有這種專(zhuān)用的數(shù)字化測(cè)量?jī)x器。由哈爾濱量具刃具集團(tuán)有限責(zé)任公司與哈爾濱工業(yè)大學(xué)聯(lián)合研制數(shù)字化葉片測(cè)量?jī)x,主要用于測(cè)量葉片截面型線的整體偏移和扭轉(zhuǎn)誤差、型面輪廓誤差、葉身最大厚度誤差、進(jìn)汽邊及出汽邊圓弧誤差等,同時(shí)也可測(cè)量螺旋槳、葉輪等具有特定空間型面的零件。被測(cè)工件經(jīng)過(guò)一次裝卡,即可在計(jì)算機(jī)控制軟件的控制下自動(dòng)完成整個(gè)測(cè)量過(guò)程,計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)顯示結(jié)果,并根據(jù)需要打印輸出測(cè)量報(bào)告。根據(jù)加工指標(biāo),被測(cè)工件最大長(zhǎng)度為400mm,最大寬度為200 mm,最大重量為30kg,葉片測(cè)量?jī)x的測(cè)量誤差不大于3。它填補(bǔ)國(guó)內(nèi)空白,為葉片測(cè)量?jī)x進(jìn)一步實(shí)用化的研究奠定了基礎(chǔ)。并開(kāi)拓了新的應(yīng)用領(lǐng)域。不久的將來(lái),我們會(huì)提供大量質(zhì)優(yōu)價(jià)廉的測(cè)量?jī)x器。為祖國(guó)機(jī)械工業(yè)現(xiàn)代化作出更多的貢獻(xiàn)。
4 結(jié) 論
本文論述了葉片測(cè)量?jī)x系統(tǒng)的工作原理及其應(yīng)用。在設(shè)計(jì)了一種新型的葉片專(zhuān)用測(cè)量?jī)x器的基礎(chǔ)上,提出了一種新的葉片型面測(cè)量方法。使用方便、成本較低,適合于車(chē)間加工現(xiàn)場(chǎng)及計(jì)量室使用,是用于中小規(guī)格汽輪機(jī)葉片型面檢測(cè)的專(zhuān)用測(cè)量機(jī)。尤其適用于大批量生產(chǎn)條件下車(chē)間現(xiàn)場(chǎng)的檢測(cè),且被測(cè)工件經(jīng)過(guò)一次裝夾,即可在計(jì)算機(jī)的控制下自動(dòng)完成整個(gè)測(cè)量過(guò)程,測(cè)量效率高,系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單,精度高,且對(duì)使用環(huán)境無(wú)很?chē)?yán)格要求。易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化測(cè)量,提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。可達(dá)到國(guó)際同類(lèi)產(chǎn)品的先進(jìn)技術(shù)水平,使之成為汽輪機(jī)葉片檢測(cè)領(lǐng)域的重要儀器。具有很大的應(yīng)用潛力和使用價(jià)值。葉片測(cè)量?jī)x的研制,不僅提高葉片的檢測(cè)效率,加快汽輪機(jī)行業(yè)的發(fā)展,而且將促進(jìn)專(zhuān)用葉片測(cè)量?jī)x的生產(chǎn)與不斷發(fā)展,具有極其重要的意義。從目前國(guó)內(nèi)汽輪機(jī)制造業(yè)的生產(chǎn)水平看,該儀器完全能滿(mǎn)足產(chǎn)品質(zhì)量的要求,具有很大的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用價(jià)值,有著廣闊的應(yīng)用前景。
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