三坐標測量機在風電齒輪箱行星架加工中的應用

大連華銳重工集團股份有限公司通用減速機廠（遼寧 116000）張本麒 郝麗格 陳世剛 徐書嶺

隨著風力發電機組向大型化發展，對齒輪箱壽命和可靠性的要求也越來越高，對風電齒輪箱零件的加工精度要求也越來越高。行星架是風電齒輪箱的重要零件，行星架軸孔位置度精度直接影響齒輪箱的載荷分布是否均勻、運轉是否平穩、轉矩傳動能力及噪聲值指標，提高行星架的軸孔位置度精度對整個增速機運行十分必要。在本文中舉例的某大兆瓦級風電齒輪箱，其行星機構的傳動載荷不均勻系數kc為1.35。

為了保證行星架位置度精度，我廠在風電行星架加工時結合三坐標測量機進行行星架的位置度檢測，并根據檢測結果，對數控鏜床等加工設備進行程序補償，從而大大提高了行星架的位置度精度。同時，我們充分利用三坐標測量位置度的特點，基于最大值極小化思想，采用對三坐標位置度檢測結果進行優化處理的方法，解決了一系列生產中遇到的零件的位置度加工和測量問題，挽救了許多瀕臨報廢的零件，明顯降低了行星機構的傳動載荷不均勻系數kc，為公司產生了巨大的經濟效益。

1.利用三坐標檢測結果對數控鏜床進行程序補償

三坐標測量機檢測零件的位置度采用的是坐標測量的方法，測量時，按照零件上的檢測基準，測量機可自動建立一個三維校正坐標系，很方便地把零件上各孔的位置坐標量出來，并把位置度計算出來。三坐標測量機測量位置度不僅準確性好，而且可精確測量出各孔坐標偏差的具體數值和方向，對現場生產有很好的指導作用。

（1）位置度誤差值的計算方法 孔的實際軸線的位置度誤差值是以被測實際軸線的理想位置定位，做實際軸線的最小包容區域（圓柱面），該最小區域的直徑即為孔的位置度誤差值。

（2）位置度誤差值的分析及應用 如圖2所示的行星架，為我公司某兆瓦級風電齒輪箱的二級行星架，我們以此行星架為例，介紹一下我公司是如何利用三坐標測量機來提高行星架的位置度精度的。

由圖樣可以看出，此行星架為5孔均布，每孔分上、下兩孔，理論中心距為817mm，相對于基準A、B的位置度要求為f0=φ0.05mm。

第1步：在數控鏜床上，根據圖樣給出的各孔的理論位置，對行星架進行試加工，各孔可留量。

第2步： 對加工完成后的行星架進行三坐標檢測。三坐標測量機根據圖樣給出的基準A、B建立坐標系，如圖2所示。對三坐標位置度測量結果分析如表1所示。

根據表1，可得出各孔的實際位置與理想位置的偏差f，并可以得出偏差的數值及方向。

表1 行星架三坐標測量結果分析 （單位：mm）

但僅一次的測量結果，對生產實際的指導意義并不大，我公司一般采用多次測量對比分析得出結論來指導生產。如表2所示，為3下孔五次測量結果的對比。

表2 3號下孔五次三坐標結果對比 （單位：mm）

第3步：對表2數據進行分析。其中序號4的測量結果，明顯分離其余四次，可被排除。其余四次的測量結果，其偏差的數值及方向有較好的一致性。其一致性，反映了機床在加工3號下孔時，有一致性很強的誤差，則在實際生產時，可將其誤差值進行程序補償，提高機床加工精度。

第4步：對數控鏜床程序進行補償。

關于補償數值，可計算各偏差的平均值，

則3號下孔的補償數據為：

則補償后3號下孔的程序為：

第5步：其他各孔分別得出補償數據后，對機床程序進行補償。利用補償后的程序，將以上各試驗行星架，按成品尺寸進行加工，并進行三坐標位置度檢測。

以上利用三坐標進行行星架加工程序補償的方法，在實際生產中得到了很好的驗證，對提高行星架的位置度精度效果十分顯著，明顯提高了零件的合格率，降低了企業成本。

同時，以上方法在實際操作中，有以下注意事項：①嚴格控制機床周圍的環境溫度。最好有恒溫加工車間，室溫常年控制在（20±1）℃。②嚴格控制三坐標測量機的環境溫度。最好有恒溫測量車間，室溫常年控制在（20±1）℃。被測零件在測量車間需放置24h以上，使其溫度與恒溫車間一致后再進行三坐標位置度測量。③機床上的胎具、夾具等工裝零件，在機床調整過程中及調整完成后，不得隨意改動。若改動，需重新進行三坐標檢測及程序補償。④行星架各孔加工及檢測順序要固定，不得隨意更改。

2.行星架三坐標檢測結果的優化方法

位置度的定義：以被測實際軸線的理想位置定位，做實際軸線的最小包容區域，該最小區域的直徑為孔的位置度誤差值。

分析位置度的定義，其要求包容區域為最小，該性質稱為“定位最小區域準則”。

仍以圖2行星架為例，在三坐標測量機建立坐標系時，以過1號孔的實際中心點來確定X、Y軸，這就可能使直接獲得的檢測結果偏離“定位最小區域準則”。因而，在實際測量工作中對行星架的此類問題的數據處理與評定一定要慎重，避免誤判而給企業造成損失。如果按照一次測量就下結論，該行星架就有可能報廢，但在許多情況下，根據位置度公差三坐標測量原理是可以通過對基準坐標系旋轉來優化測量結果，使之得出符合圖樣和工藝要求的位置度測量結果。

以下，仍以圖2行星架為例，舉例說明三坐標檢測結果的優化過程。

（1）檢測數據分析 某行星架的三坐標檢測結果如表3所示。

表3 某行星架三坐標測量結果 （單位：mm）

對表3的數據做如下進一步分析。首先判斷各孔位置度測量值在初始坐標系下是否有可能滿足公差要求，首先判斷各孔的中心距偏差fR的2倍是否小于所要求的位置度公差值f0，若大于，則該行星架位置度肯定超差，該零件不合格，沒有必要進行下一步，直接報廢。若小于須進行下一步分析，方可對初始坐標系進行旋轉，在旋轉后的坐標系下重新評價各孔位置度。根據表3數據，本行星架滿足坐標系旋轉條件。

（2）旋轉量的確定 從表3中5孔的角度偏差fa中找出角度偏差中的最大值fαmax及最小值fαmin，然后得出坐標系的最佳旋轉量。

坐標系的最佳旋轉量

該行星架的坐標系最佳旋轉量Q=0.0015°－│－0.00033°│=0.00117°

坐標旋轉方向與fαmax方向一致，故原始坐標系繞原點逆時針方向旋轉0.00117°，得到新的坐標系，如圖3所示，在新坐標系下，各孔的位置度見表3中f 所示，各孔位置度均合格。通過這樣的坐標系旋轉處理得到的位置度才符合各孔的實際位置度誤差“定位最小區域準則”。

可見，我們在使用三坐標測量均布孔系的位置度時，一定要注意測量坐標系的優化處理，以便使測量結果符合位置度誤差最小區域法的評價原則，避免合格零件的報廢，為企業產生巨大的經濟效益。

3.結語

行星架是風電齒輪箱中關乎整機運行穩定的關鍵零部件，其位置度誤差要求十分嚴格。企業在正確使用三坐標測量機進行程序補償后，明顯提高了行星架的位置度合格率，降低企業成本。

同時，對已通過程序補償，但一次檢測位置度仍不合格的行星架，通過對初始坐標系的旋轉來分析、優化初始坐標系下的測量結果，得到符合位置度誤差最小條件的測量數據，避免了合格零件的報廢，這對于降低企業成本，保證產品質量，提升企業的競爭力有非常積極的意義。

通過以上提高行星架位置度的方法明顯降低了行星機構的傳動載荷不均勻系數kc。該大兆瓦級風電齒輪箱在試驗臺進行滿載荷試驗時，通過在齒面貼應變片得到的行星機構的傳動載荷不均勻系數kc為1.15，明顯低于設計要求的1.35，也使該齒輪箱順利通過了德國勞氏船級社GL認證。這使得我公司成為迄今為止國內首臺獲得大兆瓦級別風電齒輪箱權威認證的企業，為公司風電產品在國內及國際市場競爭力提供了有力的保證。