汽輪機(jī)葉片三坐標(biāo)測(cè)量的自動(dòng)定位研究*

□ 陳 林 □ 呂彥明 □ 宋 燦 □ 李 忠

江南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 江蘇無(wú)錫 214122

汽輪機(jī)葉片三坐標(biāo)測(cè)量的自動(dòng)定位研究*

□ 陳 林 □ 呂彥明 □ 宋 燦 □ 李 忠

江南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 江蘇無(wú)錫 214122

使用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)對(duì)汽輪機(jī)葉片進(jìn)行檢測(cè)時(shí)多數(shù)是以單件測(cè)量的方式進(jìn)行，每次測(cè)量都需手動(dòng)建立坐標(biāo)系，增加了人機(jī)交互的環(huán)節(jié)，測(cè)量效率低下。設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了葉片測(cè)量專(zhuān)用夾具，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，符合三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的測(cè)量精度，為實(shí)現(xiàn)汽輪機(jī)葉片計(jì)算機(jī)集成測(cè)量自動(dòng)化提供了解決方案。

汽輪機(jī)葉片 三坐標(biāo)測(cè)量機(jī) 測(cè)量 自動(dòng)定位

葉輪機(jī)械在航天、航空、汽車(chē)、能源等領(lǐng)域都有非常廣泛的應(yīng)用。葉片是汽輪發(fā)電機(jī)和渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的重要零件之一，葉片的加工量約占整個(gè)汽輪機(jī)的1/3，在整個(gè)汽輪機(jī)事故中，由于葉片質(zhì)量所引起的故障也占1/3［1］，所以，葉片的質(zhì)量是整臺(tái)汽輪機(jī)質(zhì)量的保證。葉片的形狀誤差對(duì)二次流損耗有較大的影響，直接影響著汽輪機(jī)的能量轉(zhuǎn)換效率。因此，葉片的測(cè)量一直受到人們的關(guān)注。

1 葉片自動(dòng)化測(cè)量流程

隨著生產(chǎn)規(guī)模的日益擴(kuò)大，加工精度的不斷提高，傳統(tǒng)的三坐標(biāo)測(cè)量機(jī) （Coordinate Measuring Machine，CMM）［2］的單件測(cè)量方法已不能滿(mǎn)足實(shí)際生產(chǎn)需要，越來(lái)越多的工件需要進(jìn)行批量測(cè)量。

▲圖1 測(cè)量流程

目前，葉片測(cè)量流程如圖1所示，整個(gè)過(guò)程需要人工操作的環(huán)節(jié)多，如產(chǎn)品信息輸入、檢測(cè)零件安裝、調(diào)整檢測(cè)程序、手動(dòng)建立檢測(cè)坐標(biāo)系、調(diào)用葉身檢測(cè)專(zhuān)用軟件、輸入產(chǎn)品信息、輸入檢測(cè)文件保存路徑及文件名，如果沒(méi)有及時(shí)人機(jī)交互，三坐標(biāo)就會(huì)停機(jī)等待。從整個(gè)流程可以看出，采用的是單件測(cè)量流程，其測(cè)量效率低下，難以滿(mǎn)足實(shí)際生產(chǎn)要求。

汽輪機(jī)葉片計(jì)算機(jī)集成自動(dòng)化測(cè)量是在現(xiàn)有的設(shè)備、人員不變的前提下，通過(guò)對(duì)技術(shù)、管理、流程等改進(jìn)，使效率提高達(dá)到生產(chǎn)要求。目前三坐標(biāo)測(cè)量以單件測(cè)量的方式為主，存在問(wèn)題是沒(méi)有采用專(zhuān)用夾具，使產(chǎn)品在三坐標(biāo)機(jī)上不定位，需采用臨時(shí)簡(jiǎn)單支撐進(jìn)行測(cè)量，每次測(cè)量都要用手動(dòng)建立坐標(biāo)系。由上述分析可知，自動(dòng)定位是實(shí)現(xiàn)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)自動(dòng)化測(cè)量批量葉片的關(guān)鍵問(wèn)題之一，因此，需設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)相應(yīng)葉片的三坐標(biāo)檢測(cè)專(zhuān)用夾具，通過(guò)其將測(cè)量葉片時(shí)所需的粗坐標(biāo)系移動(dòng)到三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)上。

實(shí)現(xiàn)了葉片在三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)上的粗定位后，通過(guò)開(kāi)發(fā)測(cè)量管理軟件，進(jìn)一步減少人機(jī)交互環(huán)節(jié)。測(cè)量環(huán)節(jié)與數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)集成，產(chǎn)品信息由掃描槍掃描而得，避免信息重復(fù)輸入；程序自動(dòng)加載，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)過(guò)程全自動(dòng)，即自動(dòng)建立坐標(biāo)系、自動(dòng)檢測(cè)、自動(dòng)分析、自動(dòng)出檢測(cè)報(bào)告、自動(dòng)保存的測(cè)量自動(dòng)化流程［3］，如圖2所示。

2 葉片自動(dòng)化測(cè)量夾持方案設(shè)計(jì)

精密定位是三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。目前三坐標(biāo)測(cè)量以單件測(cè)量的方式進(jìn)行，產(chǎn)品在三坐標(biāo)機(jī)上不定位，采用臨時(shí)簡(jiǎn)單支撐進(jìn)行測(cè)量，每次測(cè)量都需要手動(dòng)在葉片相應(yīng)的位置觸測(cè)6個(gè)點(diǎn)，建立坐標(biāo)測(cè)量的粗坐標(biāo)系［4］。為實(shí)現(xiàn)批量葉片測(cè)量自動(dòng)化［5］，需將葉片粗坐標(biāo)系通過(guò)測(cè)量定位夾具移動(dòng)到三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)上。為此需先檢驗(yàn)三坐標(biāo)自動(dòng)建立坐標(biāo)系對(duì)夾具的定位精度要求，其次是驗(yàn)證夾具定位檢測(cè)的可靠性，再進(jìn)行夾具的設(shè)計(jì)。

2.1 葉片夾具設(shè)計(jì)基本條件

由于葉片形狀復(fù)雜，一次測(cè)量的參數(shù)較多，選用的測(cè)針往往比較長(zhǎng)，三坐標(biāo)實(shí)際測(cè)量所需空間比較大，工件以外擴(kuò)展尺寸在150 mm以上，所以對(duì)于小型的三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，只能安裝一套夾具；另外，由于小型葉片安裝比較簡(jiǎn)單，時(shí)間不超過(guò)20 s，由裝夾造成的三坐標(biāo)停機(jī)時(shí)間較短，所以可不考慮一臺(tái)三坐標(biāo)同時(shí)安裝多個(gè)夾具的情況。夾具設(shè)計(jì)需要在定位面形狀、尺寸系列、組合式快換結(jié)構(gòu)等方面進(jìn)行深入研究，實(shí)現(xiàn)夾具精確可靠、快速適應(yīng)的目的。

▲圖2 測(cè)控軟件功能圖

通過(guò)對(duì)葉片加工過(guò)程的調(diào)研，確定了葉片夾具設(shè)計(jì)的幾個(gè)基本條件。

（1）裝夾面要采用柔性材料，避免劃傷工件或產(chǎn)生壓痕。

（2）由于采用柔性接觸面，夾緊力變化會(huì)影響工件的定位位置，所以?shī)A具采用氣動(dòng)夾緊。

（3）葉片品種繁多，形狀大小不同，一副通用夾具實(shí)現(xiàn)所有葉片的裝夾，難度很大，幾乎不可能。所以以長(zhǎng)線(xiàn)規(guī)則的方鋼葉片作為自動(dòng)化測(cè)量產(chǎn)品，主要針對(duì)方鋼葉片，設(shè)計(jì)其自動(dòng)測(cè)量裝夾裝置。

（4）一個(gè)夾具既可以測(cè)量葉身截面，又可以測(cè)量葉根截面、葉冠、凸臺(tái)，即實(shí)現(xiàn)工件的全尺寸測(cè)量。

（5）夾具必須保證三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)頭對(duì)于待測(cè)葉片的空間可達(dá)性，防止自動(dòng)測(cè)量時(shí)發(fā)生干涉、碰撞。

（6）夾具在三坐標(biāo)機(jī)上的安裝需要考慮快速化，實(shí)現(xiàn)更換夾具時(shí)間小于1 min。

2.2 葉片夾具的設(shè)計(jì)

圖3所示為型號(hào)SM118R的汽輪機(jī)方鋼葉片，葉片由三部分組成，分別為葉根、葉冠及葉身。設(shè)計(jì)夾具時(shí)采用葉片葉根的底面、葉根側(cè)面2點(diǎn)及葉根內(nèi)徑相面1點(diǎn)，進(jìn)行6點(diǎn)定位。為保證上述設(shè)計(jì)夾具的要求，如圖4所示的夾具采用磁力夾緊，測(cè)量時(shí)，按下氣動(dòng)開(kāi)關(guān)，氣缸通過(guò)齒輪齒條推動(dòng)夾具定位基準(zhǔn)面旋轉(zhuǎn)至上極限位置。操作人員將葉片放到夾具上，葉根底面與磁力座表面貼合，推動(dòng)葉片，使葉片葉根側(cè)面2點(diǎn)及葉根內(nèi)徑相面1點(diǎn)分別與夾具定位基準(zhǔn)貼合。操作員打開(kāi)磁力座按鈕，通過(guò)磁力將方鋼葉片吸附在夾具上，最后釋放氣動(dòng)裝置開(kāi)關(guān)，氣缸通過(guò)齒輪齒條推動(dòng)夾具定位，基準(zhǔn)面旋轉(zhuǎn)至下極限位置，如圖5所示。

當(dāng)夾具定位基準(zhǔn)面旋轉(zhuǎn)至下極限位置后，葉片的周?chē)鷽](méi)有任何障礙物，葉片的可達(dá)測(cè)量空間得到了充分的擴(kuò)展，簡(jiǎn)化了使用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)量葉片時(shí)的路徑規(guī)劃問(wèn)題，有利于葉片測(cè)量自動(dòng)化［6］的實(shí)現(xiàn)。

▲圖3 SM118R型葉片

▲圖4 葉片夾持裝置圖

▲圖5 實(shí)驗(yàn)裝置圖

3 定位夾具對(duì)測(cè)量精度的影響

為探究葉片自動(dòng)測(cè)量時(shí)所設(shè)計(jì)夾具對(duì)測(cè)量精度［7］的影響，采用兩種方法對(duì)其進(jìn)行測(cè)量：①通過(guò)螺紋連接將夾具的底板與三坐標(biāo)工作臺(tái)上的定位孔相連，實(shí)現(xiàn)夾具整體在三坐標(biāo)工作臺(tái)上的安裝固定，由甲、乙倆人分別將型號(hào)為W126L-CP的非成品葉片在夾具上定位、夾緊，并調(diào)用相應(yīng)自動(dòng)測(cè)量的PC-DMIS［8］程序進(jìn)行自動(dòng)測(cè)量，每人進(jìn)行5次操作，測(cè)量完成后打印測(cè)量報(bào)告。②對(duì)該葉片以單件測(cè)量的方式重復(fù)測(cè)量5次，即每次均手動(dòng)觸測(cè)6點(diǎn)，建立粗坐標(biāo)系，測(cè)量完成后打印測(cè)量報(bào)告，測(cè)量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。

通過(guò)誤差分析比較，得知具有夾具裝置的測(cè)量和以單件測(cè)量的結(jié)果較為相近，每組測(cè)量的各個(gè)尺寸的極值：S=max-min，均在0.005 mm內(nèi)，完全符合三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的測(cè)量精度，這表明葉片自動(dòng)裝夾在測(cè)量精度方面是可以保證的。

表1 采用定位夾具測(cè)量與單件測(cè)量的測(cè)量值比較

4 結(jié)論

精密定位是三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。目前三坐標(biāo)測(cè)量以單件測(cè)量的方式進(jìn)行，產(chǎn)品在三坐標(biāo)機(jī)上不定位，采用臨時(shí)簡(jiǎn)單支撐進(jìn)行測(cè)量，每次測(cè)量都需要進(jìn)行手動(dòng)建立坐標(biāo)系，增加了測(cè)量過(guò)程中人機(jī)交互的環(huán)節(jié)，嚴(yán)重影響測(cè)量效率的提高。為實(shí)現(xiàn)批量葉片測(cè)量自動(dòng)化，使三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)能夠自動(dòng)建立粗坐標(biāo)系并在所允許的夾具定位精度范圍內(nèi)，針對(duì)相應(yīng)葉片設(shè)計(jì)了專(zhuān)用的三坐標(biāo)自動(dòng)測(cè)量夾具，將葉片測(cè)量所需的粗坐標(biāo)系建立在夾具上，減少了測(cè)量過(guò)程中的人機(jī)交互環(huán)節(jié)。

在測(cè)量批量葉片時(shí)，自動(dòng)測(cè)量節(jié)約了時(shí)間，提高了測(cè)量的效率和穩(wěn)定性。如果測(cè)量非批量零件時(shí)，自動(dòng)測(cè)量將不再適用，仍采用人工操作比較適合。

［1］石道中編.汽輪機(jī)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)［M］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1990.

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（編輯 小 前）

TH74

A

1000-4998（2015）02-0056-04

*江蘇省產(chǎn)學(xué)研前瞻性聯(lián)合研究項(xiàng)目（編號(hào)：BY2013015-13）

2014年8月