三維掃描技術在泵質量控制中的應用

□高 君 □霍瑞康

1上海凱士比泵有限公司上海200245

2上海理工大學環境與建筑學院土木工程實驗室上海200093

三維掃描技術在泵質量控制中的應用

□高 君1□霍瑞康2

1上海凱士比泵有限公司上海200245

2上海理工大學環境與建筑學院土木工程實驗室上海200093

闡述了三維掃描技術的優點及其應用范圍，介紹了ATOS掃描儀的性能參數、工作原理，三維掃描技術在軸流泵及混流泵葉輪檢測中的應用，以及葉輪空間曲面的掃描對比分析結果，得到了在制造和運行使用過程中葉輪葉片發生嚴重變形的具體數據，確認了影響泵性能參數的主要原因。通過三維掃描，對泵主要零件的空間曲面可以有更快速、準確的判斷，為提高泵的制造及售后服務質量提供了有力的技術支持。

三維掃描是集光電技術和計算機技術于一體的高新掃描技術，主要用于對物體空間外形和結構進行掃描，以獲得物體表面的空間坐標。在當今世界，三維掃描儀作為一種快速的立體測量設備，因檢測速度快、精度高、非接觸和使用方便等優點而得到越來越多的應用，且已廣泛應用于機械制造、交通車輛、航空航天、文物考古和歷史建筑[1-9]等行業。

在泵制造業中，對具有復雜曲面的葉輪等零件進行檢測時，采用傳統檢測工藝方法已不能滿足對葉輪質量的控制要求[2]，且難度大、周期長、檢測精度不高。使用三維掃描儀對葉輪、泵體等零件及其模型進行掃描，可以得到高精度的尺寸數據，這些數據通過對比軟件直接與零件設計模型進行對比，從而可以提高零件的制造精度，為客戶提供高精度、高性能的優質產品。

1 三維掃描儀及掃描過程

德國GOM公司的最新ATOS光學三維掃描儀家族成員ATOSⅡTriple Scan，采用雙立體相機及藍光技術，分辨率500萬像素，掃描范圍360°、38 mm×29 mm～2 000 mm×1 500 mm，工作距離490～2 000 mm，能最大限度滿足各種高精度的掃描需求。

使用ATOS掃描儀對樣品零件進行數字化采集，將特定的光柵條紋投影到測量工件表面，借助兩個高分辨率電荷耦合元件（CCD）數碼相機對光柵干涉條紋進行拍攝，利用光學拍攝定位技術和光柵測量原理，可在極短的時間內獲得復雜工件表面的完整點云。ATOS配套軟件可以在幾秒鐘之內計算出多達400萬個物點的精確三維坐標，高質量的掃描點云可用于產品開發、逆向工程、快速成型、質量控制及虛擬裝配，甚至可實現直接加工。

圖1 離心泵葉輪的掃描現場圖

在掃描開始前，既要對ATOS掃描儀進行三維數據定標和配準，又要注意在樣品零件表面貼上磁性數碼標志點，用于掃描系統的坐標參考，并且對樣品零件表面進行噴涂顯像劑的白色亞光處理[3]。圖1所示為某離心泵葉輪的掃描現場，藍色的光柵條紋投影到葉輪上，為了便于掃描扭曲的葉片，使葉片暴露在外，對葉輪前蓋板進行了切割。掃描數據采集完成后，運用GOMInspect軟件與設計的三維模型進行曲面對比分析，檢查葉片表面每個點的三維坐標是否符合設計要求。

2 軸流泵葉輪的三維掃描及分析對比

某排澇泵站所訂購的軸流泵出口直徑D=700 mm，電機型號為YE2-355M1-6，功率為160 kW，流量為5 040 m3/h，揚程為7.4 m，效率為83.8%。產品出廠前進行了內部試驗，在相同流量點實測效率70.2%，與技術要求有較大差距。

影響軸流泵效率的主要因素是葉輪（圖2），葉輪上有4個空間曲面形狀的葉片。葉輪是從外協單位采購的精密鑄件，加工配合尺寸經過檢驗，無質量問題。

圖2 軸流泵葉輪示意圖

對葉片表面進行三維掃描檢查，并與三維設計模型進行對比，發現嚴重偏離設計要求。按照國家標準《GB/T 13008—2010混流泵、軸流泵技術條件》[10]的要求，偏差在±0.2%D以內，即±1.4 mm以內。葉片背面最大偏差為+8.67 mm，工作面最大偏差為-10.97 mm，如圖3所示。圖中綠色區域表示與設計要求一致，黃色及淺藍色區域表示偏差較小，在標準允許的范圍內，深紅和深藍部位表示尺寸超標。所有葉片的出口邊外緣尖角都向進水方向彎曲，可能受到外力撞擊變形。2號葉片最大彎曲位移8 mm左右，這會使流線紊亂并產生漩渦，導致效率下降。葉片工作面和背面有大片面積尺寸超標，主要集中在葉片尖角和進口邊，需要矯正打磨。葉片外緣最大擬合直徑537.14 mm，而設計要求為mm，可見最大擬合直徑超出公差范圍。

圖3 軸流泵葉輪三維掃描對比分析圖

葉輪材料為不銹鋼，采用金屬模具精密鑄造。采用三維掃描進行對比分析，發現了較為嚴重的質量問題。由此可見，好的設計方案及制造工藝是前提，而過程控制也相當重要，鑄造、熱處理、機加工及搬運等環節都要嚴格把關。

3 循環水泵葉輪的三維掃描及分析對比

某電廠訂購的循環水泵出口直徑D=2 000 mm，電機型號為YLKS1000-16，功率為2 700 kW，流量為40 608 m3/h，揚程為18.5 m，效率為87.2%。該循環水泵采用混流泵水力模型設計。在電廠運行一定年限后，振動噪聲加大，性能參數嚴重下滑，已經不能滿足用戶需求，之后停機檢修。泵在現場解體后，對葉輪等易損件進行了更新，換下的零件運回工廠進行檢測分析。

影響循環水泵性能參數的主要因素是葉輪（圖4），葉輪上有3個空間曲面形狀的葉片。

圖4 循環水泵葉輪示意圖

對葉片表面進行三維掃描檢查，并與三維設計模型進行對比分析，發現嚴重偏離設計要求。按照相關技術要求，偏差應在±0.2%D以內，即±4 mm以內。葉片外緣與葉輪室配合部位偏差較大，最大偏差值29.24 mm，如圖5所示。

圖5 混流泵葉輪三維掃描對比分析圖

在電廠運行一定年限后，葉輪嚴重偏離設計要求,葉片外緣疑受較大外力，導致所有葉片彎曲變形。葉輪外緣磨損嚴重，外圓直徑減小90～100 mm，葉片彎曲嚴重，即圖5中紅褐色帶狀部位，寬度達到了40mm。

經停機解體檢查發現，泵潤滑磨損嚴重，失去了定位功能，泵軸最大磨深3 mm，整個轉子大幅度晃動，導致葉輪外緣與葉輪室長時間摩擦，最后使葉輪直徑縮小，泵的性能大幅下降。由此可見軸承等易損件要實時監控、定期更換，不可帶病運行，否則將造成更大的損失。

4 結論

三維掃描測量對葉片曲面進行檢測，具有測量精度高、數據完整的特點。

這一測量技術能夠詳細分析制造和運行后的誤差，為提高產品制造及售后服務質量提供了可靠的技術支持，使工程技術人員能夠快速準確地診斷產品故障，提高產品的性能。需要指出的是，三維掃描技術側重于具有復雜幾何形狀的物體的檢測分析，但還并不能完全取代傳統的檢測工具及方法。

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[10]混流泵、軸流泵技術條件：GB/T13008—2010[S].

Described the advantaged and the scope of application of three-dimensional scanning technology, introduced performance parameters and working principle of ATOS scanner products,and also presented the applications of three-dimensional scanning technology in the detection of the impeller in axial flow pump and mixed flow pump,and the outcome via comparative analysis of the scanned curve surfaces in the impeller space. With the factual data on the serious distortion of the impeller blade obtained during the manufacturing process and operationaluse,themaincausesthataffectedthepumpperformanceparameterswereconfirmed. Three-dimensional scanning can enable faster and more accurate estimation of the space curve surface of the main pump parts and can provide a strong technical support for improvement of the pump production and after-sale service quality.

三維掃描；質量控制；泵；葉輪

Three-dimensionalScanning；Quality Control；Pump；Impeller

TH311

A

1672-0555（2016）03-016-04

2016年5月

高君（1981—），男，本科，工程師，主要從事電站泵、特殊泵及三維掃描技術的研究工作