渦輪機(jī)葉片測(cè)量儀三軸聯(lián)動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)研制*

趙凌宇　白春蕾

(北京工業(yè)大學(xué)北京市精密測(cè)控技術(shù)與儀器工程技術(shù)研究中心，北京 100124)

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渦輪機(jī)葉片測(cè)量儀三軸聯(lián)動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)研制*

趙凌宇白春蕾

(北京工業(yè)大學(xué)北京市精密測(cè)控技術(shù)與儀器工程技術(shù)研究中心，北京 100124)

針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片專用測(cè)量儀效率低、成本高和測(cè)控系統(tǒng)功能可自主擴(kuò)展性差的問題，提出了一種自主擴(kuò)展性高、成本低廉的基于PMAC運(yùn)動(dòng)控制卡的葉片測(cè)量儀三軸聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用PMAC運(yùn)動(dòng)控制卡與IPC集成的形式，構(gòu)成一套可自主進(jìn)行運(yùn)動(dòng)軸系控制與人機(jī)界面編程的三軸聯(lián)動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)。通過試驗(yàn)證明，該系統(tǒng)具有成本低廉、測(cè)控系統(tǒng)自主編程擴(kuò)展能力高、通用性強(qiáng)和高效率等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)工程應(yīng)用具有指導(dǎo)意義。

空氣渦輪機(jī)；葉片測(cè)量；測(cè)控系統(tǒng)

航空發(fā)動(dòng)機(jī)是現(xiàn)代飛行器的核心部件，決定了飛行器的性能優(yōu)劣。航空發(fā)動(dòng)機(jī)從1903年發(fā)展至今，經(jīng)歷了活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)到燃?xì)鉁u輪式發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展變革。燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)由空氣壓縮機(jī)、燃燒室、渦輪機(jī)3個(gè)主要結(jié)構(gòu)構(gòu)成?？諝鈮嚎s機(jī)與渦輪機(jī)核心零部件為葉片，其也是組成航空發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵零件之一，其尺寸、形狀精度等直接影響著航空發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣動(dòng)力學(xué)特性，根據(jù)英國Rolls-Royce公司資料，若將飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子葉片加工精度由60μm提高到12μm，加工表面粗糙度Ra由0.5μm減小到0.2μm，則發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮效率將從89%提高到94%[1]。渦輪機(jī)葉片的型面為自由曲面，對(duì)該種類型自由曲面的檢測(cè)一直是該行業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)難題[2]。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪機(jī)葉片常用材料包括鈦合金、高溫合金、鋁合金、結(jié)構(gòu)鋼、不銹鋼等。其主要結(jié)構(gòu)由葉盆、葉背、進(jìn)氣邊、排氣邊、榫頭、櫞板、葉冠等7部分組成。渦輪機(jī)葉片主要參數(shù)為葉型參數(shù)[3]。如圖1所示為典型渦輪機(jī)葉片葉型示意圖，其主要參數(shù)包括中弧線(葉型內(nèi)切圓中心連線)、弦長b(連接中弧線與葉型前后緣交點(diǎn)AB之間的直線)、最大撓度fmax(中弧線到弦的最大垂直距離)、葉型前緣角x1(中弧線在前緣點(diǎn)A的切線與弦之間的夾角)、葉型后緣角x2(中弧線在后緣點(diǎn)B的切線與弦之間的夾角)

目前，常規(guī)的渦輪機(jī)葉片檢測(cè)主要采用專用測(cè)量儀或樣板進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)葉片進(jìn)行快速、準(zhǔn)確的測(cè)量是該領(lǐng)域發(fā)展的大方向。國外?？怂箍怠貪傻绕髽I(yè)是常見的葉片測(cè)量儀生產(chǎn)廠家[4]，其生產(chǎn)的多軸葉片測(cè)量儀可配置接觸或非接觸測(cè)頭對(duì)葉片進(jìn)行自動(dòng)測(cè)量，國內(nèi)中航工業(yè)集團(tuán)、西北工業(yè)大學(xué)等對(duì)葉片測(cè)量儀進(jìn)行了大量的研究工作[5]。

一般航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪機(jī)葉片葉型精度為0.06mm，表面粗糙度Ra為0.4μm，其常用測(cè)量方法有專用葉片測(cè)量儀測(cè)量、樣板測(cè)量、光學(xué)投影測(cè)量和三坐標(biāo)機(jī)測(cè)量[6]。專用葉片測(cè)量儀可對(duì)各種葉片進(jìn)行自動(dòng)化測(cè)量，具有適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)；樣板測(cè)量使用葉片樣板，采用比對(duì)測(cè)量原理，可對(duì)葉片進(jìn)行快速檢測(cè)，這種方法是現(xiàn)在行業(yè)最常用的測(cè)量方法。光學(xué)投影測(cè)量方法是采用光學(xué)投影儀對(duì)葉片進(jìn)行全尺寸測(cè)量，其采樣點(diǎn)數(shù)高；三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)也可對(duì)葉片進(jìn)行自動(dòng)化測(cè)量，其測(cè)量精度最高。

本文采用：三軸聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)+非接觸激光掃描測(cè)頭對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片進(jìn)行自動(dòng)、快速測(cè)量。聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)采用：IPC+運(yùn)動(dòng)控制卡的ONC形式進(jìn)行控制，運(yùn)動(dòng)控制卡選用美國DeltaTau公司的PMAC2-PCI-LITE運(yùn)動(dòng)控制卡。本方案具有測(cè)量快速高效、采樣點(diǎn)數(shù)高、可自主擴(kuò)展功能、成本低等特點(diǎn)。

1　葉片測(cè)量儀研制

1.1葉片測(cè)量儀結(jié)構(gòu)

如圖2所示，為實(shí)驗(yàn)室自主研發(fā)的三軸聯(lián)動(dòng)葉片測(cè)量儀[7]。儀器由機(jī)械系統(tǒng)與測(cè)控系統(tǒng)構(gòu)成。

本儀器采用一個(gè)回轉(zhuǎn)軸系A(chǔ)與兩個(gè)直線軸系X(水平)、Z(豎直)共同構(gòu)成一個(gè)三軸聯(lián)動(dòng)結(jié)構(gòu)?；剞D(zhuǎn)軸系A(chǔ)采用精密密珠主軸，兩個(gè)直線軸系采用模組式精密導(dǎo)軌疊層式布置。整個(gè)機(jī)械系統(tǒng)放置在大理石基座上。測(cè)控系統(tǒng)采用美國DeltaTau公司制造的PMAC運(yùn)動(dòng)控制卡與研華科技的IPC集成的形式，PMAC運(yùn)動(dòng)控制卡直接控制各路電機(jī)并接受光柵反饋信號(hào)。IPC提供人機(jī)交互界面，并處理激光測(cè)頭與PMAC采集的數(shù)據(jù)。

1.2葉片測(cè)量儀工作原理

儀器進(jìn)行測(cè)量時(shí)，先把葉片裝夾在精密卡具上，然后通過計(jì)算機(jī)人機(jī)交互界面設(shè)定主軸的轉(zhuǎn)動(dòng)速率及X、Z軸的移動(dòng)速率，控制Z軸移動(dòng)到指定的高度并鎖定Z軸，初始化工作完成之后進(jìn)行相應(yīng)的測(cè)量工作。

測(cè)量開始后，轉(zhuǎn)軸A的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)主軸轉(zhuǎn)動(dòng)，激光測(cè)頭采集位移數(shù)據(jù)，通過以太網(wǎng)傳輸給上位機(jī)。IPC計(jì)算激光測(cè)頭透鏡與葉片理論廓線待測(cè)點(diǎn)K的距離d，通過PMAC驅(qū)動(dòng)直線軸X調(diào)整距離d使得d始終保持在測(cè)頭焦距范圍內(nèi)。光柵角位移傳感器的讀數(shù)頭采集的轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)由PMAC運(yùn)動(dòng)控制卡通過PCI總線傳輸給上位機(jī)。最終，通過組合光學(xué)測(cè)頭的位移數(shù)據(jù)與光柵角位移傳感器采集的轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)得出葉片截面輪廓線數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理與分析得出葉片截面輪廓線。

2　測(cè)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

圖3所示為三軸聯(lián)動(dòng)葉片測(cè)量儀測(cè)控系統(tǒng)原理圖。該系統(tǒng)共有兩套相互獨(dú)立的控制系統(tǒng)。第一套控制系統(tǒng)通過PMAC運(yùn)動(dòng)控制卡，對(duì)儀器進(jìn)行自動(dòng)控制。

工控機(jī)IPC通過PCI總線與PMAC運(yùn)動(dòng)控制卡通訊。PMAC運(yùn)行控制卡的Jmach1與Jmach2通道分別連接兩塊ACC8S接口板，每塊板卡分別有2路信號(hào)通道，共計(jì)4路信號(hào)通道，可實(shí)現(xiàn)4軸運(yùn)動(dòng)控制。X、Z、A軸的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器控制信號(hào)接口通過與ACC8S板卡連接，可以接收PMAC發(fā)出的脈沖加方向控制信號(hào)，光柵線位移傳感器與光柵角位移傳感器的讀數(shù)頭反饋信號(hào)同時(shí)接入PMAC運(yùn)行控制卡，以實(shí)現(xiàn)各運(yùn)動(dòng)軸的閉環(huán)控制[8]。

第二套控制系統(tǒng)采用手動(dòng)控制方式，手柄操作面板與實(shí)驗(yàn)室自行開發(fā)的控制板卡相連，手柄面板操作控制板卡可分別向3種電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器輸出3路控制信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)儀器的3個(gè)運(yùn)動(dòng)軸的簡(jiǎn)單運(yùn)動(dòng)。測(cè)頭傳感器采用以色列生產(chǎn)的激光測(cè)頭，通過以太網(wǎng)與上位機(jī)進(jìn)行實(shí)施通訊。IPC負(fù)責(zé)對(duì)PMAC與測(cè)頭采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與分析。

3　測(cè)控系統(tǒng)硬件集成

3.1零部件選型

在總體技術(shù)方案基礎(chǔ)上，進(jìn)行了相應(yīng)的試驗(yàn)和分析，在分析試驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了零部件的設(shè)計(jì)和選型。X軸電機(jī)選用松下MSMA012C1G型交流伺服電機(jī)及MSDA013D1A型驅(qū)動(dòng)器，光柵線位移傳感器選用貴陽新天公司的產(chǎn)品。Y軸電機(jī)選用富士FALDIC-W系列GYS101DC2-T2A-B型交流伺服電機(jī)及其RYC101D3-VVT2型電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。A軸電機(jī)選用橫河DM1B-45型交流伺服電機(jī)及UD1BG3-045N型驅(qū)動(dòng)器，光柵角位移傳感器選用雷尼紹20USA150型圓光柵及RGH20Z30D00A型讀數(shù)頭。各硬件接線圖見圖4。

3.2功能設(shè)置

經(jīng)過試驗(yàn)和分析，PMAC運(yùn)動(dòng)控制卡所需要實(shí)現(xiàn)的控制功能包括脈沖控制信號(hào)輸出、位置反饋信號(hào)接收以及限位功能。

ACC8S接口板為DeltaTau公司提供的PMAC運(yùn)動(dòng)控制卡接口板，用于和外部控制設(shè)備連接。圖5為ACC8S接口板的結(jié)構(gòu)圖，其各個(gè)接口定義如下：TB2為光柵位移傳感器信息輸入接口，可以進(jìn)行光柵反饋信號(hào)差分輸入，其內(nèi)部管腳定義分別為1號(hào)管腳為CHA1+，2號(hào)管腳為CHA1-，3號(hào)管腳為CHB1+，4號(hào)管腳為CHB1-，5號(hào)管腳為CHC1+，6號(hào)管腳為CHC1-。TB6為PMAC控制信號(hào)輸出接口，可向電機(jī)驅(qū)動(dòng)器輸出控制信號(hào)，其內(nèi)部管腳定義分別為1號(hào)管腳為STEP+，2號(hào)管腳為STEP-，3號(hào)管腳為DIR+，4號(hào)管腳為DIR-。TB4為狀態(tài)信號(hào)輸入接口，其可以輸入各種狀態(tài)信號(hào)，包括正負(fù)限位信號(hào)及其伺服報(bào)警信號(hào)，其管腳定義如下，2號(hào)管腳為正限位輸入口，3號(hào)管腳為負(fù)限位輸入口，5、6號(hào)管腳為公共端。

正確接線后，PMAC運(yùn)動(dòng)控制卡在使用前還需要進(jìn)行基本的參數(shù)設(shè)置。DeltaTau公司提供給用戶進(jìn)行PMAC系統(tǒng)設(shè)置的變量為I變量，分別為I0至I1023。PMAC大部分I變量的出廠設(shè)置可以滿足使用要求，在這里只需要修改幾個(gè)參數(shù)，即可使其適合本系統(tǒng)的要求。這里給出一個(gè)通道I變量修改的參數(shù)，另外兩通道與其類似：In00設(shè)置為1，In01設(shè)置為0，In02設(shè)置為MYMC004，In03設(shè)置為MYM0720，In04設(shè)置為MYM0720，In11設(shè)置為16000，In12設(shè)置為16000，In22設(shè)置為32，In23設(shè)置為32，In25設(shè)置為MYM2C000，I9n0設(shè)置為7，I9n2設(shè)置為1，I9n3設(shè)置為0，I9n6設(shè)置為3。

4　PID控制

4.1PID原理

在機(jī)電控制系統(tǒng)中，PID控制器作為最簡(jiǎn)單、通用的校正裝置，常用于改進(jìn)反饋控制系統(tǒng)的性能。圖6為傳統(tǒng)PID控制原理圖[9]

其中：

e(t)=r(t)-c(t)

(1)

(2)

其傳遞函數(shù)表示為

(3)

式中：KP為比例增益，KI為積分增益，KD為微分增益。

其中比例增益提供系統(tǒng)的剛性，微分增益提供穩(wěn)定需要的阻尼，積分增益消除穩(wěn)態(tài)跟隨誤差。

區(qū)別于傳統(tǒng)的PID，美國DeltaTau公司的PMAC2控制卡的位置反饋控制系統(tǒng)采用的是帶有速度與加速度前饋的PID控制器+陷波濾波器算法來進(jìn)行調(diào)整的。如圖7為PMAC位置反饋系統(tǒng)原理圖。

各個(gè)參數(shù)含義如下：Kvff為速度前饋，通過參數(shù)I×32調(diào)節(jié)，Kaff為加速度前饋，通過參數(shù)I×35來調(diào)節(jié)，IM為積分模式，通過參數(shù)I×34來調(diào)節(jié)。Ki為積分增益，通過參數(shù)I×33來調(diào)節(jié)。Kd為微分增益，通過參數(shù)I×31調(diào)節(jié)，Kp為比例增益，通過參數(shù)I×30調(diào)節(jié)。n1表示陷波濾波器系數(shù)N1，通過參數(shù)I×36調(diào)節(jié)。n2表示陷波濾波器系數(shù)N2，通過參數(shù)I×37調(diào)節(jié)。d1表示陷波濾波器系數(shù)D1，通過參數(shù)I×38調(diào)節(jié)。d2表示陷波濾波器系數(shù)D2，通過參數(shù)I×39調(diào)節(jié)。

4.2PID整定

通過DeltaTau公司提供的PMACTuningPro軟件，可以對(duì)各個(gè)運(yùn)動(dòng)軸電機(jī)進(jìn)行PID整定。首先使用系統(tǒng)提供的階躍信號(hào)調(diào)節(jié)PID參數(shù)。通過調(diào)整參數(shù)I×31與I×33的數(shù)值，對(duì)相應(yīng)曲線進(jìn)行調(diào)整。經(jīng)過反復(fù)調(diào)試，直到實(shí)際曲線和理論曲線相吻合時(shí)，PID整定結(jié)束，見圖8。

調(diào)整PID參數(shù)完成后，利用拋物線響應(yīng)，調(diào)節(jié)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性。通過參數(shù)I×32與參數(shù)I×35可對(duì)相應(yīng)曲線進(jìn)行調(diào)整。

5　軟件設(shè)計(jì)

測(cè)控系統(tǒng)軟件分為上位機(jī)人機(jī)界面設(shè)計(jì)與下位機(jī)程序編程。上位機(jī)采用VC++設(shè)計(jì)人機(jī)交互界面UI，用來顯示所檢測(cè)的PMAC各項(xiàng)參數(shù)及其所采集的數(shù)據(jù)處理與分析。下位機(jī)為PMAC運(yùn)動(dòng)控制卡，可用自帶語言進(jìn)行運(yùn)動(dòng)程序與PLC編程。上位機(jī)軟件通過DeltaTau公司提供的動(dòng)態(tài)鏈接庫與PMAC進(jìn)行通訊及其數(shù)據(jù)傳輸。

5.1上位機(jī)軟件

如圖9所示為上位機(jī)人機(jī)交互界面功能模塊圖。本軟件共分為五大模塊，包括用戶信息管理模塊、參數(shù)管理模塊、程序管理模塊、狀態(tài)管理模塊以及數(shù)據(jù)分析模塊。用戶信息管理模塊用于進(jìn)行用戶信息錄入及其登錄，參數(shù)管理模塊可以進(jìn)行電機(jī)運(yùn)行參數(shù)設(shè)定及其坐標(biāo)系選擇。程序管理模塊可進(jìn)行運(yùn)動(dòng)程序編輯以及葉片主要評(píng)價(jià)參數(shù)設(shè)定。狀態(tài)管理模塊可以顯示故障信息、限位開關(guān)狀態(tài)以及各個(gè)電機(jī)軸運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。數(shù)據(jù)分析模塊可以顯示所測(cè)量葉片界面數(shù)據(jù)點(diǎn)以及數(shù)據(jù)分析方法選擇。軟件采用MicrosoftVS2010進(jìn)行開發(fā)，開發(fā)原則包括功能完善、簡(jiǎn)單易用、安全可靠、擴(kuò)展靈活。

上位機(jī)與下位機(jī)通訊通過DeltaTau公司提供的動(dòng)態(tài)鏈接庫PCOMM32建立通訊，PCOMM32動(dòng)態(tài)庫里包括250余種庫函數(shù)，編程人員可以方便的通過調(diào)用庫函數(shù)來實(shí)現(xiàn)和PMAC控制卡進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

5.2下位機(jī)程序設(shè)計(jì)

下位機(jī)程序設(shè)計(jì)是在PMAC運(yùn)動(dòng)控制卡中，利用系統(tǒng)所支持的語言進(jìn)行編程，其中包括運(yùn)動(dòng)控制程序設(shè)計(jì)以及PLC邏輯控制程序設(shè)計(jì)。運(yùn)動(dòng)控制程序主要分為兩個(gè)部分，第一部分是變量的初始化，在第一部分中要對(duì)之后程序所用到一些變量進(jìn)行初始化。第二部分是測(cè)量的主程序，測(cè)量的主程序是要實(shí)現(xiàn)儀器測(cè)量時(shí)所要求的運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)流程為2個(gè)直線軸在程序開始時(shí)的回零運(yùn)動(dòng)，之后Z軸移動(dòng)到指定的高度，轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)，X軸根據(jù)計(jì)算的距離正負(fù)移動(dòng)。當(dāng)完成一次測(cè)量后，PMAC卡要控制各軸電機(jī)進(jìn)行復(fù)位。

PLC邏輯控制程序用于監(jiān)視模擬、數(shù)字量輸入，設(shè)定輸出值，發(fā)信息以及監(jiān)視運(yùn)動(dòng)參數(shù)等。

PLC程序結(jié)構(gòu)如下：

CLOSE“關(guān)閉當(dāng)前打開的緩沖區(qū)”

DELGAT“關(guān)閉數(shù)據(jù)采集”

OPENPLCnCLEAR“打開n號(hào)PLC程序緩沖區(qū)”

CLOSE“關(guān)閉緩沖區(qū)”

6　葉片測(cè)量儀試驗(yàn)驗(yàn)證

如圖10所示，圖形A為實(shí)驗(yàn)室研制的葉片測(cè)量儀測(cè)出的葉片截面前緣的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，平均采樣頻率為1 600Hz，采樣點(diǎn)數(shù)為890個(gè)，采樣時(shí)間約為0.5s。圖形B為?？怂箍等鴺?biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)出的葉片截面前緣點(diǎn)云數(shù)據(jù)，采樣點(diǎn)數(shù)為50個(gè)，采樣時(shí)間約為1min。

經(jīng)數(shù)據(jù)對(duì)比，本文所研制的葉片測(cè)量儀比傳統(tǒng)三坐標(biāo)機(jī)測(cè)量葉片截面時(shí)采樣頻率更大、采樣點(diǎn)數(shù)多，其測(cè)量效率更高。

7　結(jié)語

本文研究了基于PMAC控制卡的3軸葉片測(cè)控系統(tǒng)的開發(fā)，經(jīng)過主機(jī)研制和相關(guān)試驗(yàn)驗(yàn)證，通過上位機(jī)軟件對(duì)PMAC運(yùn)動(dòng)控制卡的控制實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)與測(cè)量，滿足了葉片相關(guān)參數(shù)測(cè)量的功能要求。采用PMAC運(yùn)動(dòng)控制卡的測(cè)控系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)緊湊，組裝方便，開放性高，可擴(kuò)展性強(qiáng)以及支持多種語言編程的優(yōu)點(diǎn)。

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Development of turbine blade measuring machine triaxiallinkagemeasurementandcontrolsystem

ZHAO Lingyu①，BAI Chunlei①

(BeijingEngineeringResearchCenterofPrecisionMeasurementTechnology&Instrument,BeijingUniversityofTechnology,Beijing100124,CHN)

AimingattheblademeasuringmachineproblemofhighcostandlowefficiencyofdevelopmentwithMeasurementandControlSystem,triaxiallinkagemeasurementandcontrolsystembasedonPMAC,lowcostandhighefficiencyofdevelopment,wasproposed.UsingPMACandIPC,triaxiallinkagemeasurementandcontrolsystemwasbuilt.Theexampleswereusedtoverifythelow-costandhighlyefficientdevelopmentofsystem.Ithasguidingsignificationtoengineeringapplication.

airturbine;blademeasurement;measurementandcontrolsystem

TP272

A

趙凌宇，男，1987年生，碩士研究生，研究方向?yàn)榫軠y(cè)量。

(編輯譚弘穎)(2016-01-12)

160324

*北京市教委項(xiàng)目“航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片測(cè)量成套技術(shù)與測(cè)量機(jī)”(PXM2013_014204_000031)