基于激光跟蹤儀的類平行度檢測技術及應用

謝大軍，江一杭，別春華，吳彥波，劉艷霞

(東方電氣(天津)風電葉片工程有限公司 天津300480)

0 引 言

風力發電行業近幾年快速發展，它的核心部件風電葉片的制造也在不斷優化升級，風電葉片制造主要依靠模具與工裝的應用實現，模具與工裝的安裝質量影響著產品的形狀與位置偏差。目前激光跟蹤儀已經普遍在風電葉片模具與工裝安裝調試中得到了應用，一般使用方法是通過其進行型面偏差和平面度測量。例如在風電葉片模具上的預埋根部鐵法蘭的安裝過程中，普遍采用機加工的標準件和等厚的墊片使其與葉片模具根部進行間隙配合安裝，初步安裝后再通過激光跟蹤儀進行平面度檢測、調試，合格后進行加固驗收。該安裝方法安裝出來的根部鐵法蘭的質量一般，在葉根直徑超過 3m 以后，該偏差已經導致鐵法蘭安裝調試困難，調試后鐵法蘭與模具理論葉根端面的偏差較大。

1 風電葉片模具預埋根部鐵法蘭簡介

風電葉片的生產是依靠模具與工藝裝備進行成型的，成品將作為一個組件與風電機組輪轂連接，其接口就是根部螺栓與預埋螺栓套組件；該根部螺栓與預埋螺栓套組件是靠預埋根部鐵法蘭進行定位的，因此預埋根部鐵法蘭的安裝十分重要。其安裝位置如圖1所示。

2 類平行度的定義

本文參考 GB/T 1182—2018[1]中“17.10.7相對于基準面的平面平行度公差”對類平行度進行定義，其屬于定向公差，是指通過激光跟蹤儀測量實物曲面點或點云，并與理論三維數模當中曲面進行擬合匹配，對齊后將理論三維數模當中的特征平面作為基準面，再次實測平面上的點或點云，并以前面的基準面為基準進行的偏差評價。因風電葉片模具普遍以曲面擬合對齊為基礎，故該類平面度在風電行業具有普遍適用的特點。

圖1 預埋根部鐵法蘭安裝位置圖Fig.1 Installation location of embedded root iron flange

3 模具預埋根部鐵法蘭的類平行度測量

準備激光跟蹤儀設備、SA軟件(Spatial Analyzer)；裝置，水平放置，測量重力水平坐標系；空間掃描，測量型面點；單點到 SA/穩定點到 SA，測量螺栓孔間平面點；分析，最佳擬合轉化，點到表面/對象，快速與CAD對準；創建坐標系輸入，分別通過轉化角度創建 Z軸朝上的模具姿態、葉片姿態的坐標系，并把模具姿態的坐標系設為工作坐標系。本論文中的坐標系是 X軸由葉根指向葉尖，Y軸是由葉片前緣指向葉片的后緣；儀器，Straight(align level frame Z-axis with working frme)，將測量的重力水平坐標系與模具坐標系對齊；關系匹配，點到對象，將型面點與數模進行關系匹配，見圖2。

圖2 實測模具曲面點與曲面三維數模的擬合匹配最終結果圖Fig.2 Results of fitting and matching between meas-ured mold surface points and 3d model of surface

關系匹配，通過關系最小化移動對象，設置 x、y、z、Rz自由度，執行最優化操作：將葉片姿態坐標系設為工作坐標系，執行創建，平面，輸入，創建葉片姿態根部端面；圖3根部預埋鐵法蘭安裝類平行度偏差4.58mm；查詢，點到對象，查詢根部預埋鐵法蘭平面上的點到該平面峰峰值偏差(最大值偏差-最小值偏差)，即為類平行度的偏差，如圖 3所示，類平行度偏差為 4.28-(-0.30)＝4.58mm＞1.2mm，判定為不合格，需要進行安裝調試。

將模具姿態坐標系設為工作坐標系，再次執葉片姿態坐標系設為工作坐標系，查看米標位置，并根據偏差再次執行；關系匹配，通過關系最小化移動對象，手動移動行：關系匹配，通過關系最小化移動對象，設置y、z、Rz自由度，執行最優化操作。

圖3 查詢結果圖Fig.3 Query result graph

根據多次類平行度的安裝應用，綜合調試成本及后處理根端打磨機打磨后再次放大根部平面與理論平面的隨機偏差(按最大 2mm估算)的因素，最終確定以下的類平行度要求比較適宜。

①葉根節圓直徑＜2500mm，類平行度公差0.9mm；

②葉根節圓直徑＜3200mm，類平行度公差1.2mm；

③葉根節圓直徑＜4000mm，類平行度公差1.5mm；

④葉根節圓直徑＜5000mm，類平行度公差1.8mm。

4 類平行度檢測安裝技術優勢

①類平行度的測量使得葉片制造得以更好地滿足設計上對葉片根部端面的技術要求。

②通過類平行度檢測合格的根部預埋鐵法蘭，容差率更高，經過后處理根部打磨機打磨后，更放心。

③類平行度的測量是定向檢測，在安裝過程中不容易受其他因素影響，通常可以一次安裝到位，不發生返工，較其他安裝方式有非常大的優勢。

④類平行度檢測安裝方式，當預埋根部鐵法蘭與模具之間配合超差時，更容易判定具體是預埋根部鐵法蘭還是模具中的哪一個出的問題。

5 結 論

本論文參考形位公差的國標，針對風電葉片行業，提出了基于激光跟蹤儀的類平行度定義及檢測技術。該檢測技術對預埋根部鐵法蘭的安裝質量起到了極大的提升，且應用方便，因風電葉片的市場比較大，故該技術具有工業化應用推廣價值。