大型三元閉式水泵葉輪應(yīng)用三坐標(biāo)進(jìn)行水力中心線的確立

王 芳，關(guān) 錳，金玉淑，劉文英，鞠傳勝，朱少輝

（沈陽(yáng)鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110869）

在傳統(tǒng)的大型三元閉式水泵葉輪的加工制造過程中，加工量的確定是通過劃線工人按進(jìn)水口找圓，出水口找平來確定。但是由于葉輪流道及前后蓋板各表面均為鑄造表面，各表面的鑄造余量十分不均勻，單憑劃線工人用傳統(tǒng)方法對(duì)葉輪進(jìn)行劃線操作，找出的加工基準(zhǔn)十分粗糙，按此基準(zhǔn)加工的葉輪出現(xiàn)的偏差十分大，導(dǎo)致加工出的葉輪與設(shè)計(jì)的理念相差甚遠(yuǎn)，以致在進(jìn)行水力性能試驗(yàn)時(shí)達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，而且由于葉輪水力中心線沒在設(shè)計(jì)理論位置，導(dǎo)致葉片的厚度不均勻，使機(jī)組振動(dòng)噪聲等各項(xiàng)要求嚴(yán)重超標(biāo)。

基于以上重要原因，葉輪水力中心線的位置確定是關(guān)系到整個(gè)泵性能的關(guān)鍵。因此，我們現(xiàn)在開發(fā)研究應(yīng)用三坐標(biāo)進(jìn)行葉輪水力中心線的確定。

1 設(shè)計(jì)產(chǎn)品分析

某大型水泵主要技術(shù)參數(shù)如下：流量Q在1 800~2 000 m3/h；揚(yáng)程 H>115 m；轉(zhuǎn)速 n在 1 700~1 900 r/min；設(shè)計(jì)溫度為345℃；設(shè)計(jì)壓力為25MPa。

對(duì)流量如此大，工作溫度如此高的工況，為使泵組的性能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，對(duì)葉輪的加工制造是一個(gè)十分苛刻的挑戰(zhàn)。此大型閉式三元葉輪設(shè)計(jì)參數(shù)（見圖1）：外徑為φ800mm，高600mm，共七枚葉片。葉輪材料為馬氏體不銹鋼，重400 kg，閉式。我們的目標(biāo)是由A1和B1處的每個(gè)數(shù)據(jù)目標(biāo)位置上采集多點(diǎn)建立數(shù)據(jù)-A-（基準(zhǔn)）和-B-（基準(zhǔn)），從而應(yīng)用每個(gè)葉片出口流道中心檢測(cè)的平均值-A1-和-B1-的檢測(cè)數(shù)據(jù)作為加工基準(zhǔn)，即以B1為基準(zhǔn)確定好-B-基準(zhǔn)后，在以同等半徑R尺寸下檢測(cè)葉輪的水力流道基準(zhǔn)A1，每個(gè)葉片間至少取三點(diǎn)，取其平均值，形成基準(zhǔn)-A-。應(yīng)用A1合成平面及合成圓反應(yīng)到口環(huán)端面及葉輪大外圓上，確定出葉輪在某一確定方向的加工余量以提供給設(shè)計(jì)、檢查、生產(chǎn)等部門。

圖1 葉輪簡(jiǎn)圖

由于根據(jù)葉輪的水力木模圖及設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖形成的三維立體圖是設(shè)計(jì)葉輪的理想狀態(tài)，因此，我們決定由葉輪的三維立體圖著手，與三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x相結(jié)合，測(cè)量出鑄造葉輪水力中心線的最佳位置。工件在測(cè)量前，已進(jìn)行粗加工，流道已進(jìn)行打磨光滑平整在Ra6.3~12.5μm之間。

2 測(cè)量設(shè)備分析

此葉輪需要測(cè)量的是水力流道曲面上的點(diǎn)，因此不只需要定位定向測(cè)量（X、Y、Z），還需要測(cè)量與曲面垂直的法向矢量（I、J、K）。如果利用 RS-150型三坐標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，工件能夠定位定向測(cè)量，但由于泵葉片是非銑制葉片，每個(gè)測(cè)量的坐標(biāo)點(diǎn)無法確定真實(shí)的法向矢量（I,J,K），使得測(cè)量不夠精確，并且RS-150所應(yīng)用的軟件（Measure Max+）無法讀取及轉(zhuǎn)化葉輪的三維圖形軟件。激光跟蹤儀AT901-M，設(shè)備本身的特點(diǎn)是手動(dòng)測(cè)量，無法定向定位檢測(cè)，但可以測(cè)量流道內(nèi)與曲面垂直的法向矢量（I,J,K），并且激光跟蹤儀軟件Metrolog xg能夠轉(zhuǎn)化葉輪的三維圖形軟件。

綜上所述將激光跟蹤儀AT901-MR和RS-150型三坐標(biāo)相結(jié)合，即可以利用激光跟蹤儀的測(cè)量軟件實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)拾取法向矢量的問題，又可以解決RS-150型三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)實(shí)現(xiàn)定位定向的測(cè)量。

3 解決方案

3.1 應(yīng)用激光跟蹤儀分析在A1處的理論值

應(yīng)用激光跟蹤儀利用葉輪的三維立體圖得到葉輪在A1處的理論值。分如下步驟進(jìn)行：

（1）先利用激光跟蹤儀測(cè)量軟件Metrolog xg轉(zhuǎn)換葉輪的三維圖形軟件為可用的模型軟件。方法為通常是把后綴為IGES的三維軟件文件轉(zhuǎn)換為激光跟蹤儀所需要的后綴為SU3的格式，并確定X、Y、Z坐標(biāo)系。

（2）根據(jù)圖紙要求定義同等半徑R輪轂坐標(biāo)點(diǎn)，首先應(yīng)用軟件中“圓柱 /Z”座標(biāo)系（R、A、Z）功能，選定極半徑R，選定兩葉片間一點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，此時(shí)測(cè)量得到 R、A、Z、I、J、K，如下圖所示。應(yīng)用測(cè)量軟件自動(dòng)將“圓柱 /Z”轉(zhuǎn)化成笛卡爾座標(biāo)系（X、Y、Z），I、J、K不變。按此方法，測(cè)量七枚葉片多點(diǎn)的坐標(biāo)點(diǎn)X、Y、Z和法向矢量I、J、K。其目的是確定點(diǎn)所在平面的法向矢量，半徑公差控按一定公差進(jìn)行控制。記錄以上各組數(shù)據(jù)如圖2所示。

圖2 葉輪在維圖形的X、Y、Z坐標(biāo)系

以上既是應(yīng)用激光跟蹤儀根據(jù)葉輪的三維立體圖測(cè)量出在距中心為R半徑上多點(diǎn)的設(shè)計(jì)理論值。

3.2 應(yīng)用多點(diǎn)理論值確定實(shí)際零件的基準(zhǔn)

應(yīng)用多點(diǎn)理論值在RS-150型三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)上確定實(shí)際零件的基準(zhǔn)。其步驟如下：

（1）按模型X，Y軸位置將工件擺放到RS-150型三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)上。

（2）建立坐標(biāo)系。根據(jù)葉輪吸入口內(nèi)孔ΦD測(cè)量B1基準(zhǔn)多點(diǎn)，取其平均值之后確定軸向中心線基準(zhǔn)B，這樣基準(zhǔn)圓就建立出來，同時(shí)在上端面上確定Z坐標(biāo)零點(diǎn)。

（3）操作測(cè)桿到極半徑R附近處，即三維模型所測(cè)量的多個(gè)點(diǎn)的大致位置。由于葉輪端面存在余量，Z軸尺寸不確定，輸入Z軸坐標(biāo)值為大致尺寸。按所記錄數(shù)值輸入第一點(diǎn) X、Y、I、J、K，調(diào)整測(cè)頭，找到葉輪上第一點(diǎn)的實(shí)際位置。

（4）將記錄的數(shù)值 X、Y、Z、I、J、K依次輸入三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)以自動(dòng)檢測(cè)各點(diǎn)，如圖3所示（注：Z尺寸為給定值）。

圖3 實(shí)測(cè)值形成基準(zhǔn)平面

（5）發(fā)動(dòng)指令，檢測(cè)實(shí)測(cè)點(diǎn)。如得出結(jié)果存在偏差，就調(diào)整X、Y坐標(biāo)距葉輪中心線R的數(shù)值，符合圖紙要求后進(jìn)行測(cè)量，直至測(cè)量所有點(diǎn)。

（6）把所有的得到的實(shí)測(cè)點(diǎn)合成基準(zhǔn)平面及圓，如圖4所示。

圖4 實(shí)測(cè)合成坐標(biāo)系

（7）利用合成的平面和圓再進(jìn)行坐標(biāo)系的建立（見圖5）。在葉輪進(jìn)水口端口環(huán)端面上取一點(diǎn)為零點(diǎn)，并記錄其到基準(zhǔn)A1的距離為L(zhǎng)1，這樣與L尺寸相比較，得出端面的加工余量。然后每90°測(cè)量一點(diǎn)，測(cè)出與基準(zhǔn)點(diǎn)的差值（Z軸），并記錄在工件上，從而得出端面在裝夾時(shí)的打表找正數(shù)值。在葉輪大外圓上確定一點(diǎn)為零點(diǎn)，然后每90°測(cè)量一點(diǎn)，測(cè)量各點(diǎn)與0點(diǎn)的差值（X、Y軸），并記錄在工件上，從而得出外圓在裝夾時(shí)的打表找正數(shù)值。如下圖的十字線與工件交叉位置即測(cè)量和標(biāo)注的位置。圖5為口環(huán)端面上和葉輪大外圓上各點(diǎn)的找正數(shù)值。

圖5 確定外圓及平面加工量

我們根據(jù)上述方法確定的端面及外圓上的找正數(shù)值，在立式數(shù)控車床上據(jù)此進(jìn)行打表找正進(jìn)行裝夾，由于有直觀的數(shù)據(jù)指導(dǎo)操作者進(jìn)行找正，操作起來簡(jiǎn)單、明確，加工量明確，便于操作者檢查和測(cè)量，提高了加工效率，而且更有效的保證的產(chǎn)品的加工質(zhì)量。

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)此大型三元閉式水泵葉輪，技術(shù)人員充分利用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)和激光跟蹤儀在測(cè)量方面的優(yōu)勢(shì)，進(jìn)行組合應(yīng)用，達(dá)到運(yùn)用這些先進(jìn)儀器測(cè)量葉輪的水力中心線的目的，從而十分準(zhǔn)確的找出了葉輪的水力中心線，以最佳的方式體現(xiàn)出設(shè)計(jì)員的設(shè)計(jì)理念，從而達(dá)到設(shè)計(jì)要求的水力參數(shù)。經(jīng)過驗(yàn)證，經(jīng)過三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x測(cè)量葉輪水力中心線的進(jìn)行加工找正后，對(duì)精加工的葉輪應(yīng)用三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x進(jìn)行復(fù)檢，完全符合設(shè)計(jì)的要求，在機(jī)組進(jìn)行性能實(shí)驗(yàn)時(shí)，達(dá)到了此泵的水力性能要求，振動(dòng)噪聲也大大的減小了。此方法在國(guó)內(nèi)首次開發(fā)，并成功應(yīng)用于葉輪的加工制造過程中，使我公司水泵葉輪的加工制造又上了一個(gè)新臺(tái)階，這在葉輪的加工制造中是一個(gè)質(zhì)的飛躍。