汽輪機(jī)葉片三坐標(biāo)測量的自動定位研究*

□ 陳 林 □ 呂彥明 □ 宋 燦 □ 李 忠

江南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 江蘇無錫 214122

汽輪機(jī)葉片三坐標(biāo)測量的自動定位研究*

□ 陳 林 □ 呂彥明 □ 宋 燦 □ 李 忠

江南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 江蘇無錫 214122

使用三坐標(biāo)測量機(jī)對汽輪機(jī)葉片進(jìn)行檢測時多數(shù)是以單件測量的方式進(jìn)行，每次測量都需手動建立坐標(biāo)系，增加了人機(jī)交互的環(huán)節(jié)，測量效率低下。設(shè)計開發(fā)了葉片測量專用夾具，通過實驗驗證，符合三坐標(biāo)測量機(jī)的測量精度，為實現(xiàn)汽輪機(jī)葉片計算機(jī)集成測量自動化提供了解決方案。

汽輪機(jī)葉片 三坐標(biāo)測量機(jī) 測量 自動定位

葉輪機(jī)械在航天、航空、汽車、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)動機(jī)的重要零件之一，葉片的加工量約占整個汽輪機(jī)的1/3，在整個汽輪機(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)量是整臺汽輪機(jī)質(zhì)量的保證。葉片的形狀誤差對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，葉片的測量一直受到人們的關(guān)注。

1 葉片自動化測量流程

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)測量機(jī) （Coordinate Measuring Machine，CMM）［2］的單件測量方法已不能滿足實際生產(chǎn)需要，越來越多的工件需要進(jìn)行批量測量。

▲圖1 測量流程

目前，葉片測量流程如圖1所示，整個過程需要人工操作的環(huán)節(jié)多，如產(chǎn)品信息輸入、檢測零件安裝、調(diào)整檢測程序、手動建立檢測坐標(biāo)系、調(diào)用葉身檢測專用軟件、輸入產(chǎn)品信息、輸入檢測文件保存路徑及文件名，如果沒有及時人機(jī)交互，三坐標(biāo)就會停機(jī)等待。從整個流程可以看出，采用的是單件測量流程，其測量效率低下，難以滿足實際生產(chǎn)要求。

汽輪機(jī)葉片計算機(jī)集成自動化測量是在現(xiàn)有的設(shè)備、人員不變的前提下，通過對技術(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)測量以單件測量的方式為主，存在問題是沒有采用專用夾具，使產(chǎn)品在三坐標(biāo)機(jī)上不定位，需采用臨時簡單支撐進(jìn)行測量，每次測量都要用手動建立坐標(biāo)系。由上述分析可知，自動定位是實現(xiàn)三坐標(biāo)測量機(jī)自動化測量批量葉片的關(guān)鍵問題之一，因此，需設(shè)計開發(fā)相應(yīng)葉片的三坐標(biāo)檢測專用夾具，通過其將測量葉片時所需的粗坐標(biāo)系移動到三坐標(biāo)測量機(jī)上。

實現(xiàn)了葉片在三坐標(biāo)測量機(jī)上的粗定位后，通過開發(fā)測量管理軟件，進(jìn)一步減少人機(jī)交互環(huán)節(jié)。測量環(huán)節(jié)與數(shù)據(jù)庫系統(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；程序自動加載，實現(xiàn)檢測過程全自動，即自動建立坐標(biāo)系、自動檢測、自動分析、自動出檢測報告、自動保存的測量自動化流程［3］，如圖2所示。

2 葉片自動化測量夾持方案設(shè)計

精密定位是三坐標(biāo)測量機(jī)的一項關(guān)鍵技術(shù)。目前三坐標(biāo)測量以單件測量的方式進(jìn)行，產(chǎn)品在三坐標(biāo)機(jī)上不定位，采用臨時簡單支撐進(jìn)行測量，每次測量都需要手動在葉片相應(yīng)的位置觸測6個點，建立坐標(biāo)測量的粗坐標(biāo)系［4］。為實現(xiàn)批量葉片測量自動化［5］，需將葉片粗坐標(biāo)系通過測量定位夾具移動到三坐標(biāo)測量機(jī)上。為此需先檢驗三坐標(biāo)自動建立坐標(biāo)系對夾具的定位精度要求，其次是驗證夾具定位檢測的可靠性，再進(jìn)行夾具的設(shè)計。

2.1 葉片夾具設(shè)計基本條件

由于葉片形狀復(fù)雜，一次測量的參數(shù)較多，選用的測針往往比較長，三坐標(biāo)實際測量所需空間比較大，工件以外擴(kuò)展尺寸在150 mm以上，所以對于小型的三坐標(biāo)測量機(jī)，只能安裝一套夾具；另外，由于小型葉片安裝比較簡單，時間不超過20 s，由裝夾造成的三坐標(biāo)停機(jī)時間較短，所以可不考慮一臺三坐標(biāo)同時安裝多個夾具的情況。夾具設(shè)計需要在定位面形狀、尺寸系列、組合式快換結(jié)構(gòu)等方面進(jìn)行深入研究，實現(xiàn)夾具精確可靠、快速適應(yīng)的目的。

▲圖2 測控軟件功能圖

通過對葉片加工過程的調(diào)研，確定了葉片夾具設(shè)計的幾個基本條件。

（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，夾緊力變化會影響工件的定位位置，所以夾具采用氣動夾緊。

（3）葉片品種繁多，形狀大小不同，一副通用夾具實現(xiàn)所有葉片的裝夾，難度很大，幾乎不可能。所以以長線規(guī)則的方鋼葉片作為自動化測量產(chǎn)品，主要針對方鋼葉片，設(shè)計其自動測量裝夾裝置。

（4）一個夾具既可以測量葉身截面，又可以測量葉根截面、葉冠、凸臺，即實現(xiàn)工件的全尺寸測量。

（5）夾具必須保證三坐標(biāo)測量機(jī)測頭對于待測葉片的空間可達(dá)性，防止自動測量時發(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，實現(xiàn)更換夾具時間小于1 min。

2.2 葉片夾具的設(shè)計

圖3所示為型號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)計夾具時采用葉片葉根的底面、葉根側(cè)面2點及葉根內(nèi)徑相面1點，進(jìn)行6點定位。為保證上述設(shè)計夾具的要求，如圖4所示的夾具采用磁力夾緊，測量時，按下氣動開關(guān)，氣缸通過齒輪齒條推動夾具定位基準(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，推動葉片，使葉片葉根側(cè)面2點及葉根內(nèi)徑相面1點分別與夾具定位基準(zhǔn)貼合。操作員打開磁力座按鈕，通過磁力將方鋼葉片吸附在夾具上，最后釋放氣動裝置開關(guān)，氣缸通過齒輪齒條推動夾具定位，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，葉片的周圍沒有任何障礙物，葉片的可達(dá)測量空間得到了充分的擴(kuò)展，簡化了使用三坐標(biāo)測量機(jī)測量葉片時的路徑規(guī)劃問題，有利于葉片測量自動化［6］的實現(xiàn)。

▲圖3 SM118R型葉片

▲圖4 葉片夾持裝置圖

▲圖5 實驗裝置圖

3 定位夾具對測量精度的影響

為探究葉片自動測量時所設(shè)計夾具對測量精度［7］的影響，采用兩種方法對其進(jìn)行測量：①通過螺紋連接將夾具的底板與三坐標(biāo)工作臺上的定位孔相連，實現(xiàn)夾具整體在三坐標(biāo)工作臺上的安裝固定，由甲、乙倆人分別將型號為W126L-CP的非成品葉片在夾具上定位、夾緊，并調(diào)用相應(yīng)自動測量的PC-DMIS［8］程序進(jìn)行自動測量，每人進(jìn)行5次操作，測量完成后打印測量報告。②對該葉片以單件測量的方式重復(fù)測量5次，即每次均手動觸測6點，建立粗坐標(biāo)系，測量完成后打印測量報告，測量數(shù)據(jù)統(tǒng)計見表1。

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

表1 采用定位夾具測量與單件測量的測量值比較

4 結(jié)論

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

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

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

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［7］趙強(qiáng)，楊川，張志.微型三坐標(biāo)測量機(jī)定位精度的研究［J］.機(jī)床與液壓，2008，36（11）：88-90.

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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)合研究項目（編號：BY2013015-13）

2014年8月