發(fā)電機(jī)定子鐵心鉛垂度在線監(jiān)測(cè)裝置的設(shè)計(jì)

□ 陳偉偉 □ 婁云鴿 □ 張 偉

上海電氣集團(tuán)股份有限公司中央研究院 上海 200070

1 研究背景

當(dāng)前，全球范圍內(nèi)激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，使產(chǎn)品質(zhì)量受到制造企業(yè)前所未有的關(guān)注。市場(chǎng)的多樣化與個(gè)性化，以及新工藝、新材料、新設(shè)備的不斷涌現(xiàn)，使產(chǎn)品制造過(guò)程越來(lái)越復(fù)雜，質(zhì)量的監(jiān)測(cè)和控制越來(lái)越具有挑戰(zhàn)性［1］。多工序多誤差源質(zhì)量監(jiān)測(cè)與優(yōu)化控制正在成為制造企業(yè)研究的目標(biāo)［2］，因此，大力開(kāi)展質(zhì)量監(jiān)測(cè)與優(yōu)化控制技術(shù)攻關(guān)與應(yīng)用，對(duì)提升制造業(yè)的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力具有重要意義。

國(guó)內(nèi)的制造業(yè)已在質(zhì)量管控領(lǐng)域做了大量研究。王企遠(yuǎn)［3］應(yīng)用視覺(jué)技術(shù)對(duì)工件進(jìn)行識(shí)別和干涉檢測(cè)。劉貴杰［4］利用聲發(fā)射傳感器探頭對(duì)磨削表面粗糙度進(jìn)行檢測(cè)。吳小輝［5］應(yīng)用特種機(jī)器人技術(shù)實(shí)現(xiàn)了發(fā)電機(jī)槽楔松動(dòng)檢測(cè)和定子鐵心電磁缺陷檢測(cè)。張旭輝［6］應(yīng)用激光超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)對(duì)復(fù)雜曲面零件進(jìn)行檢測(cè)。李英俊等［7］設(shè)計(jì)了一臺(tái)用于工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)的噴油器氣密性檢測(cè)設(shè)備。

發(fā)電機(jī)定子鐵心的鉛垂度是影響定子鐵心制造質(zhì)量的關(guān)鍵參數(shù)之一。發(fā)電機(jī)定子鐵心的人工鉛垂度檢測(cè)方法如圖1所示，在發(fā)電機(jī)定子鐵心制造成型后，用鉛垂線固定在鐵心頂部，然后由人工用直尺分段測(cè)量鉛垂線與定子外端面間的距離并記數(shù)，最后通過(guò)電子表格程序擬合出鉛垂度誤差。由于發(fā)電機(jī)定子鐵心的尺寸較大，用這一方法檢測(cè)不僅存在工作量大、人工成本高、效率低、誤差大等問(wèn)題，而且無(wú)法在鐵心冷熱壓過(guò)程中對(duì)鉛垂度進(jìn)行檢測(cè)，并做出及時(shí)修正，一旦出現(xiàn)鉛垂度不合格現(xiàn)象，制造人員需對(duì)定子鐵心重新拆分調(diào)整，并進(jìn)行二次加壓成型，這樣會(huì)進(jìn)一步增加勞動(dòng)量和人工成本，同時(shí)還會(huì)拖延制造周期，給企業(yè)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

▲圖1 發(fā)電機(jī)定子鐵心人工鉛垂度檢測(cè)方法

基于此，筆者設(shè)計(jì)了發(fā)電機(jī)定子鐵心鉛垂度在線監(jiān)測(cè)裝置，適用于高溫、振動(dòng)等惡劣的制造環(huán)境，對(duì)發(fā)電機(jī)定子鐵心的鉛垂度實(shí)現(xiàn)全程監(jiān)測(cè)，具有較高的自動(dòng)化程度、測(cè)量精度、測(cè)量效率與可靠性。

2 裝置原理

激光具有優(yōu)良的方向性，其發(fā)散角很小，幾乎是平行的光線［8］，因此，可采用鉛垂的激光替代人工檢測(cè)時(shí)的鉛垂線。已有學(xué)者在電梯導(dǎo)軌鉛垂度檢測(cè)方向做了較多研究，孫明［9］研制的檢測(cè)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)了對(duì)電梯導(dǎo)軌垂直度誤差的自動(dòng)化檢測(cè)，林開(kāi)顏［10］應(yīng)用電荷耦合元件相機(jī)和激光技術(shù)對(duì)電梯導(dǎo)軌垂直度測(cè)量方法進(jìn)行了研究。但另一方面，電梯導(dǎo)軌檢測(cè)方案均在常溫下進(jìn)行，且無(wú)法實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)，因此，對(duì)處在高溫、振動(dòng)等惡劣環(huán)境下的發(fā)電機(jī)定子鐵心是不適用的。

筆者所設(shè)計(jì)的發(fā)電機(jī)定子鐵心鉛垂度在線監(jiān)測(cè)裝置如圖2所示，由多套鐵心夾持采集支架、自平衡激光鉛垂移動(dòng)平臺(tái)兩部分組成。多套鐵心夾持采集支架可隨著定子鐵心疊放高度的增加而布置在定子鐵心的背部槽楔中，且激光接收模塊交錯(cuò)排列，互不干涉。在熱壓狀態(tài)時(shí)，支架可穿過(guò)保溫罩，使監(jiān)測(cè)裝置在常溫下進(jìn)行監(jiān)測(cè)，這樣等于是將鉛垂度誤差測(cè)量從高溫、振動(dòng)等惡劣環(huán)境中轉(zhuǎn)移到了常溫環(huán)境，從而可實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)定子鐵心冷熱壓成型過(guò)程的全程監(jiān)測(cè)。自平衡激光鉛垂移動(dòng)平臺(tái)固定在發(fā)電機(jī)定子鐵心制造基座上，可自動(dòng)調(diào)節(jié)激光發(fā)射角度，保證激光時(shí)刻保持鉛垂?fàn)顟B(tài)。同時(shí)根據(jù)夾持采集支架上的位置敏感探測(cè)器（PSD）設(shè)定激光的徑向移動(dòng)量，按固定速率向接收模塊發(fā)射激光信號(hào)。PSD將采集到的激光位置信號(hào)傳輸至鉛垂度監(jiān)測(cè)軟件中，實(shí)時(shí)擬合出發(fā)電機(jī)定子鐵心的鉛垂度誤差情況。

3 鐵心夾持采集支架

發(fā)電機(jī)定子鐵心的制造成型需經(jīng)過(guò)多次冷熱壓工藝過(guò)程。熱壓過(guò)程中，發(fā)電機(jī)定子鐵心處在高溫、振動(dòng)、密封等惡劣環(huán)境中，且保溫罩與鐵心外壁的間距只有10 cm，測(cè)量操作空間極小。因此，若想在保溫罩內(nèi)部實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)電機(jī)定子鐵心的鉛垂度測(cè)量，難度很大且無(wú)法保證測(cè)量精度。為了克服這些惡劣條件，實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)電機(jī)定子鐵心鉛垂度的精確監(jiān)測(cè)，筆者所設(shè)計(jì)的鐵心夾持采集支架在不破壞保溫罩保溫效果的前提下，將PSD轉(zhuǎn)移到常溫下進(jìn)行采集。

▲圖2 發(fā)電機(jī)定子鐵心鉛垂度在線監(jiān)測(cè)裝置

如圖3所示，鐵心夾持采集支架由PSD激光位置采集模塊、夾持支架兩部分組成。PSD具有分辨率高、響應(yīng)速度快、信號(hào)處理相對(duì)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)光源、光學(xué)系統(tǒng)的要求較低，光譜響應(yīng)較寬，在檢測(cè)位置的同時(shí)還能檢測(cè)光強(qiáng)。PSD尤其適用于位置、位移及將光斑位置轉(zhuǎn)化為坐標(biāo)值的非接觸式高精度快速測(cè)量。由于選用的激光器功率為4 mW，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于PSD元件的最大接收激光功率值，因此可以忽略激光光強(qiáng)對(duì)PSD元件精度的影響。由于PSD元件的采樣速率為納秒級(jí)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于定子鐵心熱壓時(shí)的機(jī)械振動(dòng)頻率，因此可采用低通濾波的方式消除振動(dòng)對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。夾持支架的夾持端采用燕尾結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，一端與鐵心背部的槽楔貼合，另一端通過(guò)螺栓緊固的方式與相鄰的槽楔夾緊。為防止鐵心導(dǎo)電，接觸點(diǎn)材料選用絕緣橡膠。熱壓時(shí)，夾持端在保溫罩內(nèi)部，通過(guò)伸出桿穿過(guò)保溫罩與PSD安裝支架相連。PSD在各個(gè)安裝支架上以一定的距離交錯(cuò)排列，保證激光采集互不干涉。

4 自平衡激光鉛垂移動(dòng)平臺(tái)

▲圖3 鐵心夾持采集支架

為了實(shí)現(xiàn)激光鉛垂替代鉛垂線，需要保證激光具有自平衡能力，即激光方向時(shí)刻保持鉛垂向上。為了使交錯(cuò)排列的PSD能按一定速率采集到激光信號(hào)，并實(shí)現(xiàn)鉛垂度的擬合，需要保證激光發(fā)射源可線性移動(dòng)。因此，設(shè)計(jì)了自平衡激光鉛垂移動(dòng)平臺(tái)，這一平臺(tái)由粗調(diào)工作臺(tái)、水平云臺(tái)、兩軸自動(dòng)旋轉(zhuǎn)精調(diào)平臺(tái)、激光發(fā)射器、二維電子水平儀等組成，如圖4所示。

▲圖4 自平衡激光鉛垂移動(dòng)平臺(tái)

粗調(diào)工作臺(tái)通過(guò)4個(gè)調(diào)平墊鐵對(duì)工作臺(tái)的水平度進(jìn)行粗調(diào)。當(dāng)移動(dòng)水平云臺(tái)時(shí)，需根據(jù)夾持采集支架上PSD的位置和數(shù)量來(lái)設(shè)定移動(dòng)距離和速率。水平云臺(tái)的最大行程為300 mm，單向定位精度為25 μm，重復(fù)定位精度為±0.5 μm。安裝在水平云臺(tái)上的兩軸自動(dòng)旋轉(zhuǎn)精調(diào)平臺(tái)可繞X軸、Y軸旋轉(zhuǎn)，其主要參數(shù)見(jiàn)表1。二維電子水平儀用于監(jiān)測(cè)移動(dòng)平臺(tái)的水平狀態(tài)，其技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表2。固定在精調(diào)平臺(tái)上的二維電子水平儀在激光發(fā)射器發(fā)射激光信號(hào)前，將位置點(diǎn)的移動(dòng)平臺(tái)水平度以數(shù)字信號(hào)傳輸至上位機(jī)。上位機(jī)將該數(shù)字信號(hào)反饋至精調(diào)平臺(tái)上的控制器，控制器控制X軸、Y軸兩個(gè)方向的電機(jī)旋轉(zhuǎn)，直至移動(dòng)平臺(tái)水平度在精度范圍內(nèi)，從而確保激光發(fā)射器豎直向上發(fā)射激光信號(hào)。

表1 兩軸自動(dòng)旋轉(zhuǎn)精調(diào)平臺(tái)技術(shù)參數(shù)

根據(jù)部件的精度指標(biāo)，計(jì)算激光的單向鉛垂精度β：

式中：L為鐵心高度；α為自平衡激光鉛垂移動(dòng)平臺(tái)的水平偏離角度，即激光偏離鉛垂的角度。

假設(shè)發(fā)電機(jī)定子鐵心的高度為10 m，可得到激光單向鉛垂的精度β為±0.349 mm，再通過(guò)發(fā)電機(jī)定子鐵心鉛垂度監(jiān)測(cè)軟件對(duì)鉛垂度測(cè)量進(jìn)行補(bǔ)償，所得結(jié)果遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于發(fā)電機(jī)定子鐵心鉛垂度合格指標(biāo)（≤3 mm），顯然滿(mǎn)足應(yīng)用要求。

表2 二維電子水平儀技術(shù)參數(shù)

5 裝置模型

將筆者設(shè)計(jì)的鐵心夾持采集支架、自平衡激光鉛垂移動(dòng)平臺(tái)和發(fā)電機(jī)定子鐵心模型進(jìn)行集成，得到發(fā)電子定子鐵心鉛垂度監(jiān)測(cè)裝置的三維模型和實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)測(cè)試模型，如圖5所示。在實(shí)驗(yàn)室中，發(fā)電機(jī)定子鐵心模型外壁安裝了三個(gè)夾持采集支架，其鉛垂度可通過(guò)模型底部的調(diào)平墊鐵進(jìn)行調(diào)節(jié)。如圖6所示，在基于LabVIEW軟件開(kāi)發(fā)的發(fā)電機(jī)定子鐵心鉛垂度監(jiān)測(cè)軟件上，操作員可實(shí)時(shí)查看發(fā)電機(jī)定子鐵心的鉛垂度變化情況，從而實(shí)時(shí)調(diào)整發(fā)電機(jī)定子鐵心的補(bǔ)償措施。

▲圖5 發(fā)電機(jī)定子鐵心鉛垂度監(jiān)測(cè)裝置

6 結(jié)論

發(fā)電機(jī)定子鐵心的鉛垂度是影響定子制造質(zhì)量的關(guān)鍵參數(shù)之一。筆者基于激光高方向性的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了發(fā)電機(jī)定子鐵心鉛垂度在線監(jiān)測(cè)裝置，可在高溫、振動(dòng)等惡劣制造環(huán)境中對(duì)發(fā)電機(jī)定子鐵心的鉛垂度實(shí)現(xiàn)全程監(jiān)測(cè)，具有較高的自動(dòng)化程度、測(cè)量精度、測(cè)量效率及可靠性。對(duì)發(fā)電機(jī)定子鐵心制造過(guò)程進(jìn)行質(zhì)量監(jiān)控，不僅可以有效減少人工勞動(dòng)量與人工成本，而且可以提高發(fā)電機(jī)定子鐵心的生產(chǎn)質(zhì)量。

▲圖6 發(fā)電機(jī)定子鐵心鉛垂度監(jiān)測(cè)軟件

目前，筆者所設(shè)計(jì)的發(fā)電機(jī)定子鐵心鉛垂度在線監(jiān)測(cè)裝置已在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中完成調(diào)試，未來(lái)將在發(fā)電機(jī)定子鐵心的現(xiàn)場(chǎng)制造中進(jìn)行應(yīng)用測(cè)試。