基于智能檢測技術(shù)精確高效測量葉輪葉片*

□ 喻彩麗

浙江科技學(xué)院 機(jī)械與能源工程學(xué)院 杭州 310023

大型精密葉輪葉片在航空、船舶、發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電等行業(yè)得到廣泛應(yīng)用,其品質(zhì)優(yōu)劣將直接影響發(fā)動機(jī)的質(zhì)量和能量輸出。如何提高精密葉輪葉片的加工精度,是目前需要解決的關(guān)鍵問題。筆者針對復(fù)雜形狀的葉輪葉片類零件,基于智能檢測技術(shù),通過三坐標(biāo)測量系統(tǒng)硬軟件技術(shù)、探測技術(shù)和附件技術(shù)的應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)精確高效測量[1]。在研究中,對葉輪葉片測量點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集處理和誤差分析,形成有效的加工數(shù)據(jù),進(jìn)而提高葉輪葉片的加工質(zhì)量。

1 三坐標(biāo)測量設(shè)備的應(yīng)用

在智能檢測中,探測系統(tǒng)的選擇與優(yōu)化非常重要。好的路徑規(guī)劃可以節(jié)省時間,既能快速、高效、精確地完成檢測任務(wù),又能快速匯總零件表面的加工信息。

三坐標(biāo)測量機(jī)的工作效率、精度與探測系統(tǒng)密切相關(guān)[2],三坐標(biāo)測量機(jī)測頭的精度在很大程度上決定了測量精度。測頭按結(jié)構(gòu)原理可以分為機(jī)械式、電子式、光學(xué)式,按測量方法則可以分為接觸式與非接觸式[3],接觸式又有觸發(fā)式和掃描式兩種測量方法。接觸式掃描測頭的信號是模擬信號,內(nèi)部有三維傳感器,能夠感知測頭在三個方向上的位置變化,采集量大,精度高,因此在智能檢測中得到廣泛應(yīng)用。這種測頭能夠自動獲取測量點(diǎn)的法向矢量,可以根據(jù)已有的測量軌跡推算下一個測量點(diǎn)的位置、切向矢量,以及后續(xù)測量點(diǎn)的密度[4]。筆者采用安裝在自動雙旋轉(zhuǎn)測頭座上的接觸式掃描測頭,對精密復(fù)雜葉輪葉片進(jìn)行數(shù)字化檢測。自動雙旋轉(zhuǎn)測頭座如圖1所示。

▲圖1 自動雙旋轉(zhuǎn)測頭座

由于葉輪葉片表面空間具有復(fù)雜性,三坐標(biāo)測量機(jī)自身的X軸、Y軸、Z軸三個方向不能滿足檢測要求,因此必須采用具有空間旋轉(zhuǎn)功能的探測系統(tǒng)。自動雙旋轉(zhuǎn)測頭座擁有A軸、B軸兩個轉(zhuǎn)動方向,內(nèi)部有兩個微型電機(jī),用于驅(qū)動測頭座旋轉(zhuǎn)。A軸旋轉(zhuǎn)角度為0°～105°,B軸旋轉(zhuǎn)角度為-180°～+180°,A軸、B軸方向的旋轉(zhuǎn)角度步長都是15°。

2 測頭空間姿態(tài)優(yōu)化

針對精密葉輪葉片類零件的測量,自適應(yīng)測量系統(tǒng)通過對葉輪葉片進(jìn)行形狀分析[5],獲得整個曲面的形狀信息。由于表面形狀復(fù)雜,因此需要對測頭空間姿態(tài)進(jìn)行優(yōu)化,使測量線沿法向矢量方向。

在檢測過程中,由于葉輪葉片的方向不同,在測量時要轉(zhuǎn)換測頭角度。自動雙旋轉(zhuǎn)測頭座在A軸、B軸兩個方向的旋轉(zhuǎn)角度分別為θ和φ[6]。

根據(jù)葉輪葉片表面幾何性質(zhì),將葉輪葉片表面看作近似圓錐面,A軸旋轉(zhuǎn)角度θ與近似圓錐面頂角β為互余關(guān)系,如圖2所示。

▲圖2 角度分析

應(yīng)用三坐標(biāo)測量機(jī)在葉輪葉片表面測量八個特征點(diǎn),采用測量軟件元素組合功能構(gòu)建圓錐體,構(gòu)建圓錐體組合元素界面如圖3所示。由生成的圓錐體可以得到錐體頂點(diǎn)坐標(biāo)和圓錐面頂角β,則A軸旋轉(zhuǎn)角度θ為90°-β。

▲圖3 構(gòu)建圓錐體組合元素界面

B軸旋轉(zhuǎn)角度φ和葉輪葉片上每一點(diǎn)處的法向矢量與測量坐標(biāo)系Z軸形成的夾角一致,葉輪葉片上這些點(diǎn)的法向矢量與Z軸夾角的平均數(shù)即為B軸的旋轉(zhuǎn)角度φ。通過對測頭旋轉(zhuǎn)角度進(jìn)行優(yōu)化計算,可以完成精密葉輪葉片在測量過程中測頭空間姿態(tài)的優(yōu)化控制。

3 葉輪葉片智慧裝夾

在智能制造領(lǐng)域,機(jī)器部件復(fù)雜化、多樣化成為新的發(fā)展趨勢,與此同時,對復(fù)雜零部件的精度要求也越來越高[7]。為使葉輪葉片等復(fù)雜曲面零件達(dá)到較高或超高的檢測精度要求,葉輪葉片的裝夾方式及檢測姿位設(shè)計成為提高檢測效率和檢測精度的重要手段。通過應(yīng)用葉輪葉片智慧裝夾系統(tǒng),可以達(dá)到精確高效測量葉輪葉片的目的。

葉輪葉片智慧裝夾系統(tǒng)主要由虛擬仿真軟件、定位裝置、夾緊機(jī)構(gòu)、支撐部件、調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、連接系統(tǒng)等組成。由虛擬仿真軟件在數(shù)字化柔性夾具庫中選取相應(yīng)的夾具模塊,實(shí)現(xiàn)優(yōu)化組合,完成最佳裝夾,并編輯形成夾具編碼程序,實(shí)現(xiàn)數(shù)字化柔性裝夾設(shè)計與數(shù)字化檢測集成。葉輪葉片智慧裝夾系統(tǒng)原理如圖4所示。

▲圖4 葉輪葉片智慧裝夾系統(tǒng)原理

應(yīng)用先進(jìn)的葉輪葉片智慧裝夾系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)有三坐標(biāo)測量系統(tǒng)的整合與優(yōu)化,達(dá)到葉輪葉片送檢傳輸、三坐標(biāo)測量機(jī)上下料及檢測后葉輪葉片分流等全部過程自動化。葉輪葉片自動檢測過程如圖5所示。

▲圖5 葉輪葉片自動檢測過程

4 葉輪葉片曲面測點(diǎn)與路徑優(yōu)化

在具有接觸式掃描測頭的三坐標(biāo)測量機(jī)上進(jìn)行自由曲面的測量,自適應(yīng)測量沿一個方向進(jìn)行,這一方向與曲面的交線稱為測量線。測量的實(shí)質(zhì)是由已知測點(diǎn)求取未知測點(diǎn)。

函數(shù)f(x)對應(yīng)于待測量的曲線,x的自變量。對于函數(shù)f(x),x∈[a,b],已知點(diǎn)集{xi,zi},i=0,1,…,k,a≤x0≤x1≤…≤xk≤b,這些點(diǎn)以一定精度η位于函數(shù)f(x)上。給定誤差ε,得到點(diǎn)集{xj,zj},j=k,k+1,k+2,…,k+m,a≤xk≤xk+1≤…≤xk+m≤b。在m足夠小的情況下,這些點(diǎn)集的曲線函數(shù)F(x)滿足F(x)-f(x)<ε。具體而言,函數(shù)f(x)對應(yīng)于待測量的曲線,(xj,zj)是實(shí)測值,f(xi)是真實(shí)值,xi是測量位置,|xk+1-xk|是X軸方向的測量步長。在滿足逼近ε的前提下,測量點(diǎn)數(shù)k+m盡量少,這樣可以應(yīng)用插值預(yù)測的方法來實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)測量。

例如,得到兩測點(diǎn)(F(xk-1),xk-1),(F(xk),xk),進(jìn)行第k+1步測量,測量步長sk記為xk+1-xk,測頭預(yù)測點(diǎn)高度為h,測點(diǎn)分布如圖6所示。測點(diǎn)(F(xk-1),xk-1),(F(xk),xk)的插值函數(shù)為:

(1)

▲圖6 測點(diǎn)分布

測量位移xk+1為xk+sk,預(yù)測點(diǎn)位置為(xk+1,F(xk+1))。

這樣,基于優(yōu)化原理,采用插值法自適應(yīng)測量,就可以實(shí)現(xiàn)對任何平滑曲面進(jìn)行預(yù)測和檢測。

對葉輪葉片進(jìn)行自適應(yīng)測量時,由一個個單測點(diǎn)形成待測曲面,測量過程同時也是曲面的識別過程[8],測點(diǎn)的移動軌跡可能并不局限于直線掃描方式。根據(jù)曲面形狀,可以推算出最合適的下一測點(diǎn),這一測點(diǎn)和之前的測點(diǎn)并不一定在同一直線上。采用這種方法將擬合成的曲面作為優(yōu)化目標(biāo)[9],同時調(diào)整測量點(diǎn)位置及測點(diǎn)密度,可以提高測量效率。測頭移動的軌跡方向、曲率變化與葉輪葉片表面的邊界線走勢及其曲率變化相聯(lián)系,葉輪葉片檢測界面如圖7所示。通過自適應(yīng)測量方法,可以實(shí)現(xiàn)葉輪葉片檢測過程中三坐標(biāo)測量機(jī)精度與距離相互的最優(yōu)狀態(tài),使測量路徑得到優(yōu)化。

▲圖7 葉輪葉片檢測界面

5 葉輪葉片曲面擬合分析

葉輪葉片所形成的曲面是二次曲面,二次曲面方程的一般形式為:

z=ax2+by2+cxy+dx+ey+f

(2)

式中：x、y、z依次為葉輪葉片曲面在X軸、Y軸、Z軸上的自變量;a、b、c、d、e為參數(shù);f為常數(shù)項(xiàng)。

葉輪葉片測量采樣點(diǎn)如圖8所示。

▲圖8 葉輪葉片測量采樣點(diǎn)

將位置1和位置2的測量坐標(biāo)值分別代入式(2),得到:

(3)

(4)

式中:(x1p,y1p,z1p)為位置1對應(yīng)的各采樣點(diǎn)坐標(biāo);(x2p,y2p,z2p)為位置2對應(yīng)的各采樣點(diǎn)坐標(biāo);a1、b1、c1、d1、e1、a2、b2、c2、d2、e2為參數(shù);f1、f2為常數(shù)項(xiàng)。

應(yīng)用最小二乘法,分別求解出a1、b1、c1、d1、e1、f1和a2、b2、c2、d2、e2、f2各值,由曲面方程確定葉輪葉片采樣點(diǎn)位置。

由測量數(shù)據(jù)擬合成自由曲面,最終目的為對葉輪葉片進(jìn)行加工,這樣需要對測量過程到加工過程的誤差進(jìn)行分析和控制[10]。加工曲面的誤差δ為:

(5)

式中:(xpo,ypo,zpo)為理論坐標(biāo);(xp,yp,zp)為三坐標(biāo)測量機(jī)實(shí)測點(diǎn)的坐標(biāo)。

通過測量數(shù)據(jù)的有效判斷及測量過程生成的信息,可以直接產(chǎn)生有效的葉輪葉片數(shù)控曲面加工數(shù)據(jù)。

6 結(jié)束語

筆者通過研究,基于智能檢測技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對葉輪葉片各種特征參數(shù)的高效、靈活、準(zhǔn)確測量。目前,對于大部分單個葉輪葉片,都是一片片裝在標(biāo)準(zhǔn)槽盤上進(jìn)行測量的,而隨著數(shù)控加工技術(shù)水平的提高,部分整體葉盤已經(jīng)通過精鑄或五軸數(shù)控機(jī)床一次性加工成型,對此,進(jìn)行整體葉盤葉片的智能測量將成為后續(xù)研究的重點(diǎn)。