基于激光跟蹤儀的類平行度檢測(cè)技術(shù)及應(yīng)用

謝大軍，江一杭，別春華，吳彥波，劉艷霞

(東方電氣(天津)風(fēng)電葉片工程有限公司 天津300480)

0 引 言

風(fēng)力發(fā)電行業(yè)近幾年快速發(fā)展，它的核心部件風(fēng)電葉片的制造也在不斷優(yōu)化升級(jí)，風(fēng)電葉片制造主要依靠模具與工裝的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)，模具與工裝的安裝質(zhì)量影響著產(chǎn)品的形狀與位置偏差。目前激光跟蹤儀已經(jīng)普遍在風(fēng)電葉片模具與工裝安裝調(diào)試中得到了應(yīng)用，一般使用方法是通過(guò)其進(jìn)行型面偏差和平面度測(cè)量。例如在風(fēng)電葉片模具上的預(yù)埋根部鐵法蘭的安裝過(guò)程中，普遍采用機(jī)加工的標(biāo)準(zhǔn)件和等厚的墊片使其與葉片模具根部進(jìn)行間隙配合安裝，初步安裝后再通過(guò)激光跟蹤儀進(jìn)行平面度檢測(cè)、調(diào)試，合格后進(jìn)行加固驗(yàn)收。該安裝方法安裝出來(lái)的根部鐵法蘭的質(zhì)量一般，在葉根直徑超過(guò) 3m 以后，該偏差已經(jīng)導(dǎo)致鐵法蘭安裝調(diào)試?yán)щy，調(diào)試后鐵法蘭與模具理論葉根端面的偏差較大。

1 風(fēng)電葉片模具預(yù)埋根部鐵法蘭簡(jiǎn)介

風(fēng)電葉片的生產(chǎn)是依靠模具與工藝裝備進(jìn)行成型的，成品將作為一個(gè)組件與風(fēng)電機(jī)組輪轂連接，其接口就是根部螺栓與預(yù)埋螺栓套組件；該根部螺栓與預(yù)埋螺栓套組件是靠預(yù)埋根部鐵法蘭進(jìn)行定位的，因此預(yù)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(duì)于基準(zhǔn)面的平面平行度公差”對(duì)類平行度進(jìn)行定義，其屬于定向公差，是指通過(guò)激光跟蹤儀測(cè)量實(shí)物曲面點(diǎn)或點(diǎn)云，并與理論三維數(shù)模當(dāng)中曲面進(jìn)行擬合匹配，對(duì)齊后將理論三維數(shù)模當(dāng)中的特征平面作為基準(zhǔn)面，再次實(shí)測(cè)平面上的點(diǎn)或點(diǎn)云，并以前面的基準(zhǔn)面為基準(zhǔn)進(jìn)行的偏差評(píng)價(jià)。因風(fēng)電葉片模具普遍以曲面擬合對(duì)齊為基礎(chǔ)，故該類平面度在風(fēng)電行業(yè)具有普遍適用的特點(diǎn)。

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

3 模具預(yù)埋根部鐵法蘭的類平行度測(cè)量

準(zhǔn)備激光跟蹤儀設(shè)備、SA軟件(Spatial Analyzer)；裝置，水平放置，測(cè)量重力水平坐標(biāo)系；空間掃描，測(cè)量型面點(diǎn)；單點(diǎn)到 SA/穩(wěn)定點(diǎn)到 SA，測(cè)量螺栓孔間平面點(diǎn)；分析，最佳擬合轉(zhuǎn)化，點(diǎn)到表面/對(duì)象，快速與CAD對(duì)準(zhǔn)；創(chuàng)建坐標(biāo)系輸入，分別通過(guò)轉(zhuǎn)化角度創(chuàng)建 Z軸朝上的模具姿態(tài)、葉片姿態(tài)的坐標(biāo)系，并把模具姿態(tài)的坐標(biāo)系設(shè)為工作坐標(biāo)系。本論文中的坐標(biāo)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(cè)量的重力水平坐標(biāo)系與模具坐標(biāo)系對(duì)齊；關(guān)系匹配，點(diǎn)到對(duì)象，將型面點(diǎn)與數(shù)模進(jìn)行關(guān)系匹配，見(jiàn)圖2。

圖2 實(shí)測(cè)模具曲面點(diǎn)與曲面三維數(shù)模的擬合匹配最終結(jié)果圖Fig.2 Results of fitting and matching between meas-ured mold surface points and 3d model of surface

關(guān)系匹配，通過(guò)關(guān)系最小化移動(dòng)對(duì)象，設(shè)置 x、y、z、Rz自由度，執(zhí)行最優(yōu)化操作：將葉片姿態(tài)坐標(biāo)系設(shè)為工作坐標(biāo)系，執(zhí)行創(chuàng)建，平面，輸入，創(chuàng)建葉片姿態(tài)根部端面；圖3根部預(yù)埋鐵法蘭安裝類平行度偏差4.58mm；查詢，點(diǎn)到對(duì)象，查詢根部預(yù)埋鐵法蘭平面上的點(diǎn)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(jìn)行安裝調(diào)試。

將模具姿態(tài)坐標(biāo)系設(shè)為工作坐標(biāo)系，再次執(zhí)葉片姿態(tài)坐標(biāo)系設(shè)為工作坐標(biāo)系，查看米標(biāo)位置，并根據(jù)偏差再次執(zhí)行；關(guān)系匹配，通過(guò)關(guān)系最小化移動(dòng)對(duì)象，手動(dòng)移動(dòng)行：關(guān)系匹配，通過(guò)關(guān)系最小化移動(dòng)對(duì)象，設(shè)置y、z、Rz自由度，執(zhí)行最優(yōu)化操作。

圖3 查詢結(jié)果圖Fig.3 Query result graph

根據(jù)多次類平行度的安裝應(yīng)用，綜合調(diào)試成本及后處理根端打磨機(jī)打磨后再次放大根部平面與理論平面的隨機(jī)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(jié)圓直徑＜2500mm，類平行度公差0.9mm；

②葉根節(jié)圓直徑＜3200mm，類平行度公差1.2mm；

③葉根節(jié)圓直徑＜4000mm，類平行度公差1.5mm；

④葉根節(jié)圓直徑＜5000mm，類平行度公差1.8mm。

4 類平行度檢測(cè)安裝技術(shù)優(yōu)勢(shì)

①類平行度的測(cè)量使得葉片制造得以更好地滿足設(shè)計(jì)上對(duì)葉片根部端面的技術(shù)要求。

②通過(guò)類平行度檢測(cè)合格的根部預(yù)埋鐵法蘭，容差率更高，經(jīng)過(guò)后處理根部打磨機(jī)打磨后，更放心。

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

④類平行度檢測(cè)安裝方式，當(dāng)預(yù)埋根部鐵法蘭與模具之間配合超差時(shí)，更容易判定具體是預(yù)埋根部鐵法蘭還是模具中的哪一個(gè)出的問(wèn)題。

5 結(jié) 論

本論文參考形位公差的國(guó)標(biāo)，針對(duì)風(fēng)電葉片行業(yè)，提出了基于激光跟蹤儀的類平行度定義及檢測(cè)技術(shù)。該檢測(cè)技術(shù)對(duì)預(yù)埋根部鐵法蘭的安裝質(zhì)量起到了極大的提升，且應(yīng)用方便，因風(fēng)電葉片的市場(chǎng)比較大，故該技術(shù)具有工業(yè)化應(yīng)用推廣價(jià)值。