螺旋槳檢測機電一體化建模仿真技術研究＊

張 震 張 輝 王 玉 高兆樓 張春燕 方喜峰

（江蘇科技大學機械工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江212003）

隨著船舶工業(yè)不斷向前發(fā)展，海裝部件的高質量制造日益受到重視。螺旋槳作為大型自由復雜曲面類工件，其快速高效、精度穩(wěn)定的測量檢測成為制約加工效率和質量精度的主要因素之一。

傳統(tǒng)的螺旋槳測量主要借助人工螺距規(guī)，操作繁瑣、效率低下，受人為主觀干擾，參數選擇較為保守，精度波動較大。學者提出測量探頭與軟件聯(lián)合進行葉面檢測與余量評估[1]，該手段采取接觸測量，易造成表面劃傷，且測點時常無法反映實際數據；有學者提出基于逆向工程的螺旋槳檢測[2]，該手段新穎，但余量處理復雜；亦有學者提出加工機床同測頭結合[3]，該手段依賴機床位姿，自遮擋區(qū)域測取困難且規(guī)劃測點特征描述存在不足。這些方法為本文研究的檢測結構與測點規(guī)劃研究提供了參考。

由于螺旋槳檢測類大型設備設計開發(fā)難以預測實際問題，虛實轉變存在過程風險，因此，機電一體化概念設計[4]隨之產生。通過建立相仿物理環(huán)境進行數字信息映射，將所設計功能集中虛擬環(huán)境中驗證合理性，極大降低能效比。MCD是NX系列產品，具有設計協(xié)同功能常用于機電一體化領域。鄭魁敬等基于NX MCD平臺對機器人磨削系統(tǒng)虛擬調試[5]，林裕程等基于NX MCD平臺對數控機床虛擬調試[6]，王俊杰等基于NX MCD驗證虛擬協(xié)同設計的可行性[7]，這些成果為開展機電一體化研究提供依據，但多數僅驗證機構可行性對于產品測量控制還有所缺失。

本文針對上述問題，基于NX MCD平臺設計了一種新型螺旋槳非接觸檢測裝置，優(yōu)化彌補了當前技術缺失。首先在MCD平臺中構建數字化樣機模型，賦予相應機電概念屬性。為符合新型樣機與精度需求，提出了一種螺旋槳類自由曲面等參網格映射測點規(guī)劃法，該方法具有一定自適應性，符合大部分葉片類自由形態(tài)曲面。最后在多階段建模過程基礎上，聯(lián)合MCD平臺、TIA Portal和S7-PLCSIM Advanced模擬數據交互與控制，完成檢測樣機仿真調試與驗證，相關的方法未曾見諸應用于測量檢測領域。

1 檢測方案設計

1.1 結構組成

新型螺旋槳非接觸檢測裝置主要由6個模塊組成（如圖1）：回轉平臺模塊、上懸臂梁模塊、下懸臂梁模塊、定位模塊、待測模塊和固定基塔模塊構成。這6個模塊，真實反映槳葉測量的裝備模型。以螺旋槳為基準，槳轂下孔與回轉平臺連接，上懸臂梁與上孔進行銜接經固定基塔連接穩(wěn)定結構。

圖1 檢測裝置模型視圖

回轉平臺支撐各部件并在檢測過程中旋轉待測槳，定位模塊配合回轉平臺初始階段定位，懸臂梁附屬非接觸檢測部位于懸臂梁上線性運動，行程中借助激光探頭采樣測點數據。

1.2 測點規(guī)劃

新型樣機在提高效率與精度的前提下，對測量軌跡亦提出新要求，參考我國船用金屬螺旋槳技術條件幾何尺寸公差要求[8]，基本是對螺旋槳截面曲線繪制檢測。參考葉片類曲面輪廓通常由2D截面曲線沿堆疊軸構成[9]，本文基于B樣條曲線與等參法構建截面曲線空間網格并映射獲得測點。幾何空間中螺旋槳具有高度對稱性，單一葉片軌跡規(guī)劃可獲其他葉片參數。這一自由曲面，依B樣條擬合進行描述：

式中：點Pij作為樣條控制點；Ni,p(u) 與Nj,p(v)作為樣條基函數。記某一待測葉面為Sa(ua,va)，由數條B樣條線等間隔參數擬構而成，即

式中：n為截面線數量；Pi控 制點；Fi,n(t)為式(1)中B樣條所得基函數。

對于式中給定參數n與待測葉面形貌，分析待劃分曲面縱向截面曲線參數，選取起測半徑對應曲線為驅動曲線，等參法進行截面曲線劃分，實現縱向網格線。

槳葉曲面幾何具有特殊性，隨著槳葉半徑增大，曲面主曲率減小，即螺旋槳葉片內部曲率大[10]，槳轂處幾何規(guī)律波動較大。保證測量信息完整性，采樣點密度愈靠近槳轂越高。分析待測槳葉面參數，以螺旋槳幾何對稱中心（槳轂中心點）為零點，在邊界條件下，對截面驅動曲線等弦差切割。經分割節(jié)點輻射參考線[11]即為橫向截面線構成依據。

曲線以k-1數量跨度進行等弦差切割，如第l(l=1,2,···,k) 段 ，點Ql-1已 知，需尋得點Ql并滿足

式中：ds為所設弦偏差，即被切割曲線所對應弦長，將式(3)推導得

式中：ul-1已 知，u為 點Q對應參數。該式可將目標曲線依給定弦偏差閾值ds如圖2所示進行劃分，其中Q1、Q7為 邊界條件，Ql為所求目標節(jié)點。

圖2 等弦差劃分示意圖

建立測量坐標系，工件其回轉中心為測量極坐標系R軸原點，槳轂上端面為Z軸起點，坐標系搭建如圖3所示。通過上述條件，求取橫縱向空間網格線，本文空間網格劃分結果如圖4所示。

圖3 坐標系示意圖

圖4 測量軌跡點自適應分布圖

激光理論入射方向與Z軸平行，空間網格線映射至Z軸垂直面求交所得節(jié)點即為目標軌跡點，其目標測量點的參數表達式PF=(xf,yf,zf)可記為

式中：Rn為 測量截面線對應槳葉半徑；θ為輻射參考線夾角。映射矢量同Z軸平行，zf可取任意值。采樣點通過曲線獲取，因此，規(guī)劃的軌跡點表達式為

本文選取0 .2R對應驅動曲線，考慮精度增設0.975R處對應曲線，映射網格交點即測點，依照既定拓撲關系，最終采樣軌跡如圖4。

1.3 測量流程

測量流程分軌跡規(guī)劃與硬件檢測，參照圖4軌跡規(guī)劃整體流程進行測量點獲取，目標點計算方法如下。

（1）分析目標曲面，生成截面曲線。選定起測半徑R對應驅動曲線，本文以0.2R處對應截面線作為驅動曲線，等間隔參數形成縱向三維空間網格包絡線，如圖4中R=[0.2R,0.25R,0.3R,···,0.95R]。

（2）取橫向網格線，約束下等弦差橫向切割驅動曲線，形成k數目矢量節(jié)點，節(jié)點與零點所構成輻射參考線對應截面曲線為所求，相鄰輻射參考線夾角為Δθ。

（3）生成網格。將縱向等參曲線與另一方向曲線對應，約束域內形成網格體系，映射得到網格節(jié)點，按照既定拓撲關系規(guī)劃測量工步，完成測量軌跡規(guī)劃。

檢測前，將目標槳于回轉平臺上方呈懸空狀，基本同心時放下，回轉平臺固定，同步驟安裝懸臂梁檢測模塊，完成安裝。機床啟動復位與定位同步展開，結束復位依規(guī)劃工步，逐步采樣。采樣結束復位，槳葉旋轉，為下一測量準備，流程如圖5所示。

圖5 整體檢測原理圖

2 虛擬仿真設計

2.1 系統(tǒng)組成

裝置調試系統(tǒng)含 3個模塊：NX MCD、S7-PLCSIM和TIA Portal。MCD定義機電概念模型，S7-PLCSIM實現信息映射，TIA Portal控制系統(tǒng)與搭建人機交互界面。該部分具有虛實交互能力，可連接現場主控PC進行實驗驗證，圖6為模塊集成示意。

2.2 機電概念模型定義

NX MCD包括兩類模型：邏輯概念模型和機械概念模型[5]。采用依附性指令對目標機械概念模型進行裝配約束，添加部件物理定義，增設廣義執(zhí)行器與對應傳感器，實現裝置虛擬模型機電一體化融合，定義如下：

（1） 剛體與運動副定義。分析目標需求與邏輯，指定運動副、剛體等物理性質，添加驅動器、仿真序列和信號等機電屬性，為電氣及軟件聯(lián)合奠定基礎。

（2） 傳感器與執(zhí)行器定義?；谶\動副定義執(zhí)行器并根據仿真運動定義傳感器。

（3） 信號定義。根據上述定義結果增設機電概念信號，通過信號映射實現機電概念模型與控制端通信交互，模擬真實情況下主控機與工作機床反饋通信。

2.3 仿真環(huán)境與編程

本文基于TIA Portal進行組態(tài)環(huán)境設計，控制模塊選擇CPU1511-1型號，交互界面選擇KTP700 Basic觸摸屏。在組態(tài)環(huán)境中依據圖4需求進行設計人機交互界面與邏輯控制程序，部分邏輯程序如圖7所示。

圖7 部分程序邏輯

S7-PLCSIM作為聯(lián)合高級軟件接口，結合TIA Portal用于執(zhí)行可編程邏輯控制器的數據交互[12]。PLCSIM Advanced端橋接TIA portal與NX MCD，跨平臺雙向映射實時信號，搭建NX MCD-PLCSIMTIA Portal多層次平臺聯(lián)合協(xié)同機電一體化虛擬環(huán)境。

3 實例驗證

3.1 信號交互

機電模型仿真調試前，在MCD中制定機電模型信號響應描述與映射關系。

通過裝載匹配S7-PLCSIM Advanced中TIA Portal動作變量，控制機電模型響應實現數據交換，映射配置如圖8所示。

圖8 信號映射定義圖

3.2 多平臺聯(lián)合調試驗證

將TIA Portal與S7-PLCSIM Advanced本地在線，加載人機界面，連接MCD至S7-PLCSIM Advanced通信端，信號經通信端發(fā)射，控制機電模型工作。TIA Portal監(jiān)視工作狀態(tài)，驗證PLC程序與機電模塊關聯(lián)正確性。交互界面可視化采集數據，圖9為調試中各部分工作情況。

圖9 調試過程中各部分工作圖

通過本文方法，進行數據采集驗證，將仿真實驗所得數據與理論數據對比，部分偏差分析如表1～3與圖10所示，按如下表達式，對數據誤差進行描述：

圖10 誤差曲線分析

式中：測量半徑絕對偏差為ER；測量角度絕對偏差為δi；測 量 半徑標 準 差 σR；測 量 角度標 準 差為 σα。

從表1～3可以看出，葉面線性偏差在0.012 mm以下，旋轉誤差低于0.000 2°，而表3中Z軸偏差大于X與Y軸，經分析后應由X與Y軸的位移偏差累加后傳感器測得，故誤差范圍大于其他兩軸。為此，引入鄰近點坐標誤差評定公式：

表1 部分測量半徑偏差表

式中：Pf為實驗所得點；Po為理論規(guī)劃測點。

將表3數據代入目標公式，誤差坐標偏差值在0.037 5～0.053 5 mm范圍波動，其精度符合國標[8]要求中：工具測量大、中型槳誤差范圍不得超過0.5 mm，小型槳不得超過0.25 mm。

表3 余量誤差范圍

為比較本文方法測量性能，以5 m的五葉槳測量為例，采用人工測量、傳統(tǒng)等值法與本文方法對比分析。本文結構采用雙面式測量，在激光輻射間隔中實時自行采樣，采樣過程自動化，一次吊裝無需翻面，人工干預時長大幅降低。測點預規(guī)劃，布點優(yōu)化合理，相比傳統(tǒng)等值法，本文測點布局從337個下降至179個，測點數目降低，測步時長減少。

表2 部分測量角度偏差表

經企業(yè)調研，人工測量5 m的五葉槳單葉約1 h，經仿真演算，本裝置同等工況下等值法單葉測時1 428.72 s，本文方法測時863.24 s。人工全槳測時約4 h；本裝置下等值法全槳測時7 250.63 s；本文方法測時4 421.25 s，時效性亦有所提高。

綜上，該檢測方法的手段能有效提高槳葉檢測精度與效率，有望解決當前檢測問題。

4 結語

本文從傳統(tǒng)螺旋槳檢測問題角度出發(fā)，提出一種新型螺旋槳檢測方法與測點規(guī)劃手段，并將機電一體化概念設計同建模與控制軟件相結合，通過仿真引擎進行實驗仿真分析。實驗結果表明該方法不僅解決了傳統(tǒng)螺旋槳檢測多種弊端，也表明了網格化曲面測點規(guī)劃具有很好的泛用性，并提前反映設計與控制中潛伏的弊端，在保證精度前提下提高智能化程度，可廣泛推廣螺旋槳檢測領域，為實際平臺搭建提供理論依據與參考準則，對提高曲面檢測精度具有重要參考價值。