叶片测量仪系统的工作原理及其应用.pdf

文献标识码：B 文章编号：1 0 0 3 0 4 9 2(2 0 0 9)0 1 0 0 8 6-0 4 中图分类号：T P 3 9 3 叶片测量仪系统的工作原理及其应用 W o r k i n g Pr i n c i p l e a n d Ap pl i c a t i o n o f Bl a d e M e a s u r i n g Ap p a r a t u s S y s t e m 高天 国(1 9 6 3 一)男，毕业于哈 尔滨工业大学精密仪 器系，主 要从事新产品开发与设计工作。摘要：本文论述 了叶片测量仪的结构及工作原理。介绍了叶片测量仪硬件 和软件系统及住实际工作中的应用，并探讨了叶片测量仪的发展趋势和应 用前景。关键词：叶片测量仪；汽轮机叶片；型面测量；三维触发式测头；运动控 制卡 Abs t r a c t：T h i s i s a p r i ma r y s t u d y a b o u t t h e wo r k i n g p r i n c i p le a n d a p p l i c a t i o n o f t h e Bl a d e me a s u r i n g a p p a r a t u s s y s te m T h i s p a p e r i n t r o d u c e s t h e me a s u r e me n t h a r d wa r e a n d s o ftwa r e s y s t e ms a n d i t s a p pl i c a t i o n s i n p r a c t i c a l wo r k，a n d di s c u s s e s t h e d e v e l op me nt t r e nd a n d a p p l i c a t i o n p r o s p e c t s o f t h e b l a d e me a s u r i n g a p p a r a t u s Ke y wo r d s：Bl a d e me a s u r i n g a p p a r a t u s；Tu r bi n e b l a d e；M o l d i n g s u r f a c e me a s u r e me n t；Th r e e-d i me n s i o n a l fl i p fl o p p r o b e；Mo t i o n Co n t r o l Ca r d 1 引 言 在现代工业中，汽轮机由于具有功率大、转速高、效 率较高、运转平稳和使用寿命长等优点，因而得到广泛的应 用。汽轮机叶片是 汽轮 机的关键零 件。叶片的 质量是评价整 台汽轮 机质量的重要指标之 一【1 。其制造精度的高低，直接 影 响到汽轮机的能量转 换效率和 工作性 能。因此 叶片测量越 来越受到叶片生产企业以及用户的关注和重视。叶片的造型较为复杂、特殊。描述的参数众多，叶片形 状、位 置关 系的测量也 是整个叶 片测 量的关键。叶片型线的 评 定一般是通过测 量沿叶片轴线方 向分布的若干截 面的型线 来实现的。目前就国内叶片测量领域来说，还没有专门用于 叶片测量的仪器。关于叶片型线的测量，尽管 目前测量方法很 多，每种 测量方法都有各自的特点，但从测量效率、测量精度以及成 本等方面综合考虑，这些测量方法均存在一定的不足，一般 都 不具 备专 用性，且数据处理 也不够 灵活。目前，坐标测量 法是当今叶片型面测量的一个发展趋势。本文在基于坐标测 量法 的基础上，设计出一种测量 效率高、价格较 低、使用方 便，而 且适用于车 间及计量室使 用的汽轮机叶 片型面专用测 量机叶片测量仪。2 叶片测量仪结构及工作原理 I叶片测量仪结构 叶片测量 仪的机械结构 如图 1 所示。它是 由机 体 1、立柱 2、操纵控制面板3、三维触发式测头4、径向滑板(x轴)5、水平滑板(Y 轴)6、垂直滑架(z 轴)7、回转轴(c 轴)8、下顶 尖9、上顶尖 1 O 等构成。、一 一、一 图1 叶片测量仪的机械结构 1 一机体2 一立柱3 一操纵控制面板 4 一三维触发式测头5 一径 向滑板(X 轴)6 一水平滑板(Y 轴)7 一垂直滑架(z 轴)8 一回转轴(c 轴)9 一下顶尖 1 0 一上顶尖 该叶片测量仪是基于三坐标测量机的基础上，在保持原有 的x，Y，z 轴，又增加了一个以z 轴为旋转轴的C 轴组成，是 四坐标测量机。即它有4 个运动轴：x、Y、z 轴和c 轴。最底 层为水平滑板(Y 轴)6，上托垂直 滑架(Z 轴)7，Z 轴上安装 8 6 自 勋，匕 博览2 0 0 9 年0 1 月刊 径 向滑板(x 轴)5，径 向滑板(x轴)5 上装有雷尼绍3 D触发 式测头4，立柱2 上安 装有上顶尖l 0，可 自动上下升 降，以便检 测不同规格尺寸的叶片，下顶尖9 可回转，构成C 轴。该叶片测 量仪采用了三坐标的测量方式，它通过三维触发式测头实现 对 被测叶片在(x、Y、z)三维坐标方向上的测量。叶片测量仪的工作原理 为实现 自动测量和 三维型线的测 量评定，叶 片测量仪选 用 了坐标 测量法对叶片 进行测量。为 了保证叶片测 量仪的精 度，准确测 量叶片的 各项 参数。因此 在测量叶片前，首先要 对叶片测量 仪进行参数校核 及叶片参数设 置和工件坐标 系建 立等工作。叶片测量 仪参数的校核 有两项内容：即测量仪三维 触发 式测头参数校 核和 回转轴校 核。通过测量标 准圆柱样件，实 现了对测量仪 三维 触发式测头 和 回转轴的校核，根据校核 结 果对三维触发式测头、测杆以及复位参数进行修正与补偿。叶片参数的设 置：主要有叶 片型线的理论 数据，叶根、叶冠的基本参数等。理论数据，它主要含有两方面的信息，其一为叶片背弧和内弧型线点的坐标值、截面高度、进汽边 圆弧的半径 与圆心坐标、出汽边 圆弧的半 径与圆心坐标、进 汽边与背弧、内弧的交点，出汽边与背弧、内弧的交 点等；其二为叶片的特征参数信息，如叶片名称，截面号等。叶片测量仪工件坐标系的建立：在理想情况下，工件坐 标系与叶片测量仪的固有坐标系重合。叶片的理论数据均为 工件坐标系下的坐标。叶片的安装基准是叶根和叶冠。如图2 所示，叶片的基本形状及安装基准。测量叶片时，由于当前 测得的坐标点均为叶片测量仪坐标系下的点，为找正待测叶 片工件坐标系的位置，软件通过测量叶片的叶根或叶冠的实 际位置坐标建立工件坐标系。实现将叶片测量数据由叶片测 量仪坐标系转换为工件坐标系。为叶片测量仪后续数据处理 和误差分析奠定了基础。叶冠 图2 叶片的基本形状及安装基准 叶片测量仪经过参数的校核及叶片参数的设置和待测叶片 工件坐标系的建立后，即可对叶片型线的数据进行测量。由于 叶片型线为回转曲线，为了使测量方便，在测量机原有三坐标 基础上，又增加了一 回转轴C 轴，测量时，将被测叶 片安装在 叶片测量仪的上、下顶尖之间(安装在c 轴 上)，通过立柱上 的上顶尖将其顶 紧，三维触发式 测头安装在径 向滑板(X 轴)上。当测量控制软件 驱动运动控制卡控制 各路伺服 电机运动 时。由c 轴带动叶片 回转，x、Y、z 各轴协同动 作，由径 向滑 板(X轴)驱动三维触发式测头沿x 轴方 向接 触被 测叶片型线 表面，三维触发式测头在任何方向都 可触发，当测头接触到叶 片型线表面时，产生触发信号，运动控制卡根据测头的触发信 号锁存各轴的位置，触发数据被记录，并传送到控制系统。由 于测量叶片型线过程中，回转轴c 轴带动叶片做轴向旋转，同 时软件控制三维触发式测头在叶片的截面轮廓上不断采点，进 而测头可在轮廓一周范围内采集到叶片截面的封闭离散数据，完成该截面数据 的测量。因此，三维触发式测头在三个坐标的 联合驱动下可 自动采集叶片型面上的回转 曲线的数据，以此获 得叶片型面上各点的实测数据，记录了各个测量点的坐标值。通过P CI 总线将叶片型面上各点的采样数据传输给计算机进行 数据处理与分析，然后 由计算机按要求的表征 参数将经过处理 的实际数据和初始信息获得的理论数据进行比较计算。分析叶 片的误差。最后得到被测叶片型面的加工误差和曲线。运算结 果由显示器显示和打印机输 出。本仪器针对叶片数据测量的特 点，还提供 了手动测量和 自动测量两种测量方式【2】。这主要是 从减少操作者的操作时间和操作复杂度的角度来考虑的，操作 者除了在特殊情况下需要手动操作之外，一般在自动测量状态 下即可完成测量任务。自动测量方式在一定程度上可降低测量 的强度，提高测量效率。1 3 叶片测量仪 系统的组成 叶 片测 量 仪 系统是 由测量 仪硬 件 和控 制软 件 两部 分组 成。由叶片测量仪硬 件部分产生运 动并触发待 测叶片，是叶 片测量系统的执行者；而控制软件则控制着硬件的动作，实 现了数据的采集，此外软件还负责对采集到的数据进行分析 和计算，是测量仪系统的灵魂。1 4 系统硬件 叶片测量仪系统硬件主要是 由计算机、运动控制卡、伺 服 驱动 系统、光栅传感器、三维触发式测头、I O 接 口、显示 器、打 印机及辅助功能等部分组成。如 图3 所示，叶片测量仪 系统 图。j荤 豢 霎 霉 霉 萋霉 蓉 羹 墓 3Z 2 0 0 9 年0 1 月刊 自 i 由 化博览 8 7 =l|I l I I 方法 栅传感器采用了雷尼绍反射式光栅尺，精度为0 1，用于检测 x、Y、z 轴位置信号；对型线的测量 采用雷尼绍3 D触发式测 头，可在 任何方 向触 发，用于测量叶 片，测头信号 作为外部 触发信号接入运动控制卡中，利用运动控制卡提供的高速位 置锁存功能 实现 实时 的数据采集。I O接 口卡也采用了Ad l i n k 公司的P CI 9 1 l l 多功能数据采集卡作为I 0 接口，该卡提供了l 6 路模拟量输入，1 路模拟量输出，l 6 路开关量输入及l 6 路开关 量输出等功能。系统中对面板的操作以及一些辅助功能操作 等都是通过 该接 口卡实现 的。计算机是整个系统的核心部分，它通过驱动运动控制卡 I I O接 口卡，来控制硬件部分的运动(如：径 向滑板、水平 滑 板、垂直滑架和 回转 轴的运动 等)。此外 它还承担 了数 据 处理、分析计算以 及人机交互等 工作。并时时 显示测量过程 和测量结果，处理和打印测量数据。系统软 件 叶 片测量仪软 件系统 基于Wi n d o ws 平台，在Vi s u a l C+6 0 环境下用C+语 言开发而成，采 用Op e n GL 技 术进行 图形 显示。软 件首 先 在初 始化 阶 段读 取叶 片的 理论 数据，通过 P CI 8 1 6 4 运 动控 制卡、P CI 9 1 1 1 接 口卡驱动测量仪硬件进行叶 片实际数据 的测量，分 别对理论数据 和实际测量数据 进行处 理，经比较分析后获得实际叶片的各项误 差。如图4 所示，叶 片测量仪系统程序流程图。叶片测量仪系统软 件启动后执 行如下的流程：_ 一趣 一 次-1 l 建 杯系 。一 t I 选择 硝 ：，i 一 N t Y 谢N-曲一|f f】功 I戊 t Y 下动测 f 入代6 I-n动l删 数掘处 结粜分J i Y 。酥；霹、，N 、图4 叶片测量仪系统程序流 程图(1)系统初始化 开 机后首先进行 系统 初始化，主 要有运动控 制卡的 初始 化，测量仪参数和叶片参数的读入等。读入的测量仪参数主 要 有复位参数、测头 直径、测量速 度等；读人的叶 片参数有 叶片型线的理论数据，叶根、叶冠的基本参数等。(2)执行复位操作 对测量仪进行复位，坐标轴x、Y、z、C 按先后顺序对 各 轴的零位传感器进行触发，实现测量仪各轴坐标值的清零，然后根据 初始化阶段读 入复位参数，重新设定仪 器各轴的坐 标值。(3)进行测头、回转轴的校核与修正 参数修正后再次复位 对于首次测量，为保证叶片测量仪的精度，有必要对仪 器的测头和 回转轴进行校核。(4)读入待测叶片文件对叶片测量参数进行设置(5)建立工件坐标 系 通过 测量 向参考 点、测量叶 根和叶冠基准，来完成工件 坐标系的建立。(6)对 叶片型线进行测量 叶片型线测量过程中测量的截面数越多、测点越密集就 越能 反映 叶片表面 的真 实情况。在 保证测量精 度要 求的前提 下，尽量减少测点的数量。如 图5 所示，叶 片截面型线测量测 点的分布。出触、背 弧 内 弧 图6叶片型线测量 8 8 自 勋化博，乙 2 0 0 9 年 0 1,E -B J 数 一 参 一 一 一 l 壁(7)通过软件的数据处 理，得到误差结果，并可 以最终 打印 输 出。3 叶片测量仪应用 目前，专 用 的叶 片测 量 仪 已越来 越 为叶 片生 产 和使 用 厂家所重视。从叶片测量的发展方向来看，数字化测量也是 该行业的发展方向【3】。而 目前 国内在叶片型面检测方面还 几乎没有这种专用的数字化测量仪器。由哈尔滨量具刃具集 团有限责任 公司与哈 尔滨 工业 大学联合研制 数字化叶 片测量 仪，主要用于测量 叶片截面型 线的整体偏移 和扭转误差、型 面轮 廓误差、叶 身最 大厚度误差、进汽边及 出汽边 圆弧误差 等，同时也可测量螺旋桨、叶轮等具有特定空间型面的零 件。被测工件经过一次装卡，即可在计算机控制软件的控制 下 自动完成整个测量 过程，计算机 实时显示结 果，并根据需 要打印输出测量报告。根据加工指标，被测工件最大长度为 4 0 0 mm，最大宽度为2 0 0 mm，最大重量为3 0 k g，叶片测 量仪 的测量误差不大于3。它填补 国内空白，为叶片测量 仪进一 步 实用化的研究奠定 了基础。并开拓 了新的应 用领域。不 久的 将来，我们会提供 大量质优价 廉的测量仪 器。为祖 国机械 工 业现代化作出更 多的贡献 4 结 论 本文论述 了叶片 测量仪系统 的工作原理 及其应用。在设 计了一种新型的叶片专用测量仪器的基础上，提出了一种新 的叶片型面测量 方法。使用方便、成本较低，适 合于车 间加 工现场 及计量室使用，是用于 中小规 格汽轮机叶 片型面检测 的专用测 量机。尤其适 用于大批量生 产条件下车 间现 场的检 测，且被测 工件经过一次 装夹，即可在 计算机的控制 下 自动 完成整个测量过 程，测量效 率高，系统操 作简单，精 度高，且对使用环境 无很严格要 求。易于实现 自动化测量，提高 了 生产 效率 和产 品 质量。可达 到 国际 同类 产 品的 先进 技术 水 平，使之成 为汽轮机叶片检测 领域的重要仪 器。具有 很大的 应用潜力和使 用价 值。叶片测量 仪的研制，不仅提高叶 片的 检测效率，加快汽 轮机行业的 发展，而且将 促进 专用叶 片测 量仪的生产与不断发展，具有极其重要的意义。从目前国内 汽轮机制造业的生产水 平看，该 仪 器完 全能满足 产品质量的 要求，具有很大的开发和应用价值，有着广阔的应用前景。参考文献 1】石道中 汽轮机设计基础【M】哈尔滨 业大学出版社 I 9 9 9 2】唐文彦，强锡富 种新的涡轮叶片型面的 自动测量方法 J J 计量：学报 1 9 9 5 1 6(2)：9 8 1 0 3 【3】陈凯云，叶溉青 俞学兰 航空压气机叶片型面在线羽f 量新型装备研制【J】航空 0 造技术 2 0 0 5，(3)9 2 9 5 编号：0 9 0 1 3 5 上接8 5 页 设定完毕后把所有的信息发布到网上。3 3 报表信息查询 上面 的所有 工作完成后，查看报 表的 用户只要 用 自 己的用户名和密码登录P I MS 系统就可以 了看到自己所 关心的信息 了。客户端上查询数据的详细步骤如下：确保客户端能连通P I MS N务器；通过用户名和密码在I E 登陆到P 1 MS T _ 程；录入查询条件，查询出所需要的数据；在需要时把数据以C S V格式导出到本地计算机上；根据查询信息作出决策活动。图3 在 P I MS 发布的报表查询 4 结束语 本报表生成系统的好处是同时用到了P I MS 和E XCE L 的优 点而有 避开 了这两 者的 缺点，通过 E XCE L 录 入数 据，并把所有复杂计算工作交给了E XCE L，通过P I MS 查 看报表，不同的录入和修改的人可以各自在自己的电脑上 操作，查看信息的人只需要打开I E 就可以浏览，对所有的 操作者技 术要求都 很低，适 合于大部 分工厂、企业的特 征。不仅是P I Ms T以 和EXCE L 结 合做出完 美的报表功 能，其他应用程序也可以用类似的方法，希望本文能起到 抛砖引玉的作用，启发广大读者想出更多类似做报表的好 办法。参考文献 1】浙江中控技术股份有限公司 生产信息管理系统软件P I MS V 3 6 使用说明书，2 0 0 7 年3 月 编号：0 9 0 1 3 4 2 0 0 9 年0 1 月刊 自 勋 簪 笕 8 9