最好三次元影像测量仪在汽轮机叶片上的应用

三次元影像测量仪在汽轮机叶片上的应用

叶轮机械在航天、航空、汽车、能源等领域都有非常广泛的应用。叶片是汽轮发电机和涡轮发动机的重要零件之一。叶片的加工量约占整个汽轮机1/3，在整个汽轮机事故中，由于叶片的质量所引起的故障也占1/3左右。所以，叶片是汽轮机的关键零件，起着将蒸汽的动能转换为机械能的作用，是汽轮机的“心脏”。一台汽轮机的叶片数量很多，通常由数千件大小不同的叶片组装而成，如图1所示。由于叶片的形状误差直接影响着叶片二次流损耗，因而叶片的加工精度要求比较严格，都需要对其进行形状精度测量。然而，叶片的形状复杂，并且叶片在设计过程中主要通过给出各个截面曲线的离散点来设计，所以叶片的型面的测量成为叶片测量的难点问题。

    1、叶片自动化测量流程

    随着生产规模的日益扩大，加工精度的不断提高，传统的影像测量仪单件测量方法已不能满足生产的需要。越来越多的工件需要进行批量测量。

    目前叶片测量流程如图2所示，整个过程需要人工操作的环节较多。如产品信息输入、检测零件安装、调检测程序、手动建检测坐标系、调叶身检测专用软件、再输入产品信息、再输入检测文件保存路径及文件名。如果没有人及时交互，三坐标就会停机等待。从整个流程不难看出，该方法采用的完全是单件测量的流程。其测量效率低下，难以满足实际生产要求，严重制约着企业的发展。

    汽轮机叶片计算机集成自动化测量是在现有的设备和人员不变的前提下，通过技术、管理、流程等改变，使效率提升达到生产要求。目前三坐标测量以单件测量的方式进行，没有采用专用夹具。产品在三次元影像测量仪上不定位，采用临时简单支撑进行测量，每次测量都需要手动重建坐标系。所以自动定位是实现批量三次元影像测量仪测量自动化的关键问题之一。因此，需设计开发相应叶片的三坐标检测夹具。通过相应叶片的三坐标检测夹具，将叶片粗定位到三次元影像测量仪上。

    在粗定位后，通过开发测量管理软件，进一步减少人工交互环节。测量环节与数据库系统集成，产品信息由扫描枪输入，避免信息重复输入。程序自动加载，实现检测过程全自动化，即自动建坐标系、自动检测、自动分析、自动出检测报告、自动保存的测量自动化流程，如图3所示。

2、叶片自动化测量夹持方案设计

    精密定位是三次元影像测量仪的一项关键技术。目前三坐标测量以单件测量的方式进行，产品在三次元影像测量仪上不定位，采用临时简单支撑进行测量。每次测量都需要手动建立坐标系。为实现批量叶片测量自动化，需要检验三次元自动建坐标系对夹具的定位精度要求，其次是验证夹具定位检测的可靠性，然后进行夹具的设计。

   2. 1叶片柔性夹具

    夹具在现代制造中起着非常重要的作用，直接关系到新产品开发的周期、生产效率、产品质量及成本。在此提出了一个新的柔性夹具，利用低熔点合金为相变材料，将工件定位好以后加注液态相变材料。待材料冷却固化实现夹具体、夹紧体以及工件的固联，真正实现柔性装夹。一套夹具能装夹一定尺寸范围内任意形状及尺寸的零件。对减少企业工装夹具设计制造的技术准备时间、降低开发成本以及提高市场竞争能力都有非常重要的意义。

    相变材料为低熔点合金，起连接定位件、夹紧体、夹具体的作用。定位件、夹紧体可在夹具体上任意位置布置，然后浇铸低熔点合金，实现它们的固定连接。对于不同的零件，只要将低熔点合金熔化，重新选用调整定位件及夹紧体，然后在加铸低熔点合金固连。定位件和夹紧体长度可以连续可调，位置可以任意布置。由此一套夹具可以实现一定位范围任意形状和尺寸零件的装夹，真正实现了柔性化。相变材料的柔性夹具构成如图4所示，主要由夹具体、定位销(见图5a)、侧定位销座、夹紧体(见图5b)、相变材料等组成。相变材料可反复使用，且由于熔点低(150℃以下)，相变材料反复熔化过程对夹具元件的机械性影响很小。

    夹具体是所有夹具元件的载体，其结构形式完全取决于夹具的工作原理。如低熔点合金槽设计，就涉及到熔化还是离线熔化。熔化则加热系统要考虑在夹具体上实现。合金槽边缘结构形式设计，其夹具力的传递如图6所示。切削力作用在工件上，一部分直接传给相变体另一部分通过夹紧体传给相变体，由相变体再传给夹具体，最后传给机床工作台。

    相变体承担所有的切削力，如何保证夹具的刚性，相变体是关键。而合金槽的结构又决定了相变体的几何形状及其与夹具体力的约束关系。夹紧体要根据夹具力的需用设计成系列化，根据工件的大小设计成几个系列，每个具体夹紧体要能进行调整，从而实现连续尺寸的全覆盖。由于将夹紧体和工件靠放在一起，通过浇铸液相材料固化连接，夹紧体和工件间没有预响应的规范也不是很完善紧力，所以要在夹紧体上加预紧机构。定位销长度要可调且稳定可靠，要实现任意位置固定。

    这种柔性夹具的使用过程如图7所示，先根据加工工艺要求，由计算机辅助确定定位和夹紧策略、选择夹具系列(尺寸大小和受力大小)，确定定位坐标系后计算出定位件长度及夹紧体长度，然后调整定位元件及夹紧体长度，由数控装置将定位件和夹紧体布放到设计位置;加注相变材料实现这些件的连接，如果零件需要相变材料强化支撑，则对首件进行必要的处理后继续加注相变材料至所需位置。相变材料冷却，完全实现了定位件、夹紧体、夹具体的连接，此时夹具就可以正常使用了。对于新零件，将相材料熔化，更换定位、夹紧件，重复上述过程即可。

    该夹具可以装夹任意形状的零件，对刚性差的零件填以合金材料提高其刚性。相比组合夹具零件种类少。使用本夹具时，定位和夹紧连续可调，实现了全尺寸装夹(而不是系列尺寸装夹)。定位位置便于实现自动化快速调节，既可以提高夹具调整速度又可以保证精度，同时还可以降低夹具零件的制造精度要求。夹紧支撑可根据需用任意位置方向布置，适应任何形状零件的夹紧。

    当相变柔性夹具定位基准面旋转至下极限位置后，叶片的周围没有任何障碍物，叶片的可达测量空间得到了充分的扩展，简化了使用三次元影像测量仪测量叶片时的路径规划的问题，有利于叶而过氧化物降解的PP树脂要进行控制使用片测量自动化的实现。

    叶片类零件是压缩机和推进器的重要零件，应用领域广泛，遍及汽车、航空等，具体主要应用于汽轮机、航空发动机等。目前三次元测量以单件测量的方式进行，每次测量都需要手动建立坐标系，严重影响测量效率的提高。为实现批量叶片测量自动化，在三坐标自动建坐标系对夹具的定位精度范围内，针对相应叶片设计柔性的三次元影像测量仪夹具，减少了测量过程中的人机交互环节。在测量批量叶片时，自动测量省略了操作的麻烦，大大节约了时间，提高了测量的效率和稳定性。

来源：当传感器遭到拉力P的效果时武汉一准测量技术有限公司