發電機定子鐵心鉛垂度在線監測裝置的設計

□ 陳偉偉 □ 婁云鴿 □ 張 偉

上海電氣集團股份有限公司中央研究院 上海 200070

1 研究背景

當前，全球范圍內激烈的市場競爭，使產品質量受到制造企業前所未有的關注。市場的多樣化與個性化，以及新工藝、新材料、新設備的不斷涌現，使產品制造過程越來越復雜，質量的監測和控制越來越具有挑戰性［1］。多工序多誤差源質量監測與優化控制正在成為制造企業研究的目標［2］，因此，大力開展質量監測與優化控制技術攻關與應用，對提升制造業的國際競爭力具有重要意義。

國內的制造業已在質量管控領域做了大量研究。王企遠［3］應用視覺技術對工件進行識別和干涉檢測。劉貴杰［4］利用聲發射傳感器探頭對磨削表面粗糙度進行檢測。吳小輝［5］應用特種機器人技術實現了發電機槽楔松動檢測和定子鐵心電磁缺陷檢測。張旭輝［6］應用激光超聲無損檢測技術對復雜曲面零件進行檢測。李英俊等［7］設計了一臺用于工業自動化生產的噴油器氣密性檢測設備。

發電機定子鐵心的鉛垂度是影響定子鐵心制造質量的關鍵參數之一。發電機定子鐵心的人工鉛垂度檢測方法如圖1所示，在發電機定子鐵心制造成型后，用鉛垂線固定在鐵心頂部，然后由人工用直尺分段測量鉛垂線與定子外端面間的距離并記數，最后通過電子表格程序擬合出鉛垂度誤差。由于發電機定子鐵心的尺寸較大，用這一方法檢測不僅存在工作量大、人工成本高、效率低、誤差大等問題，而且無法在鐵心冷熱壓過程中對鉛垂度進行檢測，并做出及時修正，一旦出現鉛垂度不合格現象，制造人員需對定子鐵心重新拆分調整，并進行二次加壓成型，這樣會進一步增加勞動量和人工成本，同時還會拖延制造周期，給企業帶來巨大的經濟損失。

▲圖1 發電機定子鐵心人工鉛垂度檢測方法

基于此，筆者設計了發電機定子鐵心鉛垂度在線監測裝置，適用于高溫、振動等惡劣的制造環境，對發電機定子鐵心的鉛垂度實現全程監測，具有較高的自動化程度、測量精度、測量效率與可靠性。

2 裝置原理

激光具有優良的方向性，其發散角很小，幾乎是平行的光線［8］，因此，可采用鉛垂的激光替代人工檢測時的鉛垂線。已有學者在電梯導軌鉛垂度檢測方向做了較多研究，孫明［9］研制的檢測機器人實現了對電梯導軌垂直度誤差的自動化檢測，林開顏［10］應用電荷耦合元件相機和激光技術對電梯導軌垂直度測量方法進行了研究。但另一方面，電梯導軌檢測方案均在常溫下進行，且無法實現在線監測，因此，對處在高溫、振動等惡劣環境下的發電機定子鐵心是不適用的。

筆者所設計的發電機定子鐵心鉛垂度在線監測裝置如圖2所示，由多套鐵心夾持采集支架、自平衡激光鉛垂移動平臺兩部分組成。多套鐵心夾持采集支架可隨著定子鐵心疊放高度的增加而布置在定子鐵心的背部槽楔中，且激光接收模塊交錯排列，互不干涉。在熱壓狀態時，支架可穿過保溫罩，使監測裝置在常溫下進行監測，這樣等于是將鉛垂度誤差測量從高溫、振動等惡劣環境中轉移到了常溫環境，從而可實現發電機定子鐵心冷熱壓成型過程的全程監測。自平衡激光鉛垂移動平臺固定在發電機定子鐵心制造基座上，可自動調節激光發射角度，保證激光時刻保持鉛垂狀態。同時根據夾持采集支架上的位置敏感探測器（PSD）設定激光的徑向移動量，按固定速率向接收模塊發射激光信號。PSD將采集到的激光位置信號傳輸至鉛垂度監測軟件中，實時擬合出發電機定子鐵心的鉛垂度誤差情況。

3 鐵心夾持采集支架

發電機定子鐵心的制造成型需經過多次冷熱壓工藝過程。熱壓過程中，發電機定子鐵心處在高溫、振動、密封等惡劣環境中，且保溫罩與鐵心外壁的間距只有10 cm，測量操作空間極小。因此，若想在保溫罩內部實現對發電機定子鐵心的鉛垂度測量，難度很大且無法保證測量精度。為了克服這些惡劣條件，實現對發電機定子鐵心鉛垂度的精確監測，筆者所設計的鐵心夾持采集支架在不破壞保溫罩保溫效果的前提下，將PSD轉移到常溫下進行采集。

▲圖2 發電機定子鐵心鉛垂度在線監測裝置

如圖3所示，鐵心夾持采集支架由PSD激光位置采集模塊、夾持支架兩部分組成。PSD具有分辨率高、響應速度快、信號處理相對簡單等優點，對光源、光學系統的要求較低，光譜響應較寬，在檢測位置的同時還能檢測光強。PSD尤其適用于位置、位移及將光斑位置轉化為坐標值的非接觸式高精度快速測量。由于選用的激光器功率為4 mW，遠遠小于PSD元件的最大接收激光功率值，因此可以忽略激光光強對PSD元件精度的影響。由于PSD元件的采樣速率為納秒級，遠遠快于定子鐵心熱壓時的機械振動頻率，因此可采用低通濾波的方式消除振動對測量結果的影響。夾持支架的夾持端采用燕尾結構設計，一端與鐵心背部的槽楔貼合，另一端通過螺栓緊固的方式與相鄰的槽楔夾緊。為防止鐵心導電，接觸點材料選用絕緣橡膠。熱壓時，夾持端在保溫罩內部，通過伸出桿穿過保溫罩與PSD安裝支架相連。PSD在各個安裝支架上以一定的距離交錯排列，保證激光采集互不干涉。

4 自平衡激光鉛垂移動平臺

▲圖3 鐵心夾持采集支架

為了實現激光鉛垂替代鉛垂線，需要保證激光具有自平衡能力，即激光方向時刻保持鉛垂向上。為了使交錯排列的PSD能按一定速率采集到激光信號，并實現鉛垂度的擬合，需要保證激光發射源可線性移動。因此，設計了自平衡激光鉛垂移動平臺，這一平臺由粗調工作臺、水平云臺、兩軸自動旋轉精調平臺、激光發射器、二維電子水平儀等組成，如圖4所示。

▲圖4 自平衡激光鉛垂移動平臺

粗調工作臺通過4個調平墊鐵對工作臺的水平度進行粗調。當移動水平云臺時，需根據夾持采集支架上PSD的位置和數量來設定移動距離和速率。水平云臺的最大行程為300 mm，單向定位精度為25 μm，重復定位精度為±0.5 μm。安裝在水平云臺上的兩軸自動旋轉精調平臺可繞X軸、Y軸旋轉，其主要參數見表1。二維電子水平儀用于監測移動平臺的水平狀態，其技術參數見表2。固定在精調平臺上的二維電子水平儀在激光發射器發射激光信號前，將位置點的移動平臺水平度以數字信號傳輸至上位機。上位機將該數字信號反饋至精調平臺上的控制器，控制器控制X軸、Y軸兩個方向的電機旋轉，直至移動平臺水平度在精度范圍內，從而確保激光發射器豎直向上發射激光信號。

表1 兩軸自動旋轉精調平臺技術參數

根據部件的精度指標，計算激光的單向鉛垂精度β：

式中：L為鐵心高度；α為自平衡激光鉛垂移動平臺的水平偏離角度，即激光偏離鉛垂的角度。

假設發電機定子鐵心的高度為10 m，可得到激光單向鉛垂的精度β為±0.349 mm，再通過發電機定子鐵心鉛垂度監測軟件對鉛垂度測量進行補償，所得結果遠遠小于發電機定子鐵心鉛垂度合格指標（≤3 mm），顯然滿足應用要求。

表2 二維電子水平儀技術參數

5 裝置模型

將筆者設計的鐵心夾持采集支架、自平衡激光鉛垂移動平臺和發電機定子鐵心模型進行集成，得到發電子定子鐵心鉛垂度監測裝置的三維模型和實驗室試驗測試模型，如圖5所示。在實驗室中，發電機定子鐵心模型外壁安裝了三個夾持采集支架，其鉛垂度可通過模型底部的調平墊鐵進行調節。如圖6所示，在基于LabVIEW軟件開發的發電機定子鐵心鉛垂度監測軟件上，操作員可實時查看發電機定子鐵心的鉛垂度變化情況，從而實時調整發電機定子鐵心的補償措施。

▲圖5 發電機定子鐵心鉛垂度監測裝置

6 結論

發電機定子鐵心的鉛垂度是影響定子制造質量的關鍵參數之一。筆者基于激光高方向性的特點，設計了發電機定子鐵心鉛垂度在線監測裝置，可在高溫、振動等惡劣制造環境中對發電機定子鐵心的鉛垂度實現全程監測，具有較高的自動化程度、測量精度、測量效率及可靠性。對發電機定子鐵心制造過程進行質量監控，不僅可以有效減少人工勞動量與人工成本，而且可以提高發電機定子鐵心的生產質量。

▲圖6 發電機定子鐵心鉛垂度監測軟件

目前，筆者所設計的發電機定子鐵心鉛垂度在線監測裝置已在實驗室環境中完成調試，未來將在發電機定子鐵心的現場制造中進行應用測試。