發(fā)電機(jī)定子鐵心垂直度檢測(cè)系統(tǒng)研究

婁云鴿，陳偉偉，張 偉

（上海電氣集團(tuán)股份有限公司中央研究院，上海 200070）

0 引言

定子鐵心是發(fā)電機(jī)整體結(jié)構(gòu)中的重要組成部分，它起著提供磁回路、支撐發(fā)電機(jī)整體、固定定子繞組線(xiàn)的重要作用[1]。發(fā)電機(jī)定子鐵心是由矽鋼片疊合組裝而成[2]，大型火電發(fā)電機(jī)使用的是厚度0.5mm，形狀為一定角度的扇形矽鋼片疊裝而成的，定子鐵心疊裝完成后的高度約6000mm，直徑2500m～3500m。由于疊裝工藝引起的誤差及冷、熱壓工藝造成的誤差，導(dǎo)致定子鐵心的垂直度誤差超出企業(yè)要求的技術(shù)指標(biāo)；如果完成疊裝后的定子鐵心的垂直度誤差超出技術(shù)指標(biāo)則需要拆卸矽鋼片重新進(jìn)行疊裝，這樣的后果是增大了工作量和成本，還可能延期交付產(chǎn)品引起一些商業(yè)紛爭(zhēng)，因此，定子鐵心的垂直度指標(biāo)對(duì)于發(fā)電機(jī)整體質(zhì)量是非常重要的參數(shù)。

目前，工廠的發(fā)電機(jī)定子鐵心垂直度測(cè)量方法大多采用傳統(tǒng)的鉛垂線(xiàn)方式，由工人手拿刻度尺測(cè)量鐵心外壁到鉛垂線(xiàn)的距離，測(cè)量幾個(gè)關(guān)鍵部位的數(shù)據(jù)，計(jì)算垂直度誤差，該方法受工廠環(huán)境和人為因素影響測(cè)量結(jié)果不夠準(zhǔn)確。隨著技術(shù)的發(fā)展以及對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量要求的提高，人工檢測(cè)已不能滿(mǎn)足鐵心的檢測(cè)要求，因此，需要通過(guò)一種智能檢測(cè)技術(shù)來(lái)代替人工檢測(cè)方法，提高測(cè)量精度和測(cè)量效率。由于定子鐵心疊裝工藝的復(fù)雜性且定子外形尺寸較大，目前市面上沒(méi)有現(xiàn)成的檢測(cè)設(shè)備來(lái)檢測(cè)鐵心的垂直度。因此，本文研制一套自動(dòng)測(cè)量定子鐵心垂直度測(cè)量的系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)定子鐵心垂直度的檢測(cè)。

本文介紹的定子鐵心垂直度檢測(cè)系統(tǒng)是自主研發(fā)的一套基于激光鉛垂線(xiàn)的垂直度光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)，系統(tǒng)中采用激光鉛垂線(xiàn)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鉛垂線(xiàn)，光電位置傳感器（PSD模塊）測(cè)量定子鐵心垂直度檢測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)值，通過(guò)垂直度評(píng)定軟件將采集到的坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，最終將發(fā)電機(jī)定子鐵心的垂直度在軟件界面中顯示，由于PSD模塊能夠得到二維坐標(biāo)值，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理還能計(jì)算出發(fā)電機(jī)定子背部齒槽的扭轉(zhuǎn)度。

1 垂直度檢測(cè)系統(tǒng)工作原理

1.1 PSD模塊的工作原理

本位檢測(cè)定子鐵心外壁母線(xiàn)與底部基準(zhǔn)面的垂直度誤差采用了PSD模塊，PSD模塊是一種新型的位置敏感探測(cè)元器件[3]，具有體積小、靈敏度高、線(xiàn)性范圍大、外圍電路簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)[4]，利用PSD模塊的激光探測(cè)和定位功能，PSD模塊內(nèi)部的光電系統(tǒng)將垂直度檢測(cè)點(diǎn)的激光光斑位置快速轉(zhuǎn)化為（x,y）二維坐標(biāo)值，根據(jù)發(fā)電機(jī)定子鐵心的垂直度技術(shù)指標(biāo)要求選擇PSD模塊的光敏區(qū)域尺寸20×20mm2，非線(xiàn)性度±0.3%，允許接收的激光最大功率10mV。

二維PSD模塊的結(jié)構(gòu)如圖1所示，圖中小正方形為光敏區(qū)域，X1，X2，Y1，Y2為四個(gè)電極，當(dāng)有入射光照射到光敏區(qū)域時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生橫向的光電效應(yīng)，四個(gè)電極X1，X2，Y1，Y2將有電流輸出，根據(jù)四個(gè)電極的電流大小可以計(jì)算出光斑物理重心在光敏區(qū)域的坐標(biāo)值（x，y），計(jì)算公式如式(1)和式(2)所示。

圖1 PSD模塊結(jié)構(gòu)圖

式中：Ix1，Ix2，Iy1，Iy2分別是從四個(gè)電極X1，X2，Y1，Y2輸出的電流大小；Lx為X軸的感光面長(zhǎng)度；LY為Y軸的感光面長(zhǎng)度。

1.2 PSD模塊精度標(biāo)定

對(duì)PSD模塊進(jìn)行了精度測(cè)試[5]，如圖2所示，在實(shí)驗(yàn)中采用的是激光器的功率為4mW，小于PSD模塊接收的最大功率值，對(duì)PSD模塊的坐標(biāo)原點(diǎn)（0，0）進(jìn)行位置標(biāo)定，最終的測(cè)試結(jié)果為（0.001，0.003），該測(cè)試結(jié)果表明由于PSD模塊造成的系統(tǒng)誤差為微米級(jí)，為了提高測(cè)量效率，減少誤差補(bǔ)償?shù)墓ぷ髁浚诖怪倍葴y(cè)量系統(tǒng)中可以忽略該誤差。

圖2 PSD模塊精度標(biāo)定實(shí)驗(yàn)

1.3 激光光源標(biāo)定方法選擇

在利用激光進(jìn)行垂直度測(cè)量時(shí)，提高系統(tǒng)測(cè)量精度最直接有效的方法就是提高PSD元件的分辨率，即增加點(diǎn)陣數(shù)，這種提高硬件分辨將增加項(xiàng)目成本，故通過(guò)軟件處理提高圖像的定位精度成為光學(xué)測(cè)量和圖像處理中的重要技術(shù)[6]，這就需要對(duì)激光的光斑中心位置進(jìn)行標(biāo)定。通過(guò)對(duì)光斑的標(biāo)定實(shí)驗(yàn)，確定激光光斑的中心位置理論位置與實(shí)際位置存在的偏差，最后進(jìn)行誤差補(bǔ)償，常見(jiàn)的激光光斑中心定位方法有形心法、重心法、高斯分布擬合、高斯累積擬合和橢圓擬合幾種[7]。根據(jù)項(xiàng)目中選擇的激光光束的特征，選擇高斯累積擬合方式實(shí)現(xiàn)激光光斑中心位置的標(biāo)定，避免了由于激光光源引起的測(cè)量誤差。

1.4 垂直度檢測(cè)硬件系統(tǒng)

垂直度檢測(cè)硬件部分主要由激光發(fā)生器、4個(gè)二維PSD模塊、單軸移動(dòng)滑臺(tái)、兩軸角度調(diào)整平臺(tái)、電子水平傳感器、數(shù)據(jù)采集卡及上位機(jī)組成，垂直度系統(tǒng)框圖如圖3所示。單軸移動(dòng)滑臺(tái)采用KXL06300-C2-F4型號(hào)，配有步進(jìn)電機(jī)和標(biāo)準(zhǔn)串口通訊接口，絲杠導(dǎo)程2mm，單向定位精度25μm，重復(fù)定位精度±0.5μm，直線(xiàn)度7μm，兩軸角度調(diào)整平臺(tái)采用KAW06100-L型號(hào)，使用交叉滾柱導(dǎo)軌實(shí)現(xiàn)兩軸角度調(diào)整，重復(fù)定位精度±0.005μm，高分辨率脈沖兩軸分別為0.002μm、0.0025μm。單軸移動(dòng)滑臺(tái)個(gè)兩軸角度調(diào)整平臺(tái)采用內(nèi)置的驅(qū)動(dòng)器控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制，保證了控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。數(shù)據(jù)采集卡選用NI USB6211采集卡，A/D精度為16位，采樣頻率250KS/s。

圖3 垂直度檢測(cè)硬件系統(tǒng)圖

垂直度檢測(cè)系統(tǒng)工作原理如圖4所示，根據(jù)發(fā)電機(jī)定子鐵心的外形結(jié)構(gòu)，以發(fā)電機(jī)定子鐵心背部的定位筋槽為基準(zhǔn)，固定安裝PSD模塊引出桿，在發(fā)電機(jī)定子鐵心高度方向安裝4個(gè)PSD模塊，激光光源安裝在單軸移動(dòng)滑臺(tái)上，移動(dòng)滑臺(tái)上安裝兩軸角度調(diào)整平臺(tái)及電子水平儀。通過(guò)上位機(jī)的單軸移動(dòng)滑臺(tái)控制軟件設(shè)定單軸移動(dòng)滑臺(tái)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，智能電子水平傳感器將測(cè)量的水平角度傳輸至兩軸角度調(diào)整平臺(tái)控制器，通過(guò)兩軸調(diào)整平臺(tái)的角度調(diào)整確保激光發(fā)生器發(fā)射的激光光束垂直向上，盡量減少因激光光束方向誤差導(dǎo)致垂直度測(cè)量精度下降。在測(cè)量過(guò)程中，單軸移動(dòng)平臺(tái)沿水平方向運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)激光的光點(diǎn)依次射入安裝在引出桿的PSD模塊中，在進(jìn)行垂直度誤差計(jì)算時(shí)，需要去除移動(dòng)平臺(tái)在水平方向的移動(dòng)量，移動(dòng)平臺(tái)的重復(fù)定位精度達(dá)到±0.005μm，定子鐵心垂直度精度要求是2.5mm/m，移動(dòng)平臺(tái)的定位精度引入的誤差可忽略不計(jì)。

圖4 垂直度檢測(cè)系統(tǒng)的工作原理圖

1.5 系統(tǒng)測(cè)量參數(shù)

由于PSD模塊能夠檢測(cè)出激光光束的X、Y坐標(biāo)值，傳統(tǒng)測(cè)量方法測(cè)量發(fā)電機(jī)外壁到鉛垂線(xiàn)的距離僅能得到一個(gè)數(shù)字值。二維坐標(biāo)經(jīng)過(guò)擬合能夠得到定子鐵心背部齒槽的扭轉(zhuǎn)度，扭轉(zhuǎn)度也是影響定子鐵心質(zhì)量的重要因素之一，而傳統(tǒng)的測(cè)量方法只能檢測(cè)一維坐標(biāo)值，只能擬合出垂直度的誤差曲線(xiàn)，不能檢測(cè)鐵心部位齒槽的扭轉(zhuǎn)度。

2 垂直度測(cè)量軟件系統(tǒng)

垂直度測(cè)量系統(tǒng)的軟件采用Labview軟件開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)的，界面如圖5所示，該界面將包含以下功能模塊：1）垂直度實(shí)時(shí)誤差值及擬合曲線(xiàn)、扭轉(zhuǎn)度實(shí)時(shí)誤差值及擬合曲線(xiàn)；2）每一個(gè)PSD模塊測(cè)量的X、Y坐標(biāo)值；3）垂直度、扭轉(zhuǎn)度的最大誤差及最大誤差的位置，如果最大誤差超過(guò)技術(shù)指標(biāo)，則最大偏差位置為修正工作提供指導(dǎo)方案；4）設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)及檢測(cè)指標(biāo)的報(bào)警信息。測(cè)量軟件的運(yùn)行流程如下：數(shù)據(jù)采集（測(cè)量點(diǎn)的X、Y坐標(biāo)值）——數(shù)據(jù)存儲(chǔ)——評(píng)定模型——曲線(xiàn)擬合——誤差補(bǔ)償——顯示垂直度、扭轉(zhuǎn)度誤差曲線(xiàn)及最終結(jié)果。

3 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建

圖5 軟件界面圖

為提高垂直度測(cè)量方案在工程實(shí)踐中應(yīng)用的系統(tǒng)穩(wěn)定性，實(shí)驗(yàn)室模擬定子鐵心的工作環(huán)境及定子鐵心外壁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并搭建了一個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，如圖6所示，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的三維模型與實(shí)物圖，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的高度1500mm（常規(guī)鐵心的高度約6000mm），實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上安裝PSD模塊支架的安裝尺寸是按照發(fā)電機(jī)鐵心外壁的安裝尺寸1：1設(shè)計(jì)，確保了設(shè)計(jì)方案驗(yàn)證實(shí)用性。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)一軸移動(dòng)平臺(tái)、二軸角度調(diào)整平臺(tái)、激光光源、PSD模塊、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，誤差評(píng)定模型及軟件系統(tǒng)進(jìn)行了系統(tǒng)聯(lián)調(diào)，所選的元器件的精度均能夠滿(mǎn)足發(fā)電機(jī)鐵心垂直度測(cè)量指標(biāo)的需求。由于試驗(yàn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)限制，設(shè)計(jì)的是整體結(jié)構(gòu)，而不是疊裝結(jié)構(gòu)，故不能對(duì)扭轉(zhuǎn)度測(cè)檢測(cè)功能進(jìn)行驗(yàn)證。

圖6 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)三維模型與實(shí)物圖

4 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的采用激光鉛垂線(xiàn)自動(dòng)測(cè)量定子鐵心垂直度測(cè)量系統(tǒng)代替了傳統(tǒng)的鉛垂線(xiàn)手工檢測(cè)方式，能夠提高定子鐵心垂直度檢測(cè)的效率和精度，同時(shí)，PSD模塊能夠測(cè)量激光光束的X、Y坐標(biāo)值，通過(guò)數(shù)據(jù)評(píng)定模型能夠得到定子鐵心的扭轉(zhuǎn)度誤差；文中設(shè)計(jì)的方案的垂直度測(cè)量已經(jīng)在搭建的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上得到了驗(yàn)證，該垂直度測(cè)量系統(tǒng)即將應(yīng)用于定子鐵心的現(xiàn)場(chǎng)制造中，提高發(fā)電機(jī)定子鐵心垂直度檢測(cè)的效率和精度，提高產(chǎn)品質(zhì)量，縮短供貨周期。