基于智能檢測技術精確高效測量葉輪葉片*

□ 喻彩麗

浙江科技學院 機械與能源工程學院 杭州 310023

大型精密葉輪葉片在航空、船舶、發電、風力發電等行業得到廣泛應用,其品質優劣將直接影響發動機的質量和能量輸出。如何提高精密葉輪葉片的加工精度,是目前需要解決的關鍵問題。筆者針對復雜形狀的葉輪葉片類零件,基于智能檢測技術,通過三坐標測量系統硬軟件技術、探測技術和附件技術的應用,實現精確高效測量[1]。在研究中,對葉輪葉片測量點數據進行采集處理和誤差分析,形成有效的加工數據,進而提高葉輪葉片的加工質量。

1 三坐標測量設備的應用

在智能檢測中,探測系統的選擇與優化非常重要。好的路徑規劃可以節省時間,既能快速、高效、精確地完成檢測任務,又能快速匯總零件表面的加工信息。

三坐標測量機的工作效率、精度與探測系統密切相關[2],三坐標測量機測頭的精度在很大程度上決定了測量精度。測頭按結構原理可以分為機械式、電子式、光學式,按測量方法則可以分為接觸式與非接觸式[3],接觸式又有觸發式和掃描式兩種測量方法。接觸式掃描測頭的信號是模擬信號,內部有三維傳感器,能夠感知測頭在三個方向上的位置變化,采集量大,精度高,因此在智能檢測中得到廣泛應用。這種測頭能夠自動獲取測量點的法向矢量,可以根據已有的測量軌跡推算下一個測量點的位置、切向矢量,以及后續測量點的密度[4]。筆者采用安裝在自動雙旋轉測頭座上的接觸式掃描測頭,對精密復雜葉輪葉片進行數字化檢測。自動雙旋轉測頭座如圖1所示。

▲圖1 自動雙旋轉測頭座

由于葉輪葉片表面空間具有復雜性,三坐標測量機自身的X軸、Y軸、Z軸三個方向不能滿足檢測要求,因此必須采用具有空間旋轉功能的探測系統。自動雙旋轉測頭座擁有A軸、B軸兩個轉動方向,內部有兩個微型電機,用于驅動測頭座旋轉。A軸旋轉角度為0°～105°,B軸旋轉角度為-180°～+180°,A軸、B軸方向的旋轉角度步長都是15°。

2 測頭空間姿態優化

針對精密葉輪葉片類零件的測量,自適應測量系統通過對葉輪葉片進行形狀分析[5],獲得整個曲面的形狀信息。由于表面形狀復雜,因此需要對測頭空間姿態進行優化,使測量線沿法向矢量方向。

在檢測過程中,由于葉輪葉片的方向不同,在測量時要轉換測頭角度。自動雙旋轉測頭座在A軸、B軸兩個方向的旋轉角度分別為θ和φ[6]。

根據葉輪葉片表面幾何性質,將葉輪葉片表面看作近似圓錐面,A軸旋轉角度θ與近似圓錐面頂角β為互余關系,如圖2所示。

▲圖2 角度分析

應用三坐標測量機在葉輪葉片表面測量八個特征點,采用測量軟件元素組合功能構建圓錐體,構建圓錐體組合元素界面如圖3所示。由生成的圓錐體可以得到錐體頂點坐標和圓錐面頂角β,則A軸旋轉角度θ為90°-β。

▲圖3 構建圓錐體組合元素界面

B軸旋轉角度φ和葉輪葉片上每一點處的法向矢量與測量坐標系Z軸形成的夾角一致,葉輪葉片上這些點的法向矢量與Z軸夾角的平均數即為B軸的旋轉角度φ。通過對測頭旋轉角度進行優化計算,可以完成精密葉輪葉片在測量過程中測頭空間姿態的優化控制。

3 葉輪葉片智慧裝夾

在智能制造領域,機器部件復雜化、多樣化成為新的發展趨勢,與此同時,對復雜零部件的精度要求也越來越高[7]。為使葉輪葉片等復雜曲面零件達到較高或超高的檢測精度要求,葉輪葉片的裝夾方式及檢測姿位設計成為提高檢測效率和檢測精度的重要手段。通過應用葉輪葉片智慧裝夾系統,可以達到精確高效測量葉輪葉片的目的。

葉輪葉片智慧裝夾系統主要由虛擬仿真軟件、定位裝置、夾緊機構、支撐部件、調節機構、連接系統等組成。由虛擬仿真軟件在數字化柔性夾具庫中選取相應的夾具模塊,實現優化組合,完成最佳裝夾,并編輯形成夾具編碼程序,實現數字化柔性裝夾設計與數字化檢測集成。葉輪葉片智慧裝夾系統原理如圖4所示。

▲圖4 葉輪葉片智慧裝夾系統原理

應用先進的葉輪葉片智慧裝夾系統,實現與現有三坐標測量系統的整合與優化,達到葉輪葉片送檢傳輸、三坐標測量機上下料及檢測后葉輪葉片分流等全部過程自動化。葉輪葉片自動檢測過程如圖5所示。

▲圖5 葉輪葉片自動檢測過程

4 葉輪葉片曲面測點與路徑優化

在具有接觸式掃描測頭的三坐標測量機上進行自由曲面的測量,自適應測量沿一個方向進行,這一方向與曲面的交線稱為測量線。測量的實質是由已知測點求取未知測點。

函數f(x)對應于待測量的曲線,x的自變量。對于函數f(x),x∈[a,b],已知點集{xi,zi},i=0,1,…,k,a≤x0≤x1≤…≤xk≤b,這些點以一定精度η位于函數f(x)上。給定誤差ε,得到點集{xj,zj},j=k,k+1,k+2,…,k+m,a≤xk≤xk+1≤…≤xk+m≤b。在m足夠小的情況下,這些點集的曲線函數F(x)滿足F(x)-f(x)<ε。具體而言,函數f(x)對應于待測量的曲線,(xj,zj)是實測值,f(xi)是真實值,xi是測量位置,|xk+1-xk|是X軸方向的測量步長。在滿足逼近ε的前提下,測量點數k+m盡量少,這樣可以應用插值預測的方法來實現自適應測量。

例如,得到兩測點(F(xk-1),xk-1),(F(xk),xk),進行第k+1步測量,測量步長sk記為xk+1-xk,測頭預測點高度為h,測點分布如圖6所示。測點(F(xk-1),xk-1),(F(xk),xk)的插值函數為:

(1)

▲圖6 測點分布

測量位移xk+1為xk+sk,預測點位置為(xk+1,F(xk+1))。

這樣,基于優化原理,采用插值法自適應測量,就可以實現對任何平滑曲面進行預測和檢測。

對葉輪葉片進行自適應測量時,由一個個單測點形成待測曲面,測量過程同時也是曲面的識別過程[8],測點的移動軌跡可能并不局限于直線掃描方式。根據曲面形狀,可以推算出最合適的下一測點,這一測點和之前的測點并不一定在同一直線上。采用這種方法將擬合成的曲面作為優化目標[9],同時調整測量點位置及測點密度,可以提高測量效率。測頭移動的軌跡方向、曲率變化與葉輪葉片表面的邊界線走勢及其曲率變化相聯系,葉輪葉片檢測界面如圖7所示。通過自適應測量方法,可以實現葉輪葉片檢測過程中三坐標測量機精度與距離相互的最優狀態,使測量路徑得到優化。

▲圖7 葉輪葉片檢測界面

5 葉輪葉片曲面擬合分析

葉輪葉片所形成的曲面是二次曲面,二次曲面方程的一般形式為:

z=ax2+by2+cxy+dx+ey+f

(2)

式中：x、y、z依次為葉輪葉片曲面在X軸、Y軸、Z軸上的自變量;a、b、c、d、e為參數;f為常數項。

葉輪葉片測量采樣點如圖8所示。

▲圖8 葉輪葉片測量采樣點

將位置1和位置2的測量坐標值分別代入式(2),得到:

(3)

(4)

式中:(x1p,y1p,z1p)為位置1對應的各采樣點坐標;(x2p,y2p,z2p)為位置2對應的各采樣點坐標;a1、b1、c1、d1、e1、a2、b2、c2、d2、e2為參數;f1、f2為常數項。

應用最小二乘法,分別求解出a1、b1、c1、d1、e1、f1和a2、b2、c2、d2、e2、f2各值,由曲面方程確定葉輪葉片采樣點位置。

由測量數據擬合成自由曲面,最終目的為對葉輪葉片進行加工,這樣需要對測量過程到加工過程的誤差進行分析和控制[10]。加工曲面的誤差δ為:

(5)

式中:(xpo,ypo,zpo)為理論坐標;(xp,yp,zp)為三坐標測量機實測點的坐標。

通過測量數據的有效判斷及測量過程生成的信息,可以直接產生有效的葉輪葉片數控曲面加工數據。

6 結束語

筆者通過研究,基于智能檢測技術實現了對葉輪葉片各種特征參數的高效、靈活、準確測量。目前,對于大部分單個葉輪葉片,都是一片片裝在標準槽盤上進行測量的,而隨著數控加工技術水平的提高,部分整體葉盤已經通過精鑄或五軸數控機床一次性加工成型,對此,進行整體葉盤葉片的智能測量將成為后續研究的重點。