激光測距儀加工水輪機底環的應用*

王福磊，李金軍，王 偉，胡 平，王強

(國網甘肅劉家峽水電廠，甘肅 永靖 731600)

0 引 言

激光測距儀(laser rangefinder)是使用光電原理測量物體位置發生變化并以數字或模擬信號將測量結果輸出的組件，又稱激光位移傳感器(the laser displacement sensor)。它可以遠離被測體，避免被碰壞和被測體熱輻射而影響到測量精度，不僅可測量非常小面積并有較遠的測量間距和測量范圍。與超聲波式測距儀比較，激光測距儀有測量精度高，穩定性好等優點。近幾年來國內對于激光測距儀應用廣泛，逐漸成為光電非接觸檢測產品的主流，在國外也較為普遍使用非接觸式的測量方式進行高精度的檢測[1-4]。國內水輪機大型過流部件加工時，需要精確測量工件在機床上的相對坐標位置，目前通常采用百分表進行找正測量，其存在測量精度低、效率低、失誤率高的問題。筆者根據底環加工找正中要求將底環的整個圓周上的不同區域調整出高低不同數值點的難題，通過應用激光測距儀，探討其解決方式，可在加工中有效提高測量效率及準確性，解決百分表接觸式測量容易受到外界條件干擾造成測量不準的問題，達到不受現場因素干擾、快速準確完成位置找正的目的。

1 問題及技術難點

國網甘肅劉家峽水電廠在每年的機組擴修工作中，需要進行底環下抗磨板表面車削加工。底環下抗磨板表面的車削量，是根據上、下抗磨板之間的距離確定的。如圖1，上抗磨板安裝在頂蓋，下抗磨板安裝在底環上，先測量上、下抗磨板之間的距離d，再測量導葉葉身的長度b，加上導葉端面的間隙：上端面間隙0.6 mm，下端面間隙0.4 mm，就可以計算出底環上表面加工余量x：

x= (b+ 0.4 + 0.6 )-d

圖1 導葉和頂蓋、底環裝配圖

由于受到一系列累計誤差的影響(如：上、下抗磨板加工精度、上、下抗磨板螺栓壓緊程度、頂蓋和底環安裝精度、導葉葉身加工精度等)，上、下抗磨板之間的距離并不是一個確定的值[5]。如表1，上下抗距離(1125+)最大值13.4，最小值12.17，均值12.8，其值在±0.6 mm左右波動，這就造成了底環表面48塊抗磨板放入加工余量各不相同，有的相鄰兩塊抗磨板加工余量相差0.5 mm左右。

表1 底環下抗磨板加工計算表

需要根據不同的加工余量，將底環圓周上的不同位置調整出不同的高低點，來確保加工時不同的車削量[6]。這給找正工作帶來了很大困難。雖然底環由于尺寸長度大，具有一定的撓度，但是如果超過了材料的屈服極限，找正工作則無法完成。建議取加工余量x的最大值，來保證導葉上、下端面間隙足夠，或者取允許范圍內的較大值，使導葉端面間隙在允差范圍內。目前，國內機械加工在找正水平、同心等位置精度時一般使用百分表測量。這樣的接觸式測量具有許多弊端，人為碰觸和機械震動都會影響測量精度、必須在工件靜止時測量、移動下一個測點時表頭需要提起以躲避粗糙表面及障礙物、如果碰撞百分表使基準變動則造成重復作業，浪費時間。采用激光測距儀器進行大型工件加工的找正測量，可實現高精度非接觸測量，保證測量數據準確可靠，提高找正測量的效率，確保工件加工質量。

2 激光測距儀工作原理及實現方法

2.1 激光測距儀工作原理

目前激光測距儀最大測量起始位置可以達到1 m左右，測量范圍±200 mm，如圖2。目前，國際市場以德國史克公司(SICK)、英國的真尚有、日本的基恩士(KYENCE)、歐姆龍(OMRON)公司為代表的激光非接觸檢測儀器制造商。以基恩士激光測距儀為例，具有數據存儲功能，可以通過PC實時顯示，并提取存儲在LK-G內部儲存器中的數據，在控制軟件中讀取測量值以及擴展其他數據分析功能[2]。

圖2 激光測距儀的類型圖

在測量不規則和粗糙表面時，由于光的多重反射會產生許多的峰值，MRC算法會把這些波形與最新的接受光波進行比較，然后決定一個與“正確波形”最為相似的波形，保證測量正確性。對工作環境適應性強，只要鏡頭不沾到水和油，就不影響測量精度。在進行底環找正測量時，由于表面比較粗糙，可選擇寬光點型，具有極高的檢測穩定性[1]。

2.2 實現方法

加工底環下抗磨板，必須先根據加工余量x確定找正數據。在現場的工作條件下使用百分表找正測量具有以下難點：①需要將百分表指針靜止在被測點才能讀數，因為找正精度要求≤0.05 mm，如果被測點位置錯差幾個毫米就會影響精度[3]。8 m立車在慣性的影響下很難使百分表測頭準確停在被測點的位置上，幾毫米的距離很容易移過量，需要反復點動找準位置，浪費了大量時間；②底環屬于多孔、坑工件，移動到下一個測點時，需要提起百分表頭躲避不平表面，操作中多次提起表頭，效率低；③百分表的測量精度在0.01 mm，讀數困難，而且如果在測量時稍微碰撞百分表，則不能保證測量準確性，必須返工重測，在測量48個被測點時，重復作業工作量大。針對以上難點，采用激光測量傳感器實現非接觸測量，使測量、讀數過程連續且自動化，能提高找正測量的精確性和工作效率。

2.2.1 裝置選型

從現場測量工作的需求出發，考慮操作便捷，根據圖3所示的激光測距儀類型，可選用多用途激光測距儀，測量范圍65～95 mm，精度能達到0.001 mm，滿足底環加工找正要求。

2.2.2 實施過程

如圖3所示，激光測距儀穩固地安裝在磁力座，磁力座吸附在刀架上，光斑射在下抗磨板的測點上，可以連續測量讀數，轉動到測點位置時只需要將8米立車速度調慢，記錄讀數即可。顯示屏不受現場光源的影響，可遠距離清晰讀出測量的數值，測量一組48個數據從40 min改進為10 min，能夠快速精確找正底環位置。

圖3 激光測距儀測量底環工裝示意圖

3 結 語

國網甘肅劉家峽水電廠在每年的機組擴修工作中，此實踐提高了找正測量的效率和可靠性，提前1天完成加工，縮短機組檢修工期24 h，創造直接經濟效益62.4萬元。激光測距儀具有結構小巧、測量速度快、精度高(0.001 mm)、非接觸測量、抗干擾能力強的優點，能夠不接觸底環表面，不停止機床轉動，連續測量并快速讀取數值，不受被測表面的影響，數倍提升了底環找正測量工作效率。