魏國(guó)家/沈陽鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)股份有限公司

三元葉輪在機(jī)測(cè)量技術(shù)研究

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針對(duì)工件在加工制造中，手工檢測(cè)和離線檢測(cè)存在的問題，提出對(duì)三元葉輪葉片型線進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和實(shí)時(shí)修正的在線測(cè)量方法。并以一個(gè)三元葉輪在線測(cè)量為例，將測(cè)量結(jié)果與三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，表明在線測(cè)量方法是一種快捷、有效和可行的方法。

在機(jī)測(cè)量；三元葉輪；觸發(fā)式測(cè)頭

0 引言

在機(jī)測(cè)量系統(tǒng)是隨著精密測(cè)量技術(shù)的發(fā)展而產(chǎn)生的。它將高精度觸發(fā)式測(cè)頭與加工中心緊密結(jié)合，利用機(jī)床的運(yùn)動(dòng)來帶動(dòng)測(cè)頭進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)工件加工質(zhì)量自動(dòng)測(cè)量。與傳統(tǒng)測(cè)量方式相比，在機(jī)測(cè)量方法精度高，可以節(jié)省二次裝夾找正的時(shí)間。同時(shí)，也可以在工序間對(duì)工件進(jìn)行測(cè)量，及時(shí)發(fā)現(xiàn)加工錯(cuò)誤，提高成品率。

1 在機(jī)測(cè)量與三坐標(biāo)儀測(cè)量對(duì)比的優(yōu)越性

傳統(tǒng)的測(cè)量技術(shù)是基于三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)（CMM）等檢測(cè)設(shè)備進(jìn)行的。其檢測(cè)過程是：首先將工件從機(jī)床的工作臺(tái)上卸下，安裝在CMM上進(jìn)行檢測(cè)，然后將檢測(cè)完的工件再放回機(jī)床。這樣，就要對(duì)工件進(jìn)行再一次裝夾和找正。對(duì)于像航空結(jié)構(gòu)件或者大型沖壓模具等工件來說，搬運(yùn)、移動(dòng)都非常困難。

在機(jī)測(cè)量技術(shù)是根據(jù)測(cè)量機(jī)的原理，以測(cè)頭作為傳感器，利用數(shù)控機(jī)床作為運(yùn)動(dòng)部件，控制測(cè)頭進(jìn)行測(cè)量，并將被測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)信息傳輸?shù)接?jì)算機(jī)上，通過數(shù)據(jù)處理獲得工件的加工余量和幾何尺寸信息。該技術(shù)是隨著數(shù)控機(jī)床，特別是加工中心的不斷普及而發(fā)展起來的一項(xiàng)新的檢測(cè)技術(shù)。這一技術(shù)克服了傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)的缺點(diǎn)，它可以在數(shù)控機(jī)床，特別在是多軸聯(lián)動(dòng)加工中心上，借助測(cè)頭裝置，完成對(duì)工件尺寸的測(cè)量。采用這一技術(shù)的最大優(yōu)點(diǎn)是，在加工的過程中就可以隨時(shí)停機(jī)檢查工件的質(zhì)量，同時(shí)，由于不需將工件搬運(yùn)到CMM上進(jìn)行檢測(cè)，因此，節(jié)約了時(shí)間，保證了加工精度，并能及時(shí)檢測(cè)出加工誤差，并快速修正。

2 在機(jī)測(cè)量系統(tǒng)的組成

數(shù)控機(jī)床的在機(jī)測(cè)量系統(tǒng)主要由以下幾部分組成[1]：

3 在機(jī)測(cè)量系統(tǒng)的工作原理

實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床的在機(jī)測(cè)量，首先要在計(jì)算機(jī)的在機(jī)測(cè)量軟件中自動(dòng)生成數(shù)控測(cè)量程序，程序中應(yīng)包括用于數(shù)控系統(tǒng)控制測(cè)頭啟動(dòng)與關(guān)閉的M代碼及用于數(shù)控系統(tǒng)控制測(cè)頭測(cè)量目標(biāo)點(diǎn)的G代碼，然后將檢測(cè)程序由通信接口傳輸給數(shù)控機(jī)床。數(shù)控系統(tǒng)按照接收到的數(shù)控程序啟動(dòng)測(cè)頭并控制測(cè)頭按程序規(guī)定路徑運(yùn)動(dòng)，當(dāng)測(cè)頭接觸工件時(shí)發(fā)出觸發(fā)信號(hào)，通過測(cè)頭與數(shù)控系統(tǒng)的專用接口將觸發(fā)信號(hào)傳到轉(zhuǎn)換器，并將觸發(fā)信號(hào)轉(zhuǎn)換后傳給機(jī)床的控制系統(tǒng)，該點(diǎn)的坐標(biāo)被記錄下來。信號(hào)被CNC裝置接收后，機(jī)床停止運(yùn)動(dòng)，測(cè)量點(diǎn)的坐標(biāo)被保存到指定目錄下的文件中，然后進(jìn)行下一個(gè)測(cè)量動(dòng)作直到所有測(cè)量任務(wù)完成。然后，數(shù)控系統(tǒng)將保存的測(cè)量點(diǎn)坐標(biāo)信息文件通過通信接口傳送給用戶計(jì)算機(jī)。用戶計(jì)算機(jī)通過監(jiān)測(cè)CNC系統(tǒng)返回的測(cè)量值，可對(duì)系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行誤差補(bǔ)償、誤差評(píng)定、評(píng)定結(jié)果的可視化輸出及生成誤差評(píng)定報(bào)告等[2]。

4 三元葉輪簡(jiǎn)介

三元葉輪是一類具有代表性且造型比較規(guī)范的和典型的通道類復(fù)雜零件，它在能源動(dòng)力、航空航天、石油化工以及冶金等行業(yè)中均有廣泛應(yīng)用。三元葉輪葉片形式分為直紋面和自由曲面。直紋面是由一條直線連續(xù)運(yùn)動(dòng)所生成的曲面，它可以由方程式表達(dá)出來；自由曲面形式的葉片沒有嚴(yán)格的數(shù)學(xué)公式表達(dá)，它是設(shè)計(jì)人員根據(jù)氣體動(dòng)力學(xué)原理，通過大量計(jì)算，得出葉片吸力面和壓力面上的離散數(shù)據(jù)點(diǎn)。但是不論是哪種葉片曲面形式，它的葉輪幾何構(gòu)造都分為葉片壓力面、吸力面、蓋盤線、軸盤線、圓頭、輪轂和葉片根部圓角這幾個(gè)部分組成[3]，見圖1。

圖1 三元葉輪的結(jié)構(gòu)圖

5 觸發(fā)式測(cè)頭的標(biāo)定

大多數(shù)的在機(jī)測(cè)量過程，是借助觸發(fā)式測(cè)頭來實(shí)現(xiàn)的。觸發(fā)式測(cè)頭的工作原理是：在測(cè)頭內(nèi)部有一個(gè)閉合的有源電路，該電路與一個(gè)特殊的觸發(fā)機(jī)構(gòu)相連接，只要觸發(fā)機(jī)構(gòu)產(chǎn)生觸發(fā)動(dòng)作，就會(huì)引起電路狀態(tài)變化并發(fā)出聲光信號(hào)，指示測(cè)頭的工作狀態(tài)；觸發(fā)機(jī)構(gòu)產(chǎn)生觸發(fā)動(dòng)作的唯一條件是測(cè)頭的測(cè)針產(chǎn)生微小的擺動(dòng)或向測(cè)頭內(nèi)部移動(dòng)，當(dāng)測(cè)頭連接在機(jī)床主軸上并隨主軸移動(dòng)時(shí)，只要測(cè)針上的觸頭在任意方向與工件表面接觸，使測(cè)針產(chǎn)生微小的擺動(dòng)或移動(dòng)，都會(huì)立即導(dǎo)致測(cè)頭產(chǎn)生聲光信號(hào)，指明其工作狀態(tài)[4]。

對(duì)于測(cè)頭而言，必須在首次及以后的應(yīng)用中定期確定每一個(gè)測(cè)頭安裝的特性，這種特性確定過程，在業(yè)內(nèi)通常被稱為測(cè)頭標(biāo)定。測(cè)頭經(jīng)過標(biāo)定后，可得到測(cè)針的測(cè)球補(bǔ)償直徑。正確標(biāo)定測(cè)頭非常重要，因?yàn)樗泻罄m(xù)測(cè)量都基于此處建立的數(shù)值，引入的任何誤差只有在系統(tǒng)重新標(biāo)定后才能消除。特別是在以下情況下，必須對(duì)測(cè)頭進(jìn)行標(biāo)定：

第一次使用測(cè)頭時(shí)；測(cè)頭上安裝新的測(cè)桿時(shí)；懷疑測(cè)針變形或測(cè)頭發(fā)生碰撞時(shí)；定期補(bǔ)償機(jī)床的機(jī)械變化時(shí)；信號(hào)接收裝置延時(shí)發(fā)生變化時(shí)；需要在各個(gè)方向上進(jìn)行高精度測(cè)量時(shí)。

測(cè)頭標(biāo)定的方法有很多，常用的標(biāo)定工具有標(biāo)準(zhǔn)孔、標(biāo)準(zhǔn)環(huán)規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)球。以標(biāo)準(zhǔn)球?yàn)槔瑯?biāo)定的大致過程是，將標(biāo)準(zhǔn)球（標(biāo)準(zhǔn)球的直徑在出廠時(shí)已被校準(zhǔn)）固定在機(jī)床工作臺(tái)上，讓測(cè)頭的測(cè)球從不同的方向分別測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)球，系統(tǒng)軟件按照每次測(cè)量時(shí)的坐標(biāo)值計(jì)算出測(cè)頭的等效半徑和球心位置，機(jī)床存儲(chǔ)這些數(shù)據(jù)用于后續(xù)的測(cè)量。

本文使用的Renishaw OMP60測(cè)頭的測(cè)球直徑為6mm，使用標(biāo)準(zhǔn)球?yàn)闃?biāo)定工具進(jìn)行標(biāo)定實(shí)驗(yàn)。標(biāo)準(zhǔn)球的直徑為25.401 6mm，精度為0.226 μm。

讓寶寶參與買菜、擇菜、做飯，不管他能做多少，只要參與了，就會(huì)想吃吃自己買的菜、做的飯。只要寶寶開始“享受吃飯”，就會(huì)吃得認(rèn)真、吃得快。

在標(biāo)定之前，首先對(duì)測(cè)針進(jìn)行對(duì)中調(diào)整（見圖2），使測(cè)球中心與主軸回轉(zhuǎn)中心對(duì)齊。使用低測(cè)力千分表，讓表的球尖與測(cè)頭的測(cè)球輕輕接觸，調(diào)整千分表歸零，然后緩慢旋轉(zhuǎn)機(jī)床主軸，并觀察千分表上表針的變化情況，最后通過調(diào)整測(cè)頭上的一系列螺釘來降低測(cè)球的偏心程度。不斷重復(fù)上述步驟，使測(cè)針偏心程度在±2.5μm左右。

圖2 觸發(fā)式測(cè)頭的對(duì)中調(diào)整圖

對(duì)中調(diào)整結(jié)束后對(duì)測(cè)頭進(jìn)行手動(dòng)標(biāo)定。手動(dòng)控制測(cè)頭，在測(cè)頭上測(cè)量5個(gè)點(diǎn)，其中，1個(gè)點(diǎn)大致位于球的頂部，其余4點(diǎn)大致位于球的中部。表1為5點(diǎn)標(biāo)定時(shí)測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)球得到的數(shù)據(jù)，按上述計(jì)算方法得到的測(cè)頭等效半徑為2.987 8mm，標(biāo)準(zhǔn)球的球心坐標(biāo)為（-45.512 5，-7.368 3，64.342 2），擬合標(biāo)準(zhǔn)差為σst=0.016。

將標(biāo)準(zhǔn)球在工作臺(tái)上移動(dòng)一個(gè)位置，按照上述測(cè)點(diǎn)方案重新測(cè)量，所得數(shù)據(jù)見表2。計(jì)算求得測(cè)頭等效半徑為2.989 3mm，標(biāo)準(zhǔn)球的球心坐標(biāo)為（5.040 2，-29.476 2，67.483 8），擬合標(biāo)準(zhǔn)差為σst=0.014。

表1 測(cè)量數(shù)據(jù)表1

表2 測(cè)量數(shù)據(jù)表2

在得到測(cè)頭的工作半徑之后，可將該數(shù)值儲(chǔ)存在數(shù)控機(jī)床中，用于接下來的測(cè)量進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償。

6 三元葉輪在機(jī)測(cè)量實(shí)例

6.1 測(cè)量點(diǎn)的選取

本課題測(cè)量實(shí)例所選用的葉輪（見圖3）是一種三元半開式葉輪，最大外徑為1 035mm，葉片形式為直紋面，葉片數(shù)13個(gè)，圓周均布，其葉片進(jìn)口高度為237mm，出口高度為80.8mm。被測(cè)量為其中一個(gè)葉片上的10個(gè)點(diǎn)。通過這些點(diǎn)的測(cè)量坐標(biāo)與理論坐標(biāo)的對(duì)比，來判斷每個(gè)點(diǎn)的加工情況。由于實(shí)驗(yàn)中所用測(cè)頭測(cè)針的長(zhǎng)度僅有50mm，因此，為避免干涉，取點(diǎn)時(shí)選擇盡量靠近葉片蓋盤線的點(diǎn)。具體方法是，在葉片上取V方向0.25的等參數(shù)線，然后在該曲線U方向從0.05～0.95范圍內(nèi)均勻取10個(gè)點(diǎn)，見圖4。測(cè)量點(diǎn)坐標(biāo)值見表3。

圖3 三元葉輪圖

圖4 待測(cè)點(diǎn)圖

6.2 測(cè)量程序的編寫

目前，在機(jī)測(cè)量的實(shí)際應(yīng)用方面，國(guó)外很多軟件商都開發(fā)出了機(jī)床在線或在機(jī)測(cè)量系統(tǒng)。本文使用PowerINSPECT軟件進(jìn)行葉輪在機(jī)測(cè)量的編程。

測(cè)量程序和加工的程序類似，它描述的是測(cè)頭的運(yùn)動(dòng)路徑和測(cè)量循環(huán)的過程。首先將帶有待測(cè)點(diǎn)的葉輪模型保存為IGS格式，導(dǎo)入該軟件中，然后設(shè)置測(cè)量過程的坐標(biāo)系。由于加工與檢測(cè)都在同一機(jī)床上進(jìn)行，因此，測(cè)量過程的坐標(biāo)系應(yīng)與加工時(shí)的坐標(biāo)系保持一致。

表3 待測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)值表

該軟件對(duì)測(cè)量路徑的規(guī)劃有多種解決方案可供選擇，如最佳路徑法、安全平面法、最佳多軸路徑法和Z向安全距離法等。最佳路徑法適用于外形規(guī)則的工件，此類工件可能產(chǎn)生碰撞的幾率非常低，采用最佳路徑法可以提高測(cè)量效率。如果工件外形較為復(fù)雜，測(cè)量空間較小，可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行選擇。例如，Z向安全距離法是在每次測(cè)量后將測(cè)頭沿Z軸提升到一個(gè)安全高度。另外，測(cè)頭的測(cè)量方向必須是被測(cè)點(diǎn)的法向矢量方向。當(dāng)完成所有測(cè)量點(diǎn)測(cè)量路徑的規(guī)劃后，必須進(jìn)行模擬仿真，以免出現(xiàn)測(cè)頭與工件發(fā)生干涉的情況。

在確認(rèn)仿真過程準(zhǔn)確無誤后，可以生成測(cè)量程序。這里需要注意的是，程序的輸出格式要選擇為NC程序+刀位文件，輸出測(cè)頭的位置要選為測(cè)頭接觸點(diǎn)，并選擇相應(yīng)機(jī)床的后置處理文件。

6.3 測(cè)量結(jié)果分析

葉輪加工完成后，無需拆卸，導(dǎo)入測(cè)量程序，即可實(shí)現(xiàn)在機(jī)測(cè)量。測(cè)量結(jié)束后，在機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)中會(huì)生成一個(gè).msr格式的文件，將該文件從機(jī)床中拷貝出來，導(dǎo)入至PowerINSPCT軟件中，可以得到被測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)值和偏差分析，并可以生成詳細(xì)的可視化報(bào)告，如圖5所示。

圖5 可視化報(bào)告圖

葉片的曲面與一般規(guī)則的幾何形狀不同，它不能用有限的參數(shù)給出精確的定義。因此，在評(píng)價(jià)其加工精度時(shí)也存在一定的問題。在理想狀態(tài)下，被測(cè)點(diǎn)的數(shù)目無限逼近曲面區(qū)域時(shí)，檢測(cè)的效果是最優(yōu)的。但檢測(cè)的數(shù)目越多，檢測(cè)所花費(fèi)的時(shí)間就越多，成本也就越高。所以，在實(shí)際工程應(yīng)用中，檢測(cè)點(diǎn)的個(gè)數(shù)一般取權(quán)衡的經(jīng)驗(yàn)值[5]。

6.4 在機(jī)測(cè)量與三坐標(biāo)儀測(cè)量的精度對(duì)比

為驗(yàn)證測(cè)量結(jié)果的可信程度，將該葉輪從機(jī)床卸下，轉(zhuǎn)至三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)進(jìn)行測(cè)量，并與之前的測(cè)量結(jié)果對(duì)比，如圖6所示，灰色曲線為各點(diǎn)的三坐標(biāo)測(cè)量值與理論值的偏差，黑色點(diǎn)為各點(diǎn)的在機(jī)測(cè)量值與理論值的偏差。結(jié)果表明，雖然在機(jī)測(cè)量系統(tǒng)與三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的檢測(cè)數(shù)據(jù)存在一定差距，但基本接近，說明本文所使用的測(cè)量方法是有效的、可行的。

圖6 實(shí)測(cè)值與三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)量數(shù)據(jù)的比較圖

7 結(jié)論

離心壓縮機(jī)的三元葉輪在加工完成后，通常采用手工檢測(cè)或離線（三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)）檢測(cè)。手工檢測(cè)效率低，受人為因素影響大，而離線檢測(cè)則存在工件搬運(yùn)、機(jī)床停機(jī)和測(cè)量后重新裝夾找正等問題。本文針對(duì)上述問題，以加工中心、觸發(fā)式測(cè)頭及專用測(cè)量軟件為主要軟、硬件，提出了一種在加工中心上直接對(duì)葉輪進(jìn)行測(cè)量的在機(jī)測(cè)量方法，并以一個(gè)三元葉輪為例，用在機(jī)測(cè)量軟件編寫測(cè)量程序，進(jìn)行實(shí)際測(cè)量，將測(cè)量結(jié)果與三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。不可否認(rèn)，在機(jī)測(cè)量的精度要比三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的精度低，但是，在工程實(shí)踐領(lǐng)域中，在滿足精度要求的情況下，在機(jī)測(cè)量方法不失為一種快捷、有效和可行的方法。

[1]靳宣強(qiáng)，姜秀麗，胡禎.淺析數(shù)控機(jī)床在線檢測(cè)技術(shù)[J].現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備，2009（3）：40-41.

[2]王文超.數(shù)控加工中心在機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)[D].大連：大連海事大學(xué)，2010.

[3]魏國(guó)家，裴立群，雍建華，等.開式三元葉輪高效率數(shù)控粗加工策略[J].風(fēng)機(jī)技術(shù)，2012（1）：48-50.

[4]盛伯浩，楊曉軍，華玉亮.提高觸發(fā)式測(cè)頭在機(jī)檢測(cè)精度[J].制造技術(shù)與機(jī)床，1997（9）：21-23，54.

[5]諸進(jìn)才.面向曲面零件的加工精度在線檢測(cè)技術(shù)研究與系統(tǒng)開發(fā)[D].廣州：廣東工業(yè)大學(xué)，2008.

Study of On-machine Measurement Technique of Three Dimensional Impeller

Wei Guojia/Shenyang Blower Works Group Corporation

Aiming at the problems of manual and off-line measurement existing in the processing and manufacturing of workpiece,the on-line measurement method for on-line monitoring and real-timemodifying the 3D impeller blade profile is pointed out in this paper.Set a 3D impeller on-line measurement as example,compared with the measuring results obtained by CMM,it is indicated that the on-line measurement method is rapid,effectiveand feasible.

on-machine measurement; three-dimensional impeller;touch trigger probe

TH432.1；TK05

A

1006-8155（2015）04-0064-05

10.16492/j.fjjs.2015.04.092

2014-12-20遼寧沈陽110869