基于三坐標(biāo)測量機(jī)的葉片快速檢測方法
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鐘國堅
（閩西職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建 龍巖 360014）
摘要：介紹了一種利用三坐標(biāo)測量機(jī)的強(qiáng)通用性和快速檢測的穩(wěn)定性，巧妙結(jié)合脫機(jī)編程軟件，并借助胎具輔助裝置快速檢測葉片的方法，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜型面的自動化檢測和誤差評定，同時很好地保證了數(shù)據(jù)的完整性和準(zhǔn)確性。這種檢測方法快速高效地解決了一些傳統(tǒng)的測量問題，將會在未來曲面制造檢測中得到廣泛應(yīng)用。
關(guān)鍵詞：三坐標(biāo)測量機(jī)；葉片；快速創(chuàng)新檢測；誤差評定 中圖分類號：TP3 91.7
0 引言
轉(zhuǎn)輪是水輪機(jī)的核心部件，葉片又是轉(zhuǎn)輪的“心臟”，葉片的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，加工及質(zhì)量檢測也比較困難，其加工質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到水能轉(zhuǎn)換為電能的效率。逆向反求得到的實(shí)體模型不僅可用于葉片五軸聯(lián)動數(shù)控加工，也可為水輪機(jī)葉片數(shù)控加工后的檢測和維修等工作提供依據(jù)。本文以某企業(yè)逆向反求設(shè)計生產(chǎn)的混流式水輪機(jī)葉片為依據(jù)，通過分析實(shí)際加工生產(chǎn)的葉片結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和加工方法，確定了快速的外觀質(zhì)量檢測方案，利用三坐標(biāo)測量機(jī)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜型面高效、準(zhǔn)確的檢測和誤差評定。
1 測量方法的對比選擇
1.1 常規(guī)檢測方法的不足
(1)由于葉片是復(fù)雜型面且不規(guī)則，無法很好地找到可以與數(shù)模坐標(biāo)系進(jìn)行擬合的坐標(biāo)系元素（點(diǎn)、線、面），假如采用迭代法來擬合坐標(biāo)系，葉片上也幾乎沒有相互垂直的元素，不能很好地保證零件與數(shù)模坐標(biāo)系完全一致，對后續(xù)檢測也沒有多大意義。
(2)測量結(jié)果最終以點(diǎn)的形式輸出表示，由于測量時的觸測矢量與標(biāo)準(zhǔn)矢量不一致會導(dǎo)致產(chǎn)生余弦誤差，特別是在曲率變化大的部位測量誤差更大，測量數(shù)據(jù)更不可靠。
(3)為了保證測頭移動時不發(fā)生干涉，每測量一個葉片需要多次更換測頭角度，且每次更換測頭角度都要重新校驗(yàn)，浪費(fèi)了很多準(zhǔn)備工作時間。
(4)如果坐標(biāo)系迭代成功，由于在檢測葉頂線位置時邊緣較小，因此PC-DMIS自動獲取點(diǎn)比較不容易，給檢測帶來一定的難度。
1.2 本案測量方法
本案測量葉片時，先把葉片裝夾在胎具輔助裝置（見圖1）上，然后使用BS8650-L/CS三坐標(biāo)激光掃描測量機(jī)（見圖2）對逆向反求設(shè)計加工的葉片進(jìn)行點(diǎn)數(shù)據(jù)測量。利用軟件的套索功能，將掃描所得的點(diǎn)數(shù)據(jù)與逆向反求所得的實(shí)體數(shù)模進(jìn)行擬合比對，從而判定葉片各關(guān)鍵部位指標(biāo)的合格性，從而達(dá)到對葉片快速、準(zhǔn)確高效的檢測及誤差評定。
2本案的實(shí)施
2.1 測量背景
本案介紹的混流式葉片（見圖3）是一種表面不規(guī)則、曲率變化大、空間扭曲程度大且加工難度大的復(fù)雜曲面體，它是由正背面、與上冠和下環(huán)相接的帶狀回轉(zhuǎn)面、進(jìn)出水邊曲面及進(jìn)水邊頭部曲面等構(gòu)成的曲面體。本案主要介紹一些無法用常規(guī)測量手段測量的葉片重要參數(shù)，見表1。
2.2 檢測方案的實(shí)施
2.2.1 胎具輔助裝置的提供
混流式葉片是沒有任何基準(zhǔn)的不規(guī)則自由曲面，加工及檢測過程中裝卡定位就顯得很困難。這里將采用正、背面胎具定位，焊塊搭焊和螺釘把合且具有良好效果的胎具裝夾定位方式來確定工件參考點(diǎn)，實(shí)施找正，同時也解決葉片正、背型面錯位問題。本案檢測利用如圖1所示的胎具實(shí)現(xiàn)找正，即把葉片定位裝夾在胎具上，再將胎具固定在三坐標(biāo)測量機(jī)上。胎具輔助裝置的應(yīng)用很好地解決了傳統(tǒng)檢測方法中準(zhǔn)確找坐標(biāo)系的問題，為葉片快速創(chuàng)新檢測方法的實(shí)施奠定了基礎(chǔ)。
2.2.2測量方法及過程
測量過程如下：
(1)將葉片固定安置在胎具輔助裝置上，打開掃描軟件，通過BS8650-L/CS三坐標(biāo)測量機(jī)分別對葉片正、反面進(jìn)行掃描。
(2)掃描結(jié)束后，對圖形進(jìn)行處理，并得到點(diǎn)云數(shù)據(jù)，如圖4所示。
(3)導(dǎo)入逆向反求設(shè)計所得的實(shí)體數(shù)模（見圖5），利用軟件的套索功能，將掃描所得的點(diǎn)數(shù)據(jù)與逆向反求所得的實(shí)體數(shù)模進(jìn)行擬合比對，并得到檢測結(jié)果。
(4)數(shù)據(jù)處理分析。首先對上緣板面數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，從上緣板面數(shù)據(jù)可以看出，該部位的面輪廓度為0.2 mm;其次，對下緣板面輪廓度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，下緣板面數(shù)據(jù)如圖6所示，可以看出，該部位的面輪廓度為0. 15 mm。接著對工作面前緣面輪廓度、工作面后緣面輪廓度、工作面中部面輪廓度進(jìn)行處理。工作面前緣面輪廓度、工作面后緣面輪廓度、工作面中部面輪廓度這些參數(shù)涵蓋了葉片工作面整體輪廓的外形誤差，可反映出葉片工作面的實(shí)際加工狀況。從測試數(shù)據(jù)可以看出，葉片該部位的前緣面輪廓度為0. 13 mm、后緣面輪廓度為0. 14 mm、中部面輪廓度為0.18 mm。
本次檢測的葉片重要參數(shù)檢測評定結(jié)果如表2所示。
由表2可知，本次檢測的葉片參數(shù)均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。
3結(jié)束語
本文所述的檢測方法是在基準(zhǔn)無法準(zhǔn)確獲取的前提下，利用胎具輔助裝置及三坐標(biāo)測量機(jī)掃描得到的點(diǎn)云，并通過軟件的套索功能與實(shí)體數(shù)模擬合比對，實(shí)現(xiàn)葉片表面重要數(shù)據(jù)的快速、準(zhǔn)確檢測。這種創(chuàng)新性的檢測方法考慮的是葉片整體，而非個別特定區(qū)域或細(xì)節(jié)，使得檢測結(jié)論更完整可靠。同時這種方法摒棄了傳統(tǒng)的三坐標(biāo)采點(diǎn)的測量方法，使測量更快速方便，可大大提高工作效率。這種方法現(xiàn)已在多個型號的水輪機(jī)葉片上使用，同時其應(yīng)用范圍正在向飛機(jī)螺旋槳葉片及潛艇葉片的檢測領(lǐng)域延伸。
