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　　高天國 （1963-）

　　男，畢業于哈爾濱工業大學精密儀器系，主要從事新產品開發與設計工作。

　　摘要：本文論述了葉片測量儀的結構及工作原理。介紹了葉片測量儀硬件和軟件系統及在實際工作中的應用，并探討了葉片測量儀的發展趨勢和應用前景。

　　關鍵詞：葉片測量儀；汽輪機葉片；型面測量；三維觸發式測頭；運動控制卡
　　
　　Abstract: This is a primary study about the working principle and application of the Blade measuring apparatus system. This paper introduces the measurement hardware and software systems and its applications in practical work, and discusses the development trend and application prospects of the blade measuring apparatus.

　　Key words: Blade measuring apparatus; Turbine blade; Molding surface measurement; Three-dimensional flip-flop probe; Motion Control Card

　　1 引 言

　　在現代工業中，汽輪機由于具有功率大、轉速高、效率較高、運轉平穩和使用壽命長等優點，因而得到廣泛的應用。汽輪機葉片是汽輪機的關鍵零件。葉片的質量是評價整臺汽輪機質量的重要指標之一[1]。其制造精度的高低，直接影響到汽輪機的能量轉換效率和工作性能。因此葉片測量越來越受到葉片生產企業以及用戶的關注和重視。

　　葉片的造型較為復雜、特殊。描述的參數眾多，葉片形狀、位置關系的測量也是整個葉片測量的關鍵。葉片型線的評定一般是通過測量沿葉片軸線方向分布的若干截面的型線來實現的。目前就國內葉片測量領域來說，還沒有專門用于葉片測量的儀器。

　　關于葉片型線的測量，盡管目前測量方法很多，每種測量方法都有各自的特點，但從測量效率、測量精度以及成本等方面綜合考慮，這些測量方法均存在一定的不足，一般都不具備專用性，且數據處理也不夠靈活。目前，坐標測量法是當今葉片型面測量的一個發展趨勢。本文在基于坐標測量法的基礎上，設計出一種測量效率高、價格較低、使用方便，而且適用于車間及計量室使用的汽輪機葉片型面專用測量機——葉片測量儀。

　　2 葉片測量儀結構及工作原理

　　2.1 葉片測量儀結構

　　葉片測量儀的機械結構如圖1所示。它是由機體1、立柱2、操縱控制面板3、三維觸發式測頭4、徑向滑板（X軸）5、水平滑板(Y軸) 6、垂直滑架（Z軸）7、回轉軸(C軸) 8 、下頂尖9 、上頂尖10等構成。

圖1   葉片測量儀的機械結構

                            1－機體     2－立柱    3－操縱控制面板
                            4－三維觸發式測頭   5－徑向滑板（X軸） 
                            6－水平滑板(Y軸)    7—垂直滑架（Z軸）
                            8－回轉軸(C軸)  9－下頂尖  10－上頂尖

　　該葉片測量儀是基于三坐標測量機的基礎上，在保持原有的X，Y，Z軸，又增加了一個以Z軸為旋轉軸的C軸組成，是四坐標測量機。即它有4個運動軸：X、Y、Z軸和C軸。最底層為水平滑板（Y軸）6，上托垂直滑架（Z軸）7，Z軸上安裝徑向滑板（X軸）5，徑向滑板（X軸）5上裝有雷尼紹3D觸發式測頭4，立柱2上安裝有上頂尖10，可自動上下升降，以便檢測不同規格尺寸的葉片，下頂尖9可回轉，構成C軸。該葉片測量儀采用了三坐標的測量方式，它通過三維觸發式測頭實現對被測葉片在（X、Y、Z）三維坐標方向上的測量。

　　2.2 葉片測量儀的工作原理

　　為實現自動測量和三維型線的測量評定，葉片測量儀選用了坐標測量法對葉片進行測量。為了保證葉片測量儀的精度，準確測量葉片的各項參數。因此在測量葉片前，首先要對葉片測量儀進行參數校核及葉片參數設置和工件坐標系建立等工作。

　　葉片測量儀參數的校核有兩項內容：即測量儀三維觸發式測頭參數校核和回轉軸校核。通過測量標準圓柱樣件，實現了對測量儀三維觸發式測頭和回轉軸的校核，根據校核結果對三維觸發式測頭、測桿以及復位參數進行修正與補償。

　　葉片參數的設置：主要有葉片型線的理論數據，葉根、葉冠的基本參數等。理論數據，它主要含有兩方面的信息，其一為葉片背弧和內弧型線點的坐標值、截面高度、進汽邊圓弧的半徑與圓心坐標、出汽邊圓弧的半徑與圓心坐標、進汽邊與背弧、內弧的交點，出汽邊與背弧、內弧的交點等；其二為葉片的特征參數信息，如葉片名稱，截面號等。

　　葉片測量儀工件坐標系的建立：在理想情況下，工件坐標系與葉片測量儀的固有坐標系重合。葉片的理論數據均為工件坐標系下的坐標。葉片的安裝基準是葉根和葉冠。如圖2所示，葉片的基本形狀及安裝基準。測量葉片時，由于當前測得的坐標點均為葉片測量儀坐標系下的點，為找正待測葉片工件坐標系的位置，軟件通過測量葉片的葉根或葉冠的實際位置坐標建立工件坐標系。實現將葉片測量數據由葉片測量儀坐標系轉換為工件坐標系。為葉片測量儀后續數據處理和誤差分析奠定了基礎。

圖2   葉片的基本形狀及安裝基準

　　葉片測量儀經過參數的校核及葉片參數的設置和待測葉片工件坐標系的建立后，即可對葉片型線的數據進行測量。由于葉片型線為回轉曲線，為了使測量方便，在測量機原有三坐標基礎上，又增加了一回轉軸C軸，測量時，將被測葉片安裝在葉片測量儀的上、下頂尖之間（安裝在C軸上），通過立柱上的上頂尖將其頂緊，三維觸發式測頭安裝在徑向滑板（X軸）上。當測量控制軟件驅動運動控制卡控制各路伺服電機運動時。由C軸帶動葉片回轉，X、Y、Z各軸協同動作，由徑向滑板（X軸）驅動三維觸發式測頭沿X軸方向接觸被測葉片型線表面，三維觸發式測頭在任何方向都可觸發，當測頭接觸到葉片型線表面時，產生觸發信號，運動控制卡根據測頭的觸發信號鎖存各軸的位置，觸發數據被記錄，并傳送到控制系統。由于測量葉片型線過程中，回轉軸C軸帶動葉片做軸向旋轉，同時軟件控制三維觸發式測頭在葉片的截面輪廓上不斷采點，進而測頭可在輪廓一周范圍內采集到葉片截面的封閉離散數據，完成該截面數據的測量。因此，三維觸發式測頭在三個坐標的聯合驅動下可自動采集葉片型面上的回轉曲線的數據，以此獲得葉片型面上各點的實測數據，記錄了各個測量點的坐標值。通過PCI總線將葉片型面上各點的采樣數據傳輸給計算機進行數據處理與分析，然后由計算機按要求的表征參數將經過處理的實際數據和初始信息獲得的理論數據進行比較計算。分析葉片的誤差。最后得到被測葉片型面的加工誤差和曲線。運算結果由顯示器顯示和打印機輸出。本儀器針對葉片數據測量的特點，還提供了手動測量和自動測量兩種測量方式[2]。這主要是從減少操作者的操作時間和操作復雜度的角度來考慮的，操作者除了在特殊情況下需要手動操作之外，一般在自動測量狀態下即可完成測量任務。自動測量方式在一定程度上可降低測量的強度，提高測量效率。

　　2.3 葉片測量儀系統的組成

　　葉片測量儀系統是由測量儀硬件和控制軟件兩部分組成。由葉片測量儀硬件部分產生運動并觸發待測葉片，是葉片測量系統的執行者；而控制軟件則控制著硬件的動作，實現了數據的采集，此外軟件還負責對采集到的數據進行分析和計算，是測量儀系統的靈魂。

　　2.4 系統硬件

　　葉片測量儀系統硬件主要是由計算機、運動控制卡、伺服驅動系統、光柵傳感器、三維觸發式測頭、I/O接口、顯示器、打印機及輔助功能等部分組成。如圖3所示，葉片測量儀系統圖。

圖3   葉片測量儀系統圖

　　運動控制卡采用Adlink公司4軸控制的伺服/步進運動控制卡PCI-8164，它是運動控制部分的核心，運動控制卡與伺服驅動系統和光柵傳感器以及三維觸發式測頭相連。其主要功能是控制各軸（X、Y、Z和C軸）伺服電機的協調工作。伺服運動系統采用安川小慣量伺服電機,分別用于控制X、Y、Z三個軸的運動，回轉軸C軸采用了安川直接驅動的伺服電機，用于控制C軸的回轉運動。避免了機械減速器中回程差的影響。光柵傳感器采用了雷尼紹反射式光柵尺，精度為0.1，用于檢測X、Y、Z軸位置信號；對型線的測量采用雷尼紹3D觸發式測頭，可在任何方向觸發，用于測量葉片，測頭信號作為外部觸發信號接入運動控制卡中，利用運動控制卡提供的高速位置鎖存功能實現實時的數據采集。I/O接口卡也采用了Adlink公司的PCI9111多功能數據采集卡作為I/O接口，該卡提供了16路模擬量輸入，1路模擬量輸出，16路開關量輸入及16路開關量輸出等功能。系統中對面板的操作以及一些輔助功能操作等都是通過該接口卡實現的。

　　計算機是整個系統的核心部分，它通過驅動運動控制卡和I/O接口卡，來控制硬件部分的運動（如：徑向滑板、水平滑板、垂直滑架和回轉軸的運動等）。此外它還承擔了數據處理、分析計算以及人機交互等工作。并時時顯示測量過程和測量結果，處理和打印測量數據。

　　2.5 系統軟件

　　葉片測量儀軟件系統基于Windows平臺，在Visual C++ 6.0環境下用C++語言開發而成，采用OpenGL技術進行圖形顯示。軟件首先在初始化階段讀取葉片的理論數據，通過PCI8164運動控制卡、PCI9111接口卡驅動測量儀硬件進行葉片實際數據的測量，分別對理論數據和實際測量數據進行處理，經比較分析后獲得實際葉片的各項誤差。如圖4所示，葉片測量儀系統程序流程圖。

　　葉片測量儀系統軟件啟動后執行如下的流程：

圖4   葉片測量儀系統程序流程圖

　　（1）系統初始化 

　　開機后首先進行系統初始化，主要有運動控制卡的初始化，測量儀參數和葉片參數的讀入等。讀入的測量儀參數主要有復位參數、測頭直徑、測量速度等；讀入的葉片參數有葉片型線的理論數據，葉根、葉冠的基本參數等。

　　（2）執行復位操作

　　對測量儀進行復位，坐標軸X、Y、Z、C按先后順序對各軸的零位傳感器進行觸發，實現測量儀各軸坐標值的清零，然后根據初始化階段讀入復位參數，重新設定儀器各軸的坐標值。

　　（3）進行測頭、回轉軸的校核與修正，參數修正后再次復位

　　對于首次測量，為保證葉片測量儀的精度，有必要對儀器的測頭和回轉軸進行校核。

　　（4）讀入待測葉片文件，對葉片測量參數進行設置

　　（5）建立工件坐標系

　　通過測量向參考點、測量葉根和葉冠基準，來完成工件坐標系的建立。

　　（6）對葉片型線進行測量

　　葉片型線測量過程中測量的截面數越多、測點越密集就越能反映葉片表面的真實情況。在保證測量精度要求的前提下，盡量減少測點的數量。如圖5所示，葉片截面型線測量測點的分布。

圖5   葉片截面型線測量測點的分布

　　測量葉片截面型線時，在自動測量方式下選擇數控代碼自動生成的方式，生成的測量路徑顯示在自動測量區，選擇“測量”后進入自動測量狀態，并將測量結果顯示于操作記錄區中。如圖5所示，葉片型線測量。

圖6   葉片型線測量

　　（7）通過軟件的數據處理，得到誤差結果，并可以最終打印輸出。

　　3 葉片測量儀應用

　　目前，專用的葉片測量儀已越來越為葉片生產和使用廠家所重視。從葉片測量的發展方向來看，數字化測量也是該行業的發展方向[3]。而目前國內在葉片型面檢測方面還幾乎沒有這種專用的數字化測量儀器。由哈爾濱量具刃具集團有限責任公司與哈爾濱工業大學聯合研制數字化葉片測量儀，主要用于測量葉片截面型線的整體偏移和扭轉誤差、型面輪廓誤差、葉身最大厚度誤差、進汽邊及出汽邊圓弧誤差等，同時也可測量螺旋槳、葉輪等具有特定空間型面的零件。被測工件經過一次裝卡，即可在計算機控制軟件的控制下自動完成整個測量過程，計算機實時顯示結果，并根據需要打印輸出測量報告。根據加工指標，被測工件最大長度為400mm，最大寬度為200 mm，最大重量為30kg，葉片測量儀的測量誤差不大于3。它填補國內空白，為葉片測量儀進一步實用化的研究奠定了基礎。并開拓了新的應用領域。不久的將來，我們會提供大量質優價廉的測量儀器。為祖國機械工業現代化作出更多的貢獻。

　　4 結 論

　　本文論述了葉片測量儀系統的工作原理及其應用。在設計了一種新型的葉片專用測量儀器的基礎上，提出了一種新的葉片型面測量方法。使用方便、成本較低，適合于車間加工現場及計量室使用，是用于中小規格汽輪機葉片型面檢測的專用測量機。尤其適用于大批量生產條件下車間現場的檢測，且被測工件經過一次裝夾，即可在計算機的控制下自動完成整個測量過程，測量效率高，系統操作簡單，精度高，且對使用環境無很嚴格要求。易于實現自動化測量，提高了生產效率和產品質量。可達到國際同類產品的先進技術水平，使之成為汽輪機葉片檢測領域的重要儀器。具有很大的應用潛力和使用價值。葉片測量儀的研制，不僅提高葉片的檢測效率，加快汽輪機行業的發展，而且將促進專用葉片測量儀的生產與不斷發展，具有極其重要的意義。從目前國內汽輪機制造業的生產水平看，該儀器完全能滿足產品質量的要求，具有很大的開發和應用價值，有著廣闊的應用前景。

　　參考文獻

　　[1] 石道中. 汽輪機設計基礎[M]. 哈爾濱工業大學出版社. 1999.

　　[2] 唐文彥，強錫富.  一種新的渦輪葉片型面的自動測量方法[J]. 計量學報1995，16（2）：98—103.

　　[3] 陳凱云，葉佩青，俞學蘭. 航空壓氣機葉片型面在線測量新型裝備研制[J]. 航空制造技術. 2005, (3) 92-95.