陳 偉, 瞿 濤

（杭州中水水力發(fā)電設(shè)備有限公司 杭州, 311504）

1 前言

混流式水輪機(jī)葉片翼型由復(fù)雜的空間曲面組成，曲率變化大、重量大、加工制造比較困難。傳統(tǒng)的加工方法是對(duì)鑄件人工對(duì)照樣板進(jìn)行鏟磨，不僅勞動(dòng)強(qiáng)度大、工作環(huán)境差，而且效率低下，產(chǎn)品質(zhì)量也難以保證。數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，對(duì)水輪機(jī)葉片的加工產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響。上世紀(jì)70年代末80年代初GE、VOITH、ATSTON等公司陸續(xù)開(kāi)始采用三坐標(biāo)或五坐標(biāo)數(shù)控機(jī)床加工葉片。90年代東方電機(jī)有限公司引進(jìn)德國(guó)的五軸數(shù)控天橋鏜銑床，率先在國(guó)內(nèi)加工出直徑5.8 m的軸流式水輪機(jī)的全臺(tái)葉片。杭州發(fā)電機(jī)設(shè)備廠曾用三軸數(shù)控鏜銑床加工出小型水輪機(jī)葉片。之后，隨著轉(zhuǎn)輪直徑達(dá)10m的三峽轉(zhuǎn)輪葉片由東方電機(jī)有限公司、哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司及國(guó)外廠商相繼制造完工，葉片的數(shù)控技術(shù)已日趨完善。

水輪機(jī)葉片數(shù)控加工的關(guān)鍵技術(shù)是葉片定位與夾緊。德國(guó)VOITH公司對(duì)混流式葉片采用可調(diào)轉(zhuǎn)向頭千斤頂定位、真空吸盤(pán)夾緊方式。真空吸盤(pán)夾緊需對(duì)吸附部位磨光預(yù)處理，其系統(tǒng)部件占據(jù)面積大，葉片反復(fù)裝夾都需對(duì)吸附部位磨光預(yù)處理，效率低。挪威GE公司采用正、背面胎具定位、焊塊搭焊和螺釘把合的夾緊方式，這是目前世界各地使用最多的一種定位夾緊方式，如三峽葉片即為井字型胎具定位。該技術(shù)對(duì)確定工件參考點(diǎn)、實(shí)施找正，對(duì)解決葉片正、背型面的錯(cuò)位這一技術(shù)難點(diǎn)效果良好[1]。但是該方法需要加工昂貴的正、背面胎具，且適用性差，效率低，對(duì)于曲率變化大的葉片在定位完之后需要五軸數(shù)控機(jī)床加工易產(chǎn)生干涉的部位。針對(duì)以上葉片定位、夾緊技術(shù)中所存在的問(wèn)題，本文討論一種基于計(jì)算機(jī)控制的液壓千斤頂混流式水輪機(jī)葉片快速定位、裝夾技術(shù)。

2 定位原理

大型混流式水輪機(jī)葉片型面大，型面為沒(méi)有任何基準(zhǔn)的空間自由曲面，使得找正定位的問(wèn)題格外突出。通常，葉片毛坯按設(shè)計(jì)等距離放大鑄造。葉片雙面加工，加工余量的均勻性至關(guān)重要。如果定位位置不當(dāng)，可能造成有的地方過(guò)切，而有的地方走空刀。因此葉片的定位必定有一個(gè)“最佳”位置，此位置即葉片加工余量均勻性最好的位置。

杭州中水水力發(fā)電設(shè)備有限公司使用三坐標(biāo)關(guān)節(jié)臂測(cè)量機(jī)對(duì)葉片進(jìn)行測(cè)量。首先在葉片大致位置上標(biāo)出三個(gè)定位點(diǎn)（定位點(diǎn)的選擇原則可參考文獻(xiàn)[2]），然后對(duì)葉片進(jìn)行三維測(cè)量。測(cè)量軟件PowerInspect將葉片理論坐標(biāo)系與毛坯坐標(biāo)系對(duì)齊，測(cè)得的數(shù)據(jù)（包括三個(gè)定位點(diǎn)坐標(biāo)值）不需后續(xù)處理。接著對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)建模，構(gòu)造葉片的毛坯CAD模型（工程上稱(chēng)為逆向工程）。圖1為由測(cè)量點(diǎn)構(gòu)造的混流式水輪機(jī)葉片。

圖1 由測(cè)量點(diǎn)構(gòu)造的混流式水輪機(jī)葉片

在上述步驟得到三個(gè)定位點(diǎn)坐標(biāo)，在葉片的三個(gè)定位點(diǎn)處各點(diǎn)焊一特制的萬(wàn)向球座。機(jī)床操作者調(diào)整三個(gè)液壓千斤頂至上述得到的三個(gè)坐標(biāo)位置并鎖住，然后把葉片焊有萬(wàn)向球座的面朝下吊裝到液壓千斤頂上。這樣把原來(lái)調(diào)整葉片的位置，改為調(diào)整液壓千斤頂?shù)母叨龋{(diào)整時(shí)間很短。整個(gè)過(guò)程將很快完成，實(shí)現(xiàn)了葉片的快速裝夾找正。圖2為液壓千斤頂定位的示意圖。

圖2 液壓千斤頂定位示意圖

3 加工工藝

在混流式轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)控加工工藝中，最為關(guān)鍵的技術(shù)是葉片定位技術(shù)，在混流式葉片定位技術(shù)中最為關(guān)鍵的技術(shù)是葉片測(cè)量和數(shù)據(jù)處理技術(shù)。傳統(tǒng)加工工藝采用胎模、焊接、螺旋升降等方式調(diào)整葉片位置，裝夾技術(shù)存在變位慢，工效低，葉型位置不易改變等缺點(diǎn)，使加工過(guò)程中刀具位置與葉片型線位置不理想，嚴(yán)重時(shí)產(chǎn)生刀具干涉。葉片加工工藝包括葉片測(cè)量、工藝裝夾、刀位計(jì)算、刀位干涉檢查、加工方式和刀具系統(tǒng)配置等。

3.1 葉片的測(cè)量

混流式水輪機(jī)葉片型面巨大，為空間自由曲面，精度要求較高，且要適應(yīng)不同產(chǎn)品測(cè)試要求。傳統(tǒng)的辦法是根據(jù)圖紙制造立體樣板，檢查型線，精度低，水輪機(jī)制造業(yè)發(fā)展要求葉片加工數(shù)字化，精度越來(lái)越高，要求檢測(cè)手段能夠精確給出葉片表面各點(diǎn)與理論葉片誤差。

本公司使用三坐標(biāo)關(guān)節(jié)臂測(cè)量機(jī)對(duì)照理論CAD數(shù)據(jù)對(duì)葉片進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，首先必須將實(shí)際葉片的坐標(biāo)系和理論CAD模型坐標(biāo)系對(duì)齊定位。混流式葉片為沒(méi)有任何基準(zhǔn)的自由曲面，需采用自由形狀擬合對(duì)齊方式對(duì)齊[3]。首先在CAD數(shù)模上定義6或7個(gè)點(diǎn)，Z方向3個(gè)，X方向2個(gè)，Y方向2個(gè)，這些點(diǎn)盡量定義在葉片幾何特征的附近、邊界線的附近或關(guān)鍵曲面點(diǎn)，然后使用三坐標(biāo)關(guān)節(jié)臂測(cè)量機(jī)對(duì)這些點(diǎn)進(jìn)行盡可能精確地測(cè)取。最后軟件通過(guò)尋找名義點(diǎn)和探測(cè)點(diǎn)之間最佳的關(guān)系來(lái)產(chǎn)生對(duì)齊定位。在葉片型面上標(biāo)記出截面點(diǎn)，然后使用關(guān)節(jié)臂對(duì)這些數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，即可得到葉片的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。圖4為本公司使用三坐標(biāo)關(guān)節(jié)臂測(cè)量機(jī)對(duì)混流式葉片進(jìn)行測(cè)量。葉片測(cè)量好以后，利用所得的數(shù)據(jù)建立葉片毛坯的CAD模型。

圖3 三坐標(biāo)關(guān)節(jié)臂測(cè)量機(jī)

圖4 關(guān)節(jié)臂測(cè)量葉片

3.2 葉片加工工藝路線

用數(shù)控銑床銑軸找到三個(gè)定位點(diǎn)在工作臺(tái)上的位置，在找到的位置上分別安裝一個(gè)液壓千斤頂并連接好液壓控制系統(tǒng)，將三個(gè)液壓千斤頂調(diào)整至葉片“最佳”定位位置并鎖住液壓千斤頂，將焊有三個(gè)特制的萬(wàn)向球座的葉片背面吊裝于液壓千斤頂上，同時(shí)對(duì)葉片進(jìn)行輔助裝夾，這樣便實(shí)現(xiàn)了葉片的三點(diǎn)定位。接下來(lái)用編好的程序粗、精銑葉片正面、進(jìn)水邊和坡口。正面加工完以后將銑刀取下，換上鉆頭，將鉆頭移動(dòng)到三個(gè)液壓千斤頂?shù)?x,y)坐標(biāo)處，然后調(diào)整Z軸在已加工好的正面做標(biāo)記并記下三個(gè)標(biāo)記的坐標(biāo)值，在三個(gè)標(biāo)記處點(diǎn)焊三個(gè)特制的萬(wàn)向球座。接下來(lái)將葉片吊起并翻轉(zhuǎn)，將液壓千斤頂調(diào)整至三個(gè)標(biāo)記坐標(biāo)處，再將焊有萬(wàn)向球座的葉片正面裝于液壓千斤頂上并夾緊，用編好的程序粗、精銑葉片背面、進(jìn)水邊和坡口。葉片加工工藝路線如圖5所示。

圖5 葉片數(shù)控加工工藝路線

3.3 分區(qū)域編程加工

水輪機(jī)葉片型面曲率變化大，使用傳統(tǒng)的胎具定位方法，在數(shù)控加工時(shí)容易產(chǎn)生刀具干涉，嚴(yán)重時(shí)會(huì)損壞機(jī)床。通過(guò)計(jì)算機(jī)控制的液壓千斤頂?shù)膽?yīng)用，葉片位置的調(diào)整很靈活。對(duì)容易產(chǎn)生刀具干涉的型面位置，葉片型面采用分區(qū)域編程，利用液壓千斤頂快速地改變?nèi)~片的位置。這樣避免了刀具的干涉，使難加工的葉片型面變成容易加工的葉片型面，使復(fù)雜變成簡(jiǎn)單，如圖6所示。該技術(shù)在一定條件下可以使用三軸數(shù)控機(jī)床代替五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床，降低了對(duì)機(jī)床的要求。

3.4 加工刀具的選擇和刀位的計(jì)算

水輪機(jī)葉片通常采用不銹鋼材料制造，加工比較困難，為了保證加工的效率和質(zhì)量必須選擇適合的刀具進(jìn)行加工。從刀具的類(lèi)型上，我們選擇硬質(zhì)合金機(jī)夾刀，這種刀具耐磨、抗沖擊性能好，尺寸準(zhǔn)確，刀具可以更換，刀具的形狀將根據(jù)加工部位的不同來(lái)選擇。其中，形狀比較平緩、曲率小的曲面，可采用直徑較大的刀具，以提高加工效率。形狀起伏變化大、曲率較大的曲面，可采用直徑較小的刀具，以免刀具產(chǎn)生干涉和過(guò)切。

刀位計(jì)算的主要任務(wù)是：首先選定加工坐標(biāo)系，然后用三點(diǎn)找正法對(duì)葉片的理論造型進(jìn)行找正定位。保證加工精度和型面質(zhì)量為原則，選定刀具、確定走刀方式和刀軸控制方式，設(shè)定走刀方向和排刀方向的精度，進(jìn)行刀位軌跡的計(jì)算和刀具干涉檢查，最終生成后置處理用的刀位軌跡數(shù)據(jù)文件。

圖6 調(diào)整葉片位置，分區(qū)域編程加工，可以避免刀具干涉

4 液壓千斤頂控制系統(tǒng)

液壓千斤頂控制系統(tǒng)由液壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成。計(jì)算機(jī)發(fā)出控制信號(hào)經(jīng)過(guò)電氣系統(tǒng)放大，驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)執(zhí)行動(dòng)作，完成既定的功能，如圖7所示。

液壓系統(tǒng)由液壓千斤頂、液壓控制閥、液壓傳感器和液壓泵等組成。液壓千斤頂活塞桿和球頭聯(lián)接，特制的萬(wàn)向球座與球的配合精度具有一定的要求，球頭在球座內(nèi)在一定范圍內(nèi)可以自由活動(dòng)。液壓系統(tǒng)采用電液伺服技術(shù)和同步控制回路，它不斷接收由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)發(fā)出并經(jīng)電氣系統(tǒng)放大傳輸?shù)碾娦盘?hào)，電信號(hào)驅(qū)動(dòng)電磁閥操縱千斤頂?shù)膭?dòng)作，實(shí)現(xiàn)千斤頂集群作業(yè)；電信號(hào)控制電液比例閥調(diào)節(jié)千斤頂?shù)囊簤毫髁?，通過(guò)精確調(diào)節(jié)流量，達(dá)到千斤頂位置的精確控制。

液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上采用負(fù)載均衡技術(shù)，使三個(gè)并列的千斤頂之間負(fù)載保持相等，并通過(guò)自動(dòng)調(diào)節(jié)使負(fù)載保持動(dòng)態(tài)均衡。

電氣系統(tǒng)由總控室(箱)、作業(yè)點(diǎn)控制箱（稱(chēng)為單控箱）、泵站控制箱、傳感器，以及控制線路（系統(tǒng)啟?？刂齐娐贰⒁簤候?qū)動(dòng)電路、傳感檢測(cè)電路等）和電源線路等組成。

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)負(fù)責(zé)輸出位移等控制信號(hào)，并實(shí)現(xiàn)液壓千斤頂?shù)捻樞蚩刂?、速度控制和安全控制等功能?/p>

圖7 液壓千斤頂控制系統(tǒng)框圖

圖8 液壓系統(tǒng)原理

5 結(jié)語(yǔ)

使用三坐標(biāo)關(guān)節(jié)臂測(cè)量機(jī)對(duì)葉片毛坯進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量精度高，葉片毛坯余量分布均勻，避免了過(guò)切和走空刀的產(chǎn)生?；谟?jì)算機(jī)控制的液壓千斤頂定位技術(shù)能很好地解決混流式葉片定位中存在的問(wèn)題，具有定位速度快、使用靈活、通用性好等優(yōu)點(diǎn)。避免了使用昂貴的胎具定位的方法，減少了葉片在機(jī)床上的定位調(diào)整時(shí)間。液壓千斤頂調(diào)整靈活，葉片位置調(diào)整方便，避免加工過(guò)程中刀具干涉的產(chǎn)生，在一定條件下還可以使用三軸數(shù)控機(jī)床代替五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床加工曲率變化大的葉片，降低了對(duì)機(jī)床設(shè)備的要求。該技術(shù)同樣適合軸流式葉片的定位。

[1]嚴(yán)思杰, 周云飛, 賴(lài)喜德, 陳學(xué)東. 基于曲面重構(gòu)方法的大型葉片加工定位問(wèn)題研究[J]. 機(jī)床與液壓, 2006(3): 9-12.

[2]唐東, 李全勝, 成曄, 蔡復(fù)之. 表面形狀為自由曲面零件的裝夾設(shè)計(jì)研究[J]. 計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng),1999, 5(4): 61-65.

[3]孫中升. 關(guān)節(jié)臂測(cè)量機(jī)在大尺寸測(cè)量中的應(yīng)用[J].江蘇現(xiàn)代計(jì)量, 2008, (5), 38-39.