魏國家/沈陽鼓風機集團股份有限公司

三元葉輪在機測量技術研究

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針對工件在加工制造中，手工檢測和離線檢測存在的問題，提出對三元葉輪葉片型線進行實時監(jiān)測和實時修正的在線測量方法。并以一個三元葉輪在線測量為例，將測量結果與三坐標測量機的測量結果進行對比，表明在線測量方法是一種快捷、有效和可行的方法。

在機測量；三元葉輪；觸發(fā)式測頭

0 引言

在機測量系統(tǒng)是隨著精密測量技術的發(fā)展而產(chǎn)生的。它將高精度觸發(fā)式測頭與加工中心緊密結合，利用機床的運動來帶動測頭進行運動，從而實現(xiàn)工件加工質量自動測量。與傳統(tǒng)測量方式相比，在機測量方法精度高，可以節(jié)省二次裝夾找正的時間。同時，也可以在工序間對工件進行測量，及時發(fā)現(xiàn)加工錯誤，提高成品率。

1 在機測量與三坐標儀測量對比的優(yōu)越性

傳統(tǒng)的測量技術是基于三坐標測量機（CMM）等檢測設備進行的。其檢測過程是：首先將工件從機床的工作臺上卸下，安裝在CMM上進行檢測，然后將檢測完的工件再放回機床。這樣，就要對工件進行再一次裝夾和找正。對于像航空結構件或者大型沖壓模具等工件來說，搬運、移動都非常困難。

在機測量技術是根據(jù)測量機的原理，以測頭作為傳感器，利用數(shù)控機床作為運動部件，控制測頭進行測量，并將被測點的坐標信息傳輸?shù)接嬎銠C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。該技術是隨著數(shù)控機床，特別是加工中心的不斷普及而發(fā)展起來的一項新的檢測技術。這一技術克服了傳統(tǒng)測量技術的缺點，它可以在數(shù)控機床，特別在是多軸聯(lián)動加工中心上，借助測頭裝置，完成對工件尺寸的測量。采用這一技術的最大優(yōu)點是，在加工的過程中就可以隨時停機檢查工件的質量，同時，由于不需將工件搬運到CMM上進行檢測，因此，節(jié)約了時間，保證了加工精度，并能及時檢測出加工誤差，并快速修正。

2 在機測量系統(tǒng)的組成

數(shù)控機床的在機測量系統(tǒng)主要由以下幾部分組成[1]：

3 在機測量系統(tǒng)的工作原理

實現(xiàn)數(shù)控機床的在機測量，首先要在計算機的在機測量軟件中自動生成數(shù)控測量程序，程序中應包括用于數(shù)控系統(tǒng)控制測頭啟動與關閉的M代碼及用于數(shù)控系統(tǒng)控制測頭測量目標點的G代碼，然后將檢測程序由通信接口傳輸給數(shù)控機床。數(shù)控系統(tǒng)按照接收到的數(shù)控程序啟動測頭并控制測頭按程序規(guī)定路徑運動，當測頭接觸工件時發(fā)出觸發(fā)信號，通過測頭與數(shù)控系統(tǒng)的專用接口將觸發(fā)信號傳到轉換器，并將觸發(fā)信號轉換后傳給機床的控制系統(tǒng)，該點的坐標被記錄下來。信號被CNC裝置接收后，機床停止運動，測量點的坐標被保存到指定目錄下的文件中，然后進行下一個測量動作直到所有測量任務完成。然后，數(shù)控系統(tǒng)將保存的測量點坐標信息文件通過通信接口傳送給用戶計算機。用戶計算機通過監(jiān)測CNC系統(tǒng)返回的測量值，可對系統(tǒng)測量結果進行誤差補償、誤差評定、評定結果的可視化輸出及生成誤差評定報告等[2]。

4 三元葉輪簡介

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雜零件，它在能源動力、航空航天、石油化工以及冶金等行業(yè)中均有廣泛應用。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)運動所生成的曲面，它可以由方程式表達出來；自由曲面形式的葉片沒有嚴格的數(shù)學公式表達，它是設計人員根據(jù)氣體動力學原理，通過大量計算，得出葉片吸力面和壓力面上的離散數(shù)據(jù)點。但是不論是哪種葉片曲面形式，它的葉輪幾何構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部分組成[3]，見圖1。

圖1 三元葉輪的結構圖

5 觸發(fā)式測頭的標定

大多數(shù)的在機測量過程，是借助觸發(fā)式測頭來實現(xiàn)的。觸發(fā)式測頭的工作原理是：在測頭內部有一個閉合的有源電路，該電路與一個特殊的觸發(fā)機構相連接，只要觸發(fā)機構產(chǎn)生觸發(fā)動作，就會引起電路狀態(tài)變化并發(fā)出聲光信號，指示測頭的工作狀態(tài)；觸發(fā)機構產(chǎn)生觸發(fā)動作的唯一條件是測頭的測針產(chǎn)生微小的擺動或向測頭內部移動，當測頭連接在機床主軸上并隨主軸移動時，只要測針上的觸頭在任意方向與工件表面接觸，使測針產(chǎn)生微小的擺動或移動，都會立即導致測頭產(chǎn)生聲光信號，指明其工作狀態(tài)[4]。

對于測頭而言，必須在首次及以后的應用中定期確定每一個測頭安裝的特性，這種特性確定過程，在業(yè)內通常被稱為測頭標定。測頭經(jīng)過標定后，可得到測針的測球補償直徑。正確標定測頭非常重要，因為所有后續(xù)測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)重新標定后才能消除。特別是在以下情況下，必須對測頭進行標定：

第一次使用測頭時；測頭上安裝新的測桿時；懷疑測針變形或測頭發(fā)生碰撞時；定期補償機床的機械變化時；信號接收裝置延時發(fā)生變化時；需要在各個方向上進行高精度測量時。

測頭標定的方法有很多，常用的標定工具有標準孔、標準環(huán)規(guī)和標準球。以標準球為例，標定的大致過程是，將標準球（標準球的直徑在出廠時已被校準）固定在機床工作臺上，讓測頭的測球從不同的方向分別測量標準球，系統(tǒng)軟件按照每次測量時的坐標值計算出測頭的等效半徑和球心位置，機床存儲這些數(shù)據(jù)用于后續(xù)的測量。

本文使用的Renishaw OMP60測頭的測球直徑為6mm，使用標準球為標定工具進行標定實驗。標準球的直徑為25.401 6mm，精度為0.226 μm。

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在標定之前，首先對測針進行對中調整（見圖2），使測球中心與主軸回轉中心對齊。使用低測力千分表，讓表的球尖與測頭的測球輕輕接觸，調整千分表歸零，然后緩慢旋轉機床主軸，并觀察千分表上表針的變化情況，最后通過調整測頭上的一系列螺釘來降低測球的偏心程度。不斷重復上述步驟，使測針偏心程度在±2.5μm左右。

圖2 觸發(fā)式測頭的對中調整圖

對中調整結束后對測頭進行手動標定。手動控制測頭，在測頭上測量5個點，其中，1個點大致位于球的頂部，其余4點大致位于球的中部。表1為5點標定時測量標準球得到的數(shù)據(jù)，按上述計算方法得到的測頭等效半徑為2.987 8mm，標準球的球心坐標為（-45.512 5，-7.368 3，64.342 2），擬合標準差為σst=0.016。

將標準球在工作臺上移動一個位置，按照上述測點方案重新測量，所得數(shù)據(jù)見表2。計算求得測頭等效半徑為2.989 3mm，標準球的球心坐標為（5.040 2，-29.476 2，67.483 8），擬合標準差為σst=0.014。

表1 測量數(shù)據(jù)表1

表2 測量數(shù)據(jù)表2

在得到測頭的工作半徑之后，可將該數(shù)值儲存在數(shù)控機床中，用于接下來的測量進行自動補償。

6 三元葉輪在機測量實例

6.1 測量點的選取

本課題測量實例所選用的葉輪（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，圓周均布，其葉片進口高度為237mm，出口高度為80.8mm。被測量為其中一個葉片上的10個點。通過這些點的測量坐標與理論坐標的對比，來判斷每個點的加工情況。由于實驗中所用測頭測針的長度僅有50mm，因此，為避免干涉，取點時選擇盡量靠近葉片蓋盤線的點。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范圍內均勻取10個點，見圖4。測量點坐標值見表3。

圖3 三元葉輪圖

圖4 待測點圖

6.2 測量程序的編寫

目前，在機測量的實際應用方面，國外很多軟件商都開發(fā)出了機床在線或在機測量系統(tǒng)。本文使用PowerINSPECT軟件進行葉輪在機測量的編程。

測量程序和加工的程序類似，它描述的是測頭的運動路徑和測量循環(huán)的過程。首先將帶有待測點的葉輪模型保存為IGS格式，導入該軟件中，然后設置測量過程的坐標系。由于加工與檢測都在同一機床上進行，因此，測量過程的坐標系應與加工時的坐標系保持一致。

表3 待測點坐標值表

該軟件對測量路徑的規(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量效率。如果工件外形較為復雜，測量空間較小，可以根據(jù)實際情況進行選擇。例如，Z向安全距離法是在每次測量后將測頭沿Z軸提升到一個安全高度。另外，測頭的測量方向必須是被測點的法向矢量方向。當完成所有測量點測量路徑的規(guī)劃后，必須進行模擬仿真，以免出現(xiàn)測頭與工件發(fā)生干涉的情況。

在確認仿真過程準確無誤后，可以生成測量程序。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，輸出測頭的位置要選為測頭接觸點，并選擇相應機床的后置處理文件。

6.3 測量結果分析

葉輪加工完成后，無需拆卸，導入測量程序，即可實現(xiàn)在機測量。測量結束后，在機床的數(shù)控系統(tǒng)中會生成一個.msr格式的文件，將該文件從機床中拷貝出來，導入至PowerINSPCT軟件中，可以得到被測點的坐標值和偏差分析，并可以生成詳細的可視化報告，如圖5所示。

圖5 可視化報告圖

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，在評價其加工精度時也存在一定的問題。在理想狀態(tài)下，被測點的數(shù)目無限逼近曲面區(qū)域時，檢測的效果是最優(yōu)的。但檢測的數(shù)目越多，檢測所花費的時間就越多，成本也就越高。所以，在實際工程應用中，檢測點的個數(shù)一般取權衡的經(jīng)驗值[5]。

6.4 在機測量與三坐標儀測量的精度對比

為驗證測量結果的可信程度，將該葉輪從機床卸下，轉至三坐標測量機進行測量，并與之前的測量結果對比，如圖6所示，灰色曲線為各點的三坐標測量值與理論值的偏差，黑色點為各點的在機測量值與理論值的偏差。結果表明，雖然在機測量系統(tǒng)與三坐標測量機的檢測數(shù)據(jù)存在一定差距，但基本接近，說明本文所使用的測量方法是有效的、可行的。

圖6 實測值與三坐標測量機測量數(shù)據(jù)的比較圖

7 結論

離心壓縮機的三元葉輪在加工完成后，通常采用手工檢測或離線（三坐標測量機）檢測。手工檢測效率低，受人為因素影響大，而離線檢測則存在工件搬運、機床停機和測量后重新裝夾找正等問題。本文針對上述問題，以加工中心、觸發(fā)式測頭及專用測量軟件為主要軟、硬件，提出了一種在加工中心上直接對葉輪進行測量的在機測量方法，并以一個三元葉輪為例，用在機測量軟件編寫測量程序，進行實際測量，將測量結果與三坐標測量機的測量結果進行了對比。不可否認，在機測量的精度要比三坐標測量機的精度低，但是，在工程實踐領域中，在滿足精度要求的情況下，在機測量方法不失為一種快捷、有效和可行的方法。

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

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

[3]魏國家，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].風機技術，2012（1）：48-50.

[4]盛伯浩，楊曉軍，華玉亮.提高觸發(fā)式測頭在機檢測精度[J].制造技術與機床，1997（9）：21-23，54.

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