□高 君 □霍瑞康

1上海凱士比泵有限公司上海200245

2上海理工大學(xué)環(huán)境與建筑學(xué)院土木工程實(shí)驗(yàn)室上海200093

三維掃描技術(shù)在泵質(zhì)量控制中的應(yīng)用

□高 君1□霍瑞康2

1上海凱士比泵有限公司上海200245

2上海理工大學(xué)環(huán)境與建筑學(xué)院土木工程實(shí)驗(yàn)室上海200093

闡述了三維掃描技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)及其應(yīng)用范圍，介紹了ATOS掃描儀的性能參數(shù)、工作原理，三維掃描技術(shù)在軸流泵及混流泵葉輪檢測(cè)中的應(yīng)用，以及葉輪空間曲面的掃描對(duì)比分析結(jié)果，得到了在制造和運(yùn)行使用過(guò)程中葉輪葉片發(fā)生嚴(yán)重變形的具體數(shù)據(jù)，確認(rèn)了影響泵性能參數(shù)的主要原因。通過(guò)三維掃描，對(duì)泵主要零件的空間曲面可以有更快速、準(zhǔn)確的判斷，為提高泵的制造及售后服務(wù)質(zhì)量提供了有力的技術(shù)支持。

三維掃描是集光電技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)于一體的高新掃描技術(shù)，主要用于對(duì)物體空間外形和結(jié)構(gòu)進(jìn)行掃描，以獲得物體表面的空間坐標(biāo)。在當(dāng)今世界，三維掃描儀作為一種快速的立體測(cè)量設(shè)備，因檢測(cè)速度快、精度高、非接觸和使用方便等優(yōu)點(diǎn)而得到越來(lái)越多的應(yīng)用，且已廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、交通車輛、航空航天、文物考古和歷史建筑[1-9]等行業(yè)。

在泵制造業(yè)中，對(duì)具有復(fù)雜曲面的葉輪等零件進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，采用傳統(tǒng)檢測(cè)工藝方法已不能滿足對(duì)葉輪質(zhì)量的控制要求[2]，且難度大、周期長(zhǎng)、檢測(cè)精度不高。使用三維掃描儀對(duì)葉輪、泵體等零件及其模型進(jìn)行掃描，可以得到高精度的尺寸數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)通過(guò)對(duì)比軟件直接與零件設(shè)計(jì)模型進(jìn)行對(duì)比，從而可以提高零件的制造精度，為客戶提供高精度、高性能的優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品。

1 三維掃描儀及掃描過(guò)程

德國(guó)GOM公司的最新ATOS光學(xué)三維掃描儀家族成員ATOSⅡTriple Scan，采用雙立體相機(jī)及藍(lán)光技術(shù)，分辨率500萬(wàn)像素，掃描范圍360°、38 mm×29 mm～2 000 mm×1 500 mm，工作距離490～2 000 mm，能最大限度滿足各種高精度的掃描需求。

使用ATOS掃描儀對(duì)樣品零件進(jìn)行數(shù)字化采集，將特定的光柵條紋投影到測(cè)量工件表面，借助兩個(gè)高分辨率電荷耦合元件（CCD）數(shù)碼相機(jī)對(duì)光柵干涉條紋進(jìn)行拍攝，利用光學(xué)拍攝定位技術(shù)和光柵測(cè)量原理，可在極短的時(shí)間內(nèi)獲得復(fù)雜工件表面的完整點(diǎn)云。ATOS配套軟件可以在幾秒鐘之內(nèi)計(jì)算出多達(dá)400萬(wàn)個(gè)物點(diǎn)的精確三維坐標(biāo)，高質(zhì)量的掃描點(diǎn)云可用于產(chǎn)品開(kāi)發(fā)、逆向工程、快速成型、質(zhì)量控制及虛擬裝配，甚至可實(shí)現(xiàn)直接加工。

圖1 離心泵葉輪的掃描現(xiàn)場(chǎng)圖

在掃描開(kāi)始前，既要對(duì)ATOS掃描儀進(jìn)行三維數(shù)據(jù)定標(biāo)和配準(zhǔn)，又要注意在樣品零件表面貼上磁性數(shù)碼標(biāo)志點(diǎn)，用于掃描系統(tǒng)的坐標(biāo)參考，并且對(duì)樣品零件表面進(jìn)行噴涂顯像劑的白色亞光處理[3]。圖1所示為某離心泵葉輪的掃描現(xiàn)場(chǎng)，藍(lán)色的光柵條紋投影到葉輪上，為了便于掃描扭曲的葉片，使葉片暴露在外，對(duì)葉輪前蓋板進(jìn)行了切割。掃描數(shù)據(jù)采集完成后，運(yùn)用GOMInspect軟件與設(shè)計(jì)的三維模型進(jìn)行曲面對(duì)比分析，檢查葉片表面每個(gè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)是否符合設(shè)計(jì)要求。

2 軸流泵葉輪的三維掃描及分析對(duì)比

某排澇泵站所訂購(gòu)的軸流泵出口直徑D=700 mm，電機(jī)型號(hào)為YE2-355M1-6，功率為160 kW，流量為5 040 m3/h，揚(yáng)程為7.4 m，效率為83.8%。產(chǎn)品出廠前進(jìn)行了內(nèi)部試驗(yàn)，在相同流量點(diǎn)實(shí)測(cè)效率70.2%，與技術(shù)要求有較大差距。

影響軸流泵效率的主要因素是葉輪（圖2），葉輪上有4個(gè)空間曲面形狀的葉片。葉輪是從外協(xié)單位采購(gòu)的精密鑄件，加工配合尺寸經(jīng)過(guò)檢驗(yàn)，無(wú)質(zhì)量問(wèn)題。

圖2 軸流泵葉輪示意圖

對(duì)葉片表面進(jìn)行三維掃描檢查，并與三維設(shè)計(jì)模型進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)嚴(yán)重偏離設(shè)計(jì)要求。按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《GB/T 13008—2010混流泵、軸流泵技術(shù)條件》[10]的要求，偏差在±0.2%D以內(nèi)，即±1.4 mm以內(nèi)。葉片背面最大偏差為+8.67 mm，工作面最大偏差為-10.97 mm，如圖3所示。圖中綠色區(qū)域表示與設(shè)計(jì)要求一致，黃色及淺藍(lán)色區(qū)域表示偏差較小，在標(biāo)準(zhǔn)允許的范圍內(nèi)，深紅和深藍(lán)部位表示尺寸超標(biāo)。所有葉片的出口邊外緣尖角都向進(jìn)水方向彎曲，可能受到外力撞擊變形。2號(hào)葉片最大彎曲位移8 mm左右，這會(huì)使流線紊亂并產(chǎn)生漩渦，導(dǎo)致效率下降。葉片工作面和背面有大片面積尺寸超標(biāo)，主要集中在葉片尖角和進(jìn)口邊，需要矯正打磨。葉片外緣最大擬合直徑537.14 mm，而設(shè)計(jì)要求為mm，可見(jiàn)最大擬合直徑超出公差范圍。

圖3 軸流泵葉輪三維掃描對(duì)比分析圖

葉輪材料為不銹鋼，采用金屬模具精密鑄造。采用三維掃描進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)了較為嚴(yán)重的質(zhì)量問(wèn)題。由此可見(jiàn)，好的設(shè)計(jì)方案及制造工藝是前提，而過(guò)程控制也相當(dāng)重要，鑄造、熱處理、機(jī)加工及搬運(yùn)等環(huán)節(jié)都要嚴(yán)格把關(guān)。

3 循環(huán)水泵葉輪的三維掃描及分析對(duì)比

某電廠訂購(gòu)的循環(huán)水泵出口直徑D=2 000 mm，電機(jī)型號(hào)為YLKS1000-16，功率為2 700 kW，流量為40 608 m3/h，揚(yáng)程為18.5 m，效率為87.2%。該循環(huán)水泵采用混流泵水力模型設(shè)計(jì)。在電廠運(yùn)行一定年限后，振動(dòng)噪聲加大，性能參數(shù)嚴(yán)重下滑，已經(jīng)不能滿足用戶需求，之后停機(jī)檢修。泵在現(xiàn)場(chǎng)解體后，對(duì)葉輪等易損件進(jìn)行了更新，換下的零件運(yùn)回工廠進(jìn)行檢測(cè)分析。

影響循環(huán)水泵性能參數(shù)的主要因素是葉輪（圖4），葉輪上有3個(gè)空間曲面形狀的葉片。

圖4 循環(huán)水泵葉輪示意圖

對(duì)葉片表面進(jìn)行三維掃描檢查，并與三維設(shè)計(jì)模型進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)嚴(yán)重偏離設(shè)計(jì)要求。按照相關(guān)技術(shù)要求，偏差應(yīng)在±0.2%D以內(nèi)，即±4 mm以內(nèi)。葉片外緣與葉輪室配合部位偏差較大，最大偏差值29.24 mm，如圖5所示。

圖5 混流泵葉輪三維掃描對(duì)比分析圖

在電廠運(yùn)行一定年限后，葉輪嚴(yán)重偏離設(shè)計(jì)要求,葉片外緣疑受較大外力，導(dǎo)致所有葉片彎曲變形。葉輪外緣磨損嚴(yán)重，外圓直徑減小90～100 mm，葉片彎曲嚴(yán)重，即圖5中紅褐色帶狀部位，寬度達(dá)到了40mm。

經(jīng)停機(jī)解體檢查發(fā)現(xiàn)，泵潤(rùn)滑磨損嚴(yán)重，失去了定位功能，泵軸最大磨深3 mm，整個(gè)轉(zhuǎn)子大幅度晃動(dòng)，導(dǎo)致葉輪外緣與葉輪室長(zhǎng)時(shí)間摩擦，最后使葉輪直徑縮小，泵的性能大幅下降。由此可見(jiàn)軸承等易損件要實(shí)時(shí)監(jiān)控、定期更換，不可帶病運(yùn)行，否則將造成更大的損失。

4 結(jié)論

三維掃描測(cè)量對(duì)葉片曲面進(jìn)行檢測(cè)，具有測(cè)量精度高、數(shù)據(jù)完整的特點(diǎn)。

這一測(cè)量技術(shù)能夠詳細(xì)分析制造和運(yùn)行后的誤差，為提高產(chǎn)品制造及售后服務(wù)質(zhì)量提供了可靠的技術(shù)支持，使工程技術(shù)人員能夠快速準(zhǔn)確地診斷產(chǎn)品故障，提高產(chǎn)品的性能。需要指出的是，三維掃描技術(shù)側(cè)重于具有復(fù)雜幾何形狀的物體的檢測(cè)分析，但還并不能完全取代傳統(tǒng)的檢測(cè)工具及方法。

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[10]混流泵、軸流泵技術(shù)條件：GB/T13008—2010[S].

Described the advantaged and the scope of application of three-dimensional scanning technology, introduced performance parameters and working principle of ATOS scanner products,and also presented the applications of three-dimensional scanning technology in the detection of the impeller in axial flow pump and mixed flow pump,and the outcome via comparative analysis of the scanned curve surfaces in the impeller space. With the factual data on the serious distortion of the impeller blade obtained during the manufacturing process and operationaluse,themaincausesthataffectedthepumpperformanceparameterswereconfirmed. Three-dimensional scanning can enable faster and more accurate estimation of the space curve surface of the main pump parts and can provide a strong technical support for improvement of the pump production and after-sale service quality.

三維掃描；質(zhì)量控制；泵；葉輪

Three-dimensionalScanning；Quality Control；Pump；Impeller

TH311

A

1672-0555（2016）03-016-04

2016年5月

高君（1981—），男，本科，工程師，主要從事電站泵、特殊泵及三維掃描技術(shù)的研究工作