李碧柳

中海油田服務(wù)股份有限公司（北京101149）

應(yīng)用在隨鉆測(cè)井儀器中的井下供電設(shè)備渦輪式發(fā)電機(jī)是未來測(cè)井技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)。而渦輪發(fā)電機(jī)的渦輪性能直接影響渦輪發(fā)電機(jī)的工作性能[1]。渦輪作為渦輪發(fā)電機(jī)的核心部件，其加工質(zhì)量對(duì)本身性能有決定性影響。因此研究渦輪葉片的加工和檢測(cè)技術(shù)具有重要的意義。

傳統(tǒng)的對(duì)于具有復(fù)雜曲面的葉輪等零件檢測(cè)的方法是樣板檢測(cè)法[2-3]，但需要制作樣板，且測(cè)量精度不高，因此采用傳統(tǒng)檢測(cè)工藝方法已不能滿足對(duì)渦輪質(zhì)量的控制要求。目前比較常用的新型測(cè)量方法是三維掃描儀[4-6]和三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x[7-8]。

通過利用三維掃描儀對(duì)渦輪進(jìn)行掃描，對(duì)比掃描點(diǎn)云生成的網(wǎng)格模型與設(shè)計(jì)模型，得出檢測(cè)結(jié)果偏差數(shù)據(jù)。然后在渦輪上規(guī)劃測(cè)量點(diǎn)，利用三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x對(duì)渦輪測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)，得出三坐標(biāo)檢測(cè)偏差結(jié)果。再對(duì)兩種檢測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，分別得出有關(guān)渦輪制造質(zhì)量的結(jié)論。最后將兩種檢測(cè)方式結(jié)果互相印證，總結(jié)出兩種檢測(cè)方式的優(yōu)缺點(diǎn)，得出兩種方式各自的實(shí)用范圍。

1　渦輪的三維掃描及結(jié)果分析

三維掃描是集光、電技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)于一體的非接觸測(cè)量技術(shù)，它能夠?qū)θS物體空間結(jié)構(gòu)和外形進(jìn)行掃描，以獲得物體表面的空間坐標(biāo)，再利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理,可以將被掃描物體數(shù)字化。使用三維掃描儀對(duì)葉輪模型進(jìn)行掃描，可以在計(jì)算機(jī)軟件中重構(gòu)被掃描工件的三維模型，將掃描模型的尺寸數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)模型進(jìn)行對(duì)比，可以得到高精度的偏差結(jié)果。

研究所用天遠(yuǎn)三維掃描儀，采用500萬像素雙攝像頭，測(cè)量精度0.015 mm。三維掃描的基本步驟為：首先給渦輪加工件噴上專門的顯像劑，以避免金屬表面反光，再在加工件表面貼上供攝像頭識(shí)別的標(biāo)記點(diǎn)，最后調(diào)整三維掃描儀進(jìn)行拼接掃描。將掃描所得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)讀入后處理軟件，去除孤點(diǎn)和噪聲數(shù)據(jù)，最后進(jìn)行面片劃分，得到渦輪網(wǎng)格數(shù)據(jù)。渦輪三維設(shè)計(jì)模型和掃描所得曲面網(wǎng)格模型如圖1所示。

對(duì)于渦輪葉片等復(fù)雜未知曲面，重構(gòu)需要大量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，掃描所得點(diǎn)云由2 142 536個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)組成。在后處理軟件Geomagic Verify中將掃描模型與三維模型按照最佳匹配對(duì)齊，在統(tǒng)一坐標(biāo)系下，對(duì)比掃描重構(gòu)點(diǎn)與設(shè)計(jì)模型點(diǎn)的位置，得出每個(gè)點(diǎn)的位置偏差數(shù)據(jù)。單點(diǎn)偏差的數(shù)據(jù)量巨大，以公差±0.1 mm為渦輪葉片的設(shè)計(jì)要求，整體偏差數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果見表1。從表1可以看出此渦輪約98%的點(diǎn)在公差范圍以內(nèi)。

圖1　三維設(shè)計(jì)模型與工件掃描模型對(duì)比

表1　整體偏差數(shù)據(jù)分析

從圖2整體偏差對(duì)比云圖中可以更加直觀地分析檢測(cè)結(jié)果。圖中不同顏色代表了偏差的不同大小，綠色區(qū)域代表偏差絕對(duì)值在0.1 mm以內(nèi)，橙色及黃色區(qū)域的偏差絕對(duì)值在0.1～0.4 mm之間，代表加工精度超過公差的工件位置。由圖2可見，渦輪輪轂面、葉片曲面和最大直徑面偏差絕對(duì)值在0.1 mm之內(nèi)，加工精度較高。偏差最大的區(qū)域是葉片和輪轂相交處，加工偏差絕對(duì)值在0.2～0.4 mm之間。結(jié)合表1整體偏差數(shù)據(jù)分析與圖2偏差云圖可初步推斷，約2%超出設(shè)計(jì)公差的點(diǎn)在圖2所示中輪轂與葉片相接的位置。

圖2　整體對(duì)比結(jié)果

為了進(jìn)一步印證上文的推斷，可以選取渦輪的某橫截面偏差結(jié)果進(jìn)行分析，查看與整體分析結(jié)果是否具有一致性。取兩端面中心位置，作出葉片翼型二維偏差圖，如圖3所示。由圖3可見，橙色大偏差點(diǎn)只出現(xiàn)在靠近葉根的部分，而葉片和輪轂上的點(diǎn)偏差都符合要求。更具體的，根據(jù)此截面的8 813個(gè)點(diǎn)數(shù)據(jù)做出的偏差分布百分比表見表2。由表2可以得出，此橫截面中偏差絕對(duì)值在0.1～0.4 mm范圍內(nèi)的點(diǎn)數(shù)大約占總點(diǎn)數(shù)的2%，與整體對(duì)比結(jié)果一致。

圖3　二維翼型對(duì)比圖

表2　截面偏差分布百分比表

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，各葉片曲面全尺寸誤差設(shè)計(jì)要求不超過±0.1 mm。由以上整體和橫截面的偏差數(shù)據(jù)分析可以推斷出：渦輪輪轂面、葉片頂面、葉身加工精度較高，偏差較大部分集中在葉片底部與輪轂交接部分。在實(shí)際使用中，葉根與輪轂相連接部分通常屬于彎度較大的圓滑過渡，這部分對(duì)渦輪整體性能影響不大；因此即便有2%的掃描點(diǎn)超過設(shè)計(jì)要求，考慮到偏差點(diǎn)的位置，也認(rèn)為此渦輪整體合格。

2　三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x檢測(cè)結(jié)果分析

三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x的檢測(cè)原理是將被測(cè)物體置于三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x的測(cè)量空間，獲得被測(cè)物體上各測(cè)量點(diǎn)的坐標(biāo)值，根據(jù)這些點(diǎn)的空間坐標(biāo)值經(jīng)過數(shù)學(xué)運(yùn)算求出被測(cè)物體的幾何尺寸、形狀和位置公差[9]。因此首先需要規(guī)劃好被測(cè)目標(biāo)的測(cè)量點(diǎn)，這是進(jìn)行三坐標(biāo)測(cè)量的基礎(chǔ)，是檢測(cè)工序中尤為關(guān)鍵和復(fù)雜的環(huán)節(jié)。由于渦輪的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)是結(jié)合流體力學(xué)數(shù)值模擬結(jié)果和試驗(yàn)修正不斷優(yōu)化后的結(jié)果，其葉片是自由曲面，無法給出具體表達(dá)式，因此選擇的測(cè)量點(diǎn)必須能夠反映出曲面的型面特點(diǎn)。

在正式測(cè)量以前，在三坐標(biāo)測(cè)量軟件中，導(dǎo)入渦輪的設(shè)計(jì)模型，首先在模型上建立合適的坐標(biāo)系，再根據(jù)等高差δx=12 mm將渦輪模型分成4個(gè)橫截面，在每個(gè)截面上以曲率半徑初始值y=85 mm，差值δy=15 mm取一組3個(gè)參考圓。參考圓與渦輪橫截面表面所得交點(diǎn)及為測(cè)量點(diǎn)，如圖4所示。求出這120個(gè)相交測(cè)量點(diǎn)的坐標(biāo)值。

圖4　渦輪測(cè)量點(diǎn)規(guī)劃

測(cè)量點(diǎn)規(guī)劃完成后開始正式測(cè)量。所用測(cè)量?jī)x器為ZEISS MMZ龍門式三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x，精度為：4.0+L/170 μm。參照計(jì)算機(jī)中設(shè)計(jì)模型坐標(biāo)系建立的方向，將被測(cè)渦輪固定到合適的測(cè)量位置，使用探針測(cè)量出定位特征，在被測(cè)渦輪上建立同樣的坐標(biāo)系。然后在計(jì)算機(jī)中規(guī)劃好測(cè)量路徑，使三坐標(biāo)探針能安全無碰撞地接觸到事先規(guī)劃好的測(cè)量點(diǎn)即完成測(cè)量。計(jì)算機(jī)會(huì)自動(dòng)對(duì)比出測(cè)量點(diǎn)的實(shí)際坐標(biāo)與設(shè)計(jì)值的偏差。渦輪的三坐標(biāo)檢測(cè)結(jié)果見表3。

表3　三坐標(biāo)檢測(cè)數(shù)據(jù)分析

由表3可見所有點(diǎn)的偏差值都在±0.1 mm以內(nèi)，可以判斷此渦輪合格。

3　討論

對(duì)比三維掃描儀和三坐標(biāo)檢測(cè)的結(jié)果，雖然檢測(cè)結(jié)果都一致認(rèn)為渦輪合格，但具體數(shù)據(jù)還是發(fā)現(xiàn)有很大的不同。兩者偏差的平均值，以及最大最小偏差都出現(xiàn)不同程度的差距。經(jīng)分析出現(xiàn)這種不同的原因?yàn)椋喝S掃描儀掃描到了渦輪的絕大部分位置，包括葉片和輪轂相交區(qū)域。而三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x由于本身探針的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)方向限制，無法用探針對(duì)渦輪進(jìn)行全面接觸，并不能測(cè)量到葉片和輪轂相交位置；三坐標(biāo)探針?biāo)芙佑|的葉片區(qū)域，恰好是渦輪實(shí)際偏差最小的區(qū)域，故而三坐標(biāo)檢測(cè)得到的偏差結(jié)果更小。實(shí)際加工情況來看，也是葉片和輪轂相交位置加工最為復(fù)雜，側(cè)面印證了分析結(jié)果。

首先兩種檢測(cè)方法從檢測(cè)結(jié)果來看都是可信的。三維掃描儀的優(yōu)點(diǎn)是掃描全面，操作簡(jiǎn)單；缺點(diǎn)是后處理復(fù)雜，需要一定的操作技巧和數(shù)據(jù)分析能力，并且每個(gè)部件掃描前都要進(jìn)行準(zhǔn)備工作，掃描時(shí)手動(dòng)操作，因?yàn)椴僮魅藛T不同，檢測(cè)時(shí)長無法預(yù)估。而三坐標(biāo)掃描儀恰好相反，測(cè)量規(guī)劃和測(cè)量程序的編制耗時(shí)較長，程序成型后便可全自動(dòng)化重復(fù)使用，檢測(cè)結(jié)果也不需要后處理程序。

4　結(jié)論

三維掃描儀測(cè)量相對(duì)于三坐標(biāo)測(cè)量來說，準(zhǔn)備時(shí)間較短，掃描范圍大，所得數(shù)據(jù)多，操作簡(jiǎn)單，后處理復(fù)雜，結(jié)果全面，適合試驗(yàn)件或小批量件。三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x雖然使用相對(duì)復(fù)雜,需要在測(cè)量前進(jìn)行詳細(xì)規(guī)劃測(cè)量精準(zhǔn)，但測(cè)量程序一次成型可重復(fù)使用，測(cè)量過程全自動(dòng)化，非常適合大批量檢測(cè)。測(cè)量人員可根據(jù)實(shí)際情況合理選擇。