海克斯康測(cè)量技術(shù)（青島）有限公司移動(dòng)式測(cè)量事業(yè)部 趙亞琦

針對(duì)風(fēng)電葉片檢測(cè)，提出了采用?？怂箍礚eica激光跟蹤儀與大尺寸曲面掃描測(cè)量技術(shù)的檢測(cè)方案，并將該技術(shù)應(yīng)用到實(shí)際項(xiàng)目中，案例分析表明，該檢測(cè)系統(tǒng)易于操作，受現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的限制較??；同時(shí)測(cè)量方式具有較高的檢測(cè)精度與檢測(cè)效率，可以實(shí)現(xiàn)自由曲面葉片的智能檢測(cè)。

一、引言

近年來石油、煤炭等傳統(tǒng)資源日益枯竭，同時(shí)傳統(tǒng)資源的大量燃燒所帶來的環(huán)境污染問題也日益嚴(yán)重，開發(fā)風(fēng)能、太陽能等可再生性新能源是當(dāng)今世界能源發(fā)展的趨勢(shì)。風(fēng)能是由于地表因接受太陽能能量不同，各處空氣溫度不同，造成空氣流動(dòng)而形成的動(dòng)能，是一種清潔無污染的可持續(xù)性再生能源，在技術(shù)成熟度、開發(fā)利用前景及經(jīng)濟(jì)效益等方面具有一定優(yōu)勢(shì)，是當(dāng)今新能源開發(fā)的一大熱點(diǎn)。目前，我國(guó)的風(fēng)電技術(shù)發(fā)展迅速，裝機(jī)總量不斷增長(zhǎng)，單機(jī)容量不斷上升。

風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)主要包括風(fēng)輪(葉片、輪轂)、風(fēng)輪軸、調(diào)速裝置、發(fā)電機(jī)和控制系統(tǒng)等，其中，風(fēng)輪收集風(fēng)能的能力主要與葉片的掃略面積相關(guān)。風(fēng)電葉片結(jié)構(gòu)由根部、縱梁與外殼三部分組成，根部與輪轂相連接，縱梁主要起支撐、加強(qiáng)筋的作用，外殼則形成氣動(dòng)外形，是生成氣動(dòng)力的主要部件。葉片外形首先通過設(shè)計(jì)軟件生成翼型曲線，并生成位于弦線坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，通過旋轉(zhuǎn)、平移與縮放轉(zhuǎn)化為葉片坐標(biāo)系下的各個(gè)截面翼型坐標(biāo)；擬合各截面輪廓線，并通過截面曲線創(chuàng)建葉片外形型面，最后進(jìn)行填充封閉處理，生成實(shí)體模型。從葉片外形的設(shè)計(jì)流程中可以看出，為了達(dá)到最佳的氣動(dòng)外形，在葉片的截面上設(shè)計(jì)了不同的弦長(zhǎng)、翼型、厚度及扭轉(zhuǎn)角等幾何參數(shù)。葉片的截面形狀直接影響葉片的實(shí)際型面輪廓、翼型的前后緣位置等關(guān)鍵幾何參數(shù)，葉片截面輪廓是影響整體剛度與強(qiáng)度的關(guān)鍵因素，當(dāng)加工精度不達(dá)標(biāo)時(shí)，往往造成葉片根部及中部的斷裂，因此，葉片輪廓形狀精度對(duì)風(fēng)電機(jī)組的性能及安全運(yùn)行具有重要影響。當(dāng)前，大型風(fēng)電葉片體積龐大，對(duì)整體葉片進(jìn)行測(cè)量勢(shì)必會(huì)耗費(fèi)大量的時(shí)間、精力，而測(cè)量翼型截面輪廓線不僅大大提高測(cè)量效率，同時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)可以比較全面地反映整體葉片信息。

葉片型面的成型質(zhì)量一般通過較高精度的加工模具來保證，成型后采用標(biāo)準(zhǔn)樣板比較法、電感測(cè)量法及三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)量等方式對(duì)葉片的外形型面進(jìn)行檢測(cè)。標(biāo)準(zhǔn)樣板比較法與電感測(cè)量法是基于模擬量傳遞的定性測(cè)量方式，依據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷產(chǎn)品是否合格，無法給出確切的數(shù)字量評(píng)價(jià)；采用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)進(jìn)行測(cè)量，可以保證較高的測(cè)量精度，但三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)對(duì)測(cè)量環(huán)境的要求，以及測(cè)量范圍的限制不適用于大型的風(fēng)電葉片型面的檢測(cè)。因此，大型風(fēng)電葉片的檢測(cè)需要一種高精度、高效率、測(cè)量范圍廣、適應(yīng)于復(fù)雜自由曲面檢測(cè)的新測(cè)量方案與技術(shù)。

針對(duì)大型風(fēng)電葉片外形的檢測(cè)，本文提出一種基于激光跟蹤儀的快速智能檢測(cè)方案，實(shí)現(xiàn)大尺寸風(fēng)電葉片的高效率、高精度現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)。

二、激光跟蹤儀掃描檢測(cè)技術(shù)

風(fēng)力發(fā)電機(jī)中葉片的設(shè)計(jì)直接影響風(fēng)能的轉(zhuǎn)換效率及年發(fā)電量，翼型作為葉片的氣動(dòng)外形，直接影響葉片對(duì)風(fēng)能的利用率。好的翼型在設(shè)計(jì)工況下能夠具有較高的升力系數(shù)和升阻比，而在非設(shè)計(jì)工況下具有良好的失速性能。

1.傳統(tǒng)葉片掃描檢測(cè)的局現(xiàn)性

如圖1所示風(fēng)電葉片室外檢測(cè)場(chǎng)景，葉片外形檢測(cè)所面臨的主要問題有：（1）傳統(tǒng)的測(cè)量工具無法對(duì)大型風(fēng)力葉片進(jìn)行全面而有效測(cè)量；（2）風(fēng)力葉片表面形狀曲率較大，普通三維掃描儀設(shè)備無法進(jìn)行精準(zhǔn)的三維數(shù)據(jù)測(cè)量；（3）高精度的三坐標(biāo)測(cè)量設(shè)備無法應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，加之受測(cè)量范圍影響，無法全截面及外形檢測(cè)。

圖1 風(fēng)電葉片檢測(cè)場(chǎng)景

2.新型檢測(cè)系統(tǒng)組成及優(yōu)勢(shì)

Leica激光跟蹤儀與大尺寸曲面掃描測(cè)量方案由高精度、絕對(duì)便攜的Leica激光跟蹤儀和適用于大尺寸快速掃描的激光掃描儀（LAS/LAS-XL）以及數(shù)據(jù)處理軟件組成。如圖2所示。

該測(cè)量系統(tǒng)與傳統(tǒng)的檢測(cè)手段相比，有如下優(yōu)勢(shì)：（1）精度高：AT960激光跟蹤儀ADM全量程0.01mm，LAS測(cè)量不確定度為60μm，LAS-XL 測(cè)量不確定度為0.15mm；（2）測(cè)量范圍廣：AT960激光跟蹤儀有效測(cè)量范圍為160M，LAS-XL單站位最大測(cè)量范圍為60M（直徑），可以一次性掃描大部分葉片外形，有些中型葉片單個(gè)葉片甚至無需轉(zhuǎn)站；（3）便捷性，環(huán)境適應(yīng)性高：該測(cè)量系統(tǒng)安裝攜帶方便，可以使用電池供電，可以直接應(yīng)用于生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，戶外風(fēng)電場(chǎng)等環(huán)境；（4）不同于傳統(tǒng)的風(fēng)電葉片檢測(cè)，測(cè)量時(shí)只需減少葉片自重與扭曲對(duì)翼型的影響，無需對(duì)葉片姿態(tài)的進(jìn)行特別調(diào)整。通過調(diào)整激光跟蹤儀的站位，可以方便地對(duì)不同類型、不同尺寸的葉片的全方位檢測(cè)；（5）測(cè)量坐標(biāo)系的建立不是必須的。可以直接進(jìn)行測(cè)量，在掃描測(cè)量完成后快速與理論模型或者理論坐標(biāo)進(jìn)行對(duì)齊。也可以先建立測(cè)量坐標(biāo)系再對(duì)葉片進(jìn)行檢測(cè)，能在一定程度上提高測(cè)量精度。

圖2 檢測(cè)系統(tǒng)基本組成

三、檢測(cè)方案應(yīng)用

葉片結(jié)構(gòu)與外形對(duì)發(fā)電效率的影響很大，因此對(duì)葉片實(shí)際外形的檢測(cè)顯得尤為重要。Leica激光跟蹤儀與LAS/LAS-XL結(jié)合的掃描方案克服了傳統(tǒng)測(cè)量方案的局限性，有著廣泛的應(yīng)用：（1）風(fēng)電葉片的逆向造型；（2）檢測(cè)成品葉片外形，與CAD數(shù)模比對(duì)，分析葉片翼型截面幾何參數(shù)和誤差情況；（3）可以用于生產(chǎn)車間葉片模具磨損的檢測(cè)分析，及時(shí)更正加工誤差來源；（4）能對(duì)風(fēng)電場(chǎng)對(duì)使用后的葉片做變形量檢測(cè)，用來分析其變形原因并用于指導(dǎo)設(shè)計(jì)。

1.風(fēng)電葉片逆向造型

對(duì)于沒有理論數(shù)模以及需要反求理論模型的情況，測(cè)量分析軟件提供了強(qiáng)大的逆向處理功能，可以實(shí)現(xiàn)風(fēng)電葉片的逆向造型需求。得益于AT960 激光跟蹤儀內(nèi)置高速工業(yè)相機(jī)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)快速跟蹤和LAS/LAS-XL的快速點(diǎn)云掃描，可以獲得客戶實(shí)際建模所需三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，如圖3所示，顯示了葉片測(cè)量點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行逆向建模的一般步驟，最終生成的CAD 模型可用于后續(xù)葉片的設(shè)計(jì)。

圖3 葉片點(diǎn)云逆向造型

2.風(fēng)電成品葉片及葉片翼型截面幾何參數(shù)分析

對(duì)于有理論模型的風(fēng)電葉片，簡(jiǎn)單快速的處理方式是將測(cè)量數(shù)據(jù)與理論數(shù)模對(duì)齊后，查詢檢測(cè)數(shù)據(jù)與理論模型之間的偏差，統(tǒng)計(jì)分析葉片的外形質(zhì)量并進(jìn)行三維可視化顯示，如圖4所示，可以十分清晰地看出葉片外形的整體趨勢(shì)變化狀況。

圖4 葉片整體趨勢(shì)色差圖

還可以根據(jù)需要對(duì)固定間隔的多個(gè)截面進(jìn)行分析，查看截面分析結(jié)果，通過直觀的色差圖查看整體與局部的偏差情況。圖5 顯示了整體葉片所測(cè)的各截面的分布狀況。

圖5 風(fēng)電葉片各截面片分析

通過對(duì)每個(gè)截面的分析，得到葉片實(shí)際參數(shù)弧長(zhǎng)，最大寬度，厚度以及進(jìn)口與出口角度，進(jìn)而對(duì)產(chǎn)品的后續(xù)優(yōu)化起到了較好的指導(dǎo)作用，圖6 顯示了分析軟件可以實(shí)現(xiàn)葉片加工參數(shù)的快速獲取與分析評(píng)價(jià)。

圖6 風(fēng)電葉片幾何參數(shù)

圖7則詳細(xì)顯示了葉片截面偏差，充分顯示了葉片的實(shí)際曲率變化，為葉片的性能分析與設(shè)計(jì)提供了參數(shù)依據(jù)。

圖7 葉片截面線數(shù)據(jù)分析

3.風(fēng)電葉片制造模具磨損分析

風(fēng)電葉片制造模具在長(zhǎng)期使用后會(huì)產(chǎn)生磨損，導(dǎo)致生產(chǎn)的葉片質(zhì)量受到影響。因此需要對(duì)模具磨損情況做定期檢查。儀器每秒鐘3000Hz的采樣頻率，移動(dòng)速度大于4m/s，65m長(zhǎng)的大葉片，短短30分鐘即采集了百萬數(shù)據(jù)點(diǎn)，幾乎覆蓋了整個(gè)葉形。圖8顯示了葉片模具檢測(cè)。

圖8 葉片制造模具檢測(cè)

通常情況下，測(cè)量得到數(shù)據(jù)之后，使用快速與 CAD 對(duì)齊功能使儀器坐標(biāo)和葉片設(shè)計(jì)坐標(biāo)粗對(duì)齊，然后用最佳擬合精確找出坐標(biāo)系，將測(cè)量數(shù)據(jù)與模具數(shù)模進(jìn)行對(duì)比，如圖9所示。

有時(shí)則要求使用模具根部對(duì)齊看前端變形，或者使用前端對(duì)齊看根部變形量等，對(duì)于這種情況，只需要改變一下原始數(shù)據(jù)的對(duì)齊模式，不需要二次測(cè)量，數(shù)據(jù)及報(bào)告可以自動(dòng)更新，如圖10所示。

圖9 數(shù)據(jù)對(duì)齊與適量偏差

圖10 擬合自動(dòng)更新與快速報(bào)告

四、結(jié)語

本文提出了基于激光掃描測(cè)量的風(fēng)電葉片智能檢測(cè)技術(shù)，有效地解決了風(fēng)電葉片檢測(cè)的技術(shù)難點(diǎn)，不僅實(shí)現(xiàn)了高精度、高效率的檢測(cè)，同時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)的快速分析處理可以滿足實(shí)際工程需求。實(shí)際應(yīng)用分析表明該檢測(cè)技術(shù)具有極高的應(yīng)用價(jià)值。