王福磊，李金軍，王 偉，胡 平，王強(qiáng)

(國(guó)網(wǎng)甘肅劉家峽水電廠(chǎng)，甘肅 永靖 731600)

0 引 言

激光測(cè)距儀(laser rangefinder)是使用光電原理測(cè)量物體位置發(fā)生變化并以數(shù)字或模擬信號(hào)將測(cè)量結(jié)果輸出的組件，又稱(chēng)激光位移傳感器(the laser displacement sensor)。它可以遠(yuǎn)離被測(cè)體，避免被碰壞和被測(cè)體熱輻射而影響到測(cè)量精度，不僅可測(cè)量非常小面積并有較遠(yuǎn)的測(cè)量間距和測(cè)量范圍。與超聲波式測(cè)距儀比較，激光測(cè)距儀有測(cè)量精度高，穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。近幾年來(lái)國(guó)內(nèi)對(duì)于激光測(cè)距儀應(yīng)用廣泛，逐漸成為光電非接觸檢測(cè)產(chǎn)品的主流，在國(guó)外也較為普遍使用非接觸式的測(cè)量方式進(jìn)行高精度的檢測(cè)[1-4]。國(guó)內(nèi)水輪機(jī)大型過(guò)流部件加工時(shí)，需要精確測(cè)量工件在機(jī)床上的相對(duì)坐標(biāo)位置，目前通常采用百分表進(jìn)行找正測(cè)量，其存在測(cè)量精度低、效率低、失誤率高的問(wèn)題。筆者根據(jù)底環(huán)加工找正中要求將底環(huán)的整個(gè)圓周上的不同區(qū)域調(diào)整出高低不同數(shù)值點(diǎn)的難題，通過(guò)應(yīng)用激光測(cè)距儀，探討其解決方式，可在加工中有效提高測(cè)量效率及準(zhǔn)確性，解決百分表接觸式測(cè)量容易受到外界條件干擾造成測(cè)量不準(zhǔn)的問(wèn)題，達(dá)到不受現(xiàn)場(chǎng)因素干擾、快速準(zhǔn)確完成位置找正的目的。

1 問(wèn)題及技術(shù)難點(diǎn)

國(guó)網(wǎng)甘肅劉家峽水電廠(chǎng)在每年的機(jī)組擴(kuò)修工作中，需要進(jìn)行底環(huán)下抗磨板表面車(chē)削加工。底環(huán)下抗磨板表面的車(chē)削量，是根據(jù)上、下抗磨板之間的距離確定的。如圖1，上抗磨板安裝在頂蓋，下抗磨板安裝在底環(huán)上，先測(cè)量上、下抗磨板之間的距離d，再測(cè)量導(dǎo)葉葉身的長(zhǎng)度b，加上導(dǎo)葉端面的間隙：上端面間隙0.6 mm，下端面間隙0.4 mm，就可以計(jì)算出底環(huán)上表面加工余量x：

x= (b+ 0.4 + 0.6 )-d

圖1 導(dǎo)葉和頂蓋、底環(huán)裝配圖

由于受到一系列累計(jì)誤差的影響(如：上、下抗磨板加工精度、上、下抗磨板螺栓壓緊程度、頂蓋和底環(huán)安裝精度、導(dǎo)葉葉身加工精度等)，上、下抗磨板之間的距離并不是一個(gè)確定的值[5]。如表1，上下抗距離(1125+)最大值13.4，最小值12.17，均值12.8，其值在±0.6 mm左右波動(dòng)，這就造成了底環(huán)表面48塊抗磨板放入加工余量各不相同，有的相鄰兩塊抗磨板加工余量相差0.5 mm左右。

表1 底環(huán)下抗磨板加工計(jì)算表

需要根據(jù)不同的加工余量，將底環(huán)圓周上的不同位置調(diào)整出不同的高低點(diǎn)，來(lái)確保加工時(shí)不同的車(chē)削量[6]。這給找正工作帶來(lái)了很大困難。雖然底環(huán)由于尺寸長(zhǎng)度大，具有一定的撓度，但是如果超過(guò)了材料的屈服極限，找正工作則無(wú)法完成。建議取加工余量x的最大值，來(lái)保證導(dǎo)葉上、下端面間隙足夠，或者取允許范圍內(nèi)的較大值，使導(dǎo)葉端面間隙在允差范圍內(nèi)。目前，國(guó)內(nèi)機(jī)械加工在找正水平、同心等位置精度時(shí)一般使用百分表測(cè)量。這樣的接觸式測(cè)量具有許多弊端，人為碰觸和機(jī)械震動(dòng)都會(huì)影響測(cè)量精度、必須在工件靜止時(shí)測(cè)量、移動(dòng)下一個(gè)測(cè)點(diǎn)時(shí)表頭需要提起以躲避粗糙表面及障礙物、如果碰撞百分表使基準(zhǔn)變動(dòng)則造成重復(fù)作業(yè)，浪費(fèi)時(shí)間。采用激光測(cè)距儀器進(jìn)行大型工件加工的找正測(cè)量，可實(shí)現(xiàn)高精度非接觸測(cè)量，保證測(cè)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，提高找正測(cè)量的效率，確保工件加工質(zhì)量。

2 激光測(cè)距儀工作原理及實(shí)現(xiàn)方法

2.1 激光測(cè)距儀工作原理

目前激光測(cè)距儀最大測(cè)量起始位置可以達(dá)到1 m左右，測(cè)量范圍±200 mm，如圖2。目前，國(guó)際市場(chǎng)以德國(guó)史克公司(SICK)、英國(guó)的真尚有、日本的基恩士(KYENCE)、歐姆龍(OMRON)公司為代表的激光非接觸檢測(cè)儀器制造商。以基恩士激光測(cè)距儀為例，具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，可以通過(guò)PC實(shí)時(shí)顯示，并提取存儲(chǔ)在LK-G內(nèi)部?jī)?chǔ)存器中的數(shù)據(jù)，在控制軟件中讀取測(cè)量值以及擴(kuò)展其他數(shù)據(jù)分析功能[2]。

圖2 激光測(cè)距儀的類(lèi)型圖

在測(cè)量不規(guī)則和粗糙表面時(shí)，由于光的多重反射會(huì)產(chǎn)生許多的峰值，MRC算法會(huì)把這些波形與最新的接受光波進(jìn)行比較，然后決定一個(gè)與“正確波形”最為相似的波形，保證測(cè)量正確性。對(duì)工作環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，只要鏡頭不沾到水和油，就不影響測(cè)量精度。在進(jìn)行底環(huán)找正測(cè)量時(shí)，由于表面比較粗糙，可選擇寬光點(diǎn)型，具有極高的檢測(cè)穩(wěn)定性[1]。

2.2 實(shí)現(xiàn)方法

加工底環(huán)下抗磨板，必須先根據(jù)加工余量x確定找正數(shù)據(jù)。在現(xiàn)場(chǎng)的工作條件下使用百分表找正測(cè)量具有以下難點(diǎn)：①需要將百分表指針靜止在被測(cè)點(diǎn)才能讀數(shù)，因?yàn)檎艺纫蟆?.05 mm，如果被測(cè)點(diǎn)位置錯(cuò)差幾個(gè)毫米就會(huì)影響精度[3]。8 m立車(chē)在慣性的影響下很難使百分表測(cè)頭準(zhǔn)確停在被測(cè)點(diǎn)的位置上，幾毫米的距離很容易移過(guò)量，需要反復(fù)點(diǎn)動(dòng)找準(zhǔn)位置，浪費(fèi)了大量時(shí)間；②底環(huán)屬于多孔、坑工件，移動(dòng)到下一個(gè)測(cè)點(diǎn)時(shí)，需要提起百分表頭躲避不平表面，操作中多次提起表頭，效率低；③百分表的測(cè)量精度在0.01 mm，讀數(shù)困難，而且如果在測(cè)量時(shí)稍微碰撞百分表，則不能保證測(cè)量準(zhǔn)確性，必須返工重測(cè)，在測(cè)量48個(gè)被測(cè)點(diǎn)時(shí)，重復(fù)作業(yè)工作量大。針對(duì)以上難點(diǎn)，采用激光測(cè)量傳感器實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量，使測(cè)量、讀數(shù)過(guò)程連續(xù)且自動(dòng)化，能提高找正測(cè)量的精確性和工作效率。

2.2.1 裝置選型

從現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量工作的需求出發(fā)，考慮操作便捷，根據(jù)圖3所示的激光測(cè)距儀類(lèi)型，可選用多用途激光測(cè)距儀，測(cè)量范圍65～95 mm，精度能達(dá)到0.001 mm，滿(mǎn)足底環(huán)加工找正要求。

2.2.2 實(shí)施過(guò)程

如圖3所示，激光測(cè)距儀穩(wěn)固地安裝在磁力座，磁力座吸附在刀架上，光斑射在下抗磨板的測(cè)點(diǎn)上，可以連續(xù)測(cè)量讀數(shù)，轉(zhuǎn)動(dòng)到測(cè)點(diǎn)位置時(shí)只需要將8米立車(chē)速度調(diào)慢，記錄讀數(shù)即可。顯示屏不受現(xiàn)場(chǎng)光源的影響，可遠(yuǎn)距離清晰讀出測(cè)量的數(shù)值，測(cè)量一組48個(gè)數(shù)據(jù)從40 min改進(jìn)為10 min，能夠快速精確找正底環(huán)位置。

圖3 激光測(cè)距儀測(cè)量底環(huán)工裝示意圖

3 結(jié) 語(yǔ)

國(guó)網(wǎng)甘肅劉家峽水電廠(chǎng)在每年的機(jī)組擴(kuò)修工作中，此實(shí)踐提高了找正測(cè)量的效率和可靠性，提前1天完成加工，縮短機(jī)組檢修工期24 h，創(chuàng)造直接經(jīng)濟(jì)效益62.4萬(wàn)元。激光測(cè)距儀具有結(jié)構(gòu)小巧、測(cè)量速度快、精度高(0.001 mm)、非接觸測(cè)量、抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，能夠不接觸底環(huán)表面，不停止機(jī)床轉(zhuǎn)動(dòng)，連續(xù)測(cè)量并快速讀取數(shù)值，不受被測(cè)表面的影響，數(shù)倍提升了底環(huán)找正測(cè)量工作效率。