CN113070658B - 汽轮机叶盘叶片定位装配系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种汽轮机叶盘叶片定位装配系统，包括定位检测模块、主控模块与驱动模块。定位检测模块用于检测叶片在叶盘上的预装位置并在叶盘旋转至预装位置时发出定位信号。主控模块用于获取启动指令，并根据启动指令发出转矩输出信号，并在接收到定位信号时发出停转输出信号与静转矩输出信号。驱动模块用于根据转矩输出信号驱动叶盘旋转，并根据停转输出信号停止驱动叶盘，且根据静转矩输出信号向叶盘输出静转矩。此外，还提供了一种汽轮机叶片装配方法。上述汽轮机叶盘叶片定位装配系统及方法，无需人工协同，提高了装配效率，降低了人力成本，消除了人工协同的安全隐患，不会造成旋转电机过冲，延长了电机的使用寿命。

Description

汽轮机叶盘叶片定位装配系统及方法

技术领域

本发明涉及汽轮机装配技术领域，特别是涉及一种汽轮机叶盘叶片定位装配系统及方法。

背景技术

汽轮机也称蒸汽透平发动机，是一种旋转式蒸汽动力装置，高温高压蒸汽穿过固定喷嘴成为加速的气流后喷射到叶片上，使装有叶片排的转子旋转，同时对外做功。汽轮机是现代火力发电厂的主要设备，也用于冶金工业、化学工业、舰船动力装置中。汽轮机由转动部分和静止部分两个方面组成。转动部分即转子，包括主轴、叶盘、叶片和联轴器。叶盘套设在主轴上，叶盘与主轴之间过盈配合并用键传递力矩，以防止叶盘因离心力及温差作用引起松动。叶片安装在叶盘上，接受喷嘴叶栅射出的高速气流，把蒸汽的动能转换成机械能，使转子旋转。

协同装配是目前自动化生产中必不可少的技术，通过各环节的协同工作完成某一实物的装配任务。协同装配技术的关键点在于如何收集、处理、传递各协同环节的信息。各环节的信息类型各不相同，有数字量、模拟量、开关量等，如何将这些不同类型的信息转化成所需要的信息类型是协同工作的必要前提。

对于汽轮机叶片的装配工作，一般采用人机协同的半自动装配方案，装配效率低，人工成本高。同时，叶盘质量较大，难以实现叶盘的精准定位，定位误差较大。并且，装配叶片时会改变叶盘重心使叶盘转动，存在安全隐患，而且会造成旋转电机过冲，缩短电机的使用寿命。

发明内容

基于此，有必要针对汽轮机叶片装配效率低、成本高、叶盘定位误差大以及装配叶片时容易造成过冲的问题，提供一种装配效率较高、成本较低、叶盘定位精度较高以及可避免过冲的汽轮机叶盘叶片定位装配系统及方法。一种汽轮机叶盘叶片定位装配系统，包括

定位检测模块，用于检测叶片在叶盘上的预装位置，并在所述叶盘旋转至所述预装位置时发出定位信号；

主控模块，用于获取启动指令，并根据所述启动指令发出转矩输出信号，并在接收到所述定位信号时发出停转输出信号与静转矩输出信号；与

驱动模块，用于根据所述转矩输出信号驱动所述叶盘旋转，并根据所述停转输出信号停止驱动所述叶盘，且根据所述静转矩输出信号向所述叶盘输出静转矩。

进一步的，还包括工控模块，所述主控模块还用于在发出静转矩输出信号后发出叶片装配信号，所述工控模块接收并根据所述叶片装配信号控制机械臂向叶盘上装配叶片。

进一步的，所述工控模块还用于在叶片装配完成后发出反馈信号，所述主控模块接收所述反馈信号并根据所述反馈信号发出转矩输出信号。

进一步的，所述定位检测模块为反光板型光电传感装置，所述反光板型光电传感装置包括多片反光片与光电传感器，所述多片反光片沿转子主轴周向贴设于转子主轴上，所述光电传感器垂直所述转子主轴设置，所述光电传感器与所述主控模块电连接，所述光电传感器检测到反光片反射的光信号时，发出所述定位信号，所述定位信号为负电压脉冲信号。

进一步的，所述驱动模块包括伺服驱动器与伺服电机，所述伺服驱动器分别电连接所述主控模块与伺服电机。

进一步的，所述主控模块为PLC，所述PLC接收所述负电压脉冲信号，并对所述负电压脉冲信号进行滤波处理，并根据滤波后的负电压脉冲信号后向所述伺服驱动器发出所述停转输出信号与所述静转矩输出信号。

进一步的，所述工控模块为工控机，所述工控机通过RS485转USB接线连接所述主控模块。

此外，还提供了一种汽轮机叶盘叶片定位装配方法，包括以下步骤，

PLC获取启动指令，并根据所述启动指令发出转矩输出信号；

伺服驱动器接收并根据所述转矩输出信号驱动伺服电机输出转矩；

PLC判断是否接收到光电传感器发出的定位信号；若是，则

PLC发出停转输出信号与静转矩输出信号，伺服电机停转并输出静转矩。

进一步的，在所述伺服电机停转并输出静转矩的步骤之后，还包括如下步骤，

PLC向工控机发送叶片装配信号，所述工控机根据所述叶片装配信号控制机械臂向叶盘上装配叶片。

进一步的，在所述工控机根据所述叶片装配信号控制机械臂向叶盘上装配叶片的步骤之后，还包括以下步骤，

PLC判断工控机是否发出反馈信号；若是，则

PLC向伺服驱动器发出转矩输出信号。

上述汽轮机转子装配系统及方法，无需人工协同，提高了装配效率，降低了人力成本，消除了人工协同的安全隐患。另外，装配叶片时即便改变叶盘重心，因驱动模块的静转矩的存在，叶盘也不会转动，无安全隐患，不会造成旋转电机过冲，延长了电机的使用寿命。

附图说明

图1为一个实施例的汽轮机叶盘叶片定位装配系统的模块图；

图2为另一个实施例的汽轮机叶盘叶片装配系统的模块图；

图3为一个实施例的汽轮机叶盘叶片定位装配方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，在一个实施例中，一种汽轮机叶盘叶片定位装配系统，包括定位检测模块110、主控模块120与驱动模块130。定位检测模块110与驱动模块130分别与主控模块120电连接。

定位检测模块110用于检测叶片在叶盘上的预装位置并在叶盘旋转至该预装位置时发出定位信号。转子主轴与叶盘过盈配合，通过驱动转子主轴的转动控制叶盘的旋转，叶盘上有多个预装位置需要安装叶片，将用于装配叶片的机械臂设置在叶盘的一侧，当机械臂完成一个预装位置的叶片装配后，叶盘转动，使下一预装位置旋转至机械臂处，以便机械臂进行下一叶片的安装。定位检测装置110通过检测转子主轴的转动进而判断叶盘是否转动到预装位置，定位检测装置110设置于转子主轴的一侧。当叶盘旋转至预装位置时，定位检测模块110被触发，从而向主控模块120发送定位信号，以向主控模块120表示叶盘已经旋转到预装位置。

主控模块120用于获取启动指令，并根据该启动指令发出转矩输出信号，并在接收到定位信号时发出停转输出信号与静转矩输出信号。在向主控模块120输入启动指令时，主控模块120向驱动模块130发出转矩输出信号，以使驱动模块130驱动叶盘以预先设定的转矩转动，直至叶盘旋转到预装位置时，主控模块120获取定位信号并发出停转输出信号与静转矩输出信号，以控制驱动模块130停止驱动叶盘和输出静转矩。在向主控模块120输入停转指令时，主控模块120发出停转输出信号。该静转矩，是指电机通电但未转动时，电机定子锁住电机转子的力矩。

上述汽轮机叶盘叶片定位装配系统，无需人工协同，提高了装配效率，降低了人力成本，消除了人工协同的安全隐患。同时，采用定位检测模块110预先定位，定位精度高。驱动模块130驱动叶盘转动的转矩与转速，预先通过主控模块进行设置，采用大转矩小转速的原理，停转时惯量较小。在主控模块120接收到定位信号后发出停转输出信号后，驱动模块130立即停止驱动，保证了定位精度。另外，装配叶片时即便改变叶盘重心，因驱动模块130的静转矩的存在，叶盘也不会转动，无安全隐患，不会造成旋转电机过冲，延长了电机的使用寿命。

在本实施例中，汽轮机叶盘叶片定位装配系统还包括工控模块140。主控模块120还用于在发出静转矩输出信号后发出叶片装配信号。工控模块140接收并根据叶片装配信号控制机械臂向叶盘上装配叶片。在对叶盘完成精确的定位后，主控模块120开始控制进行叶片装配。叶盘上需要装配多个叶片，每个预装位置都需要安装叶片，如果保持叶盘不转动，单纯依靠机械臂进行盘面不同预装位置的叶片装配，是难以实现的。因此，比较实用的方法是，机械臂装配位置不变，通过旋转叶盘将叶盘上的预装位置依次旋转至机械臂的装配位置，进而完成叶片的装配。并且，在叶片的装配过程中，随着叶片的安装，叶盘的重心的偏移，驱动模块130输出的静转矩可有效的阻止叶盘的转动，有助于叶片的准确装配。在具体的实施例中，工控模块140还用于在叶片装配完成后发出反馈信号，以表示叶片装配完成。主控模块120接收该反馈信号并根据该反馈信号发出转矩输出信号。驱动模块130接收并根据该转矩输出信号驱动叶盘转动，当叶盘旋转至下一预装位置时，定位检测模块110再次被触发，发出定位信号，主控模块120根据该定位信号控制驱动模块130停止驱动叶盘并输出静转矩。输出的静转矩，避免叶盘的进一步转动，随后机械臂进行下一叶片的安装。

如图1和2所示，在一个实施例中，定位检测模块110为反光板型光电传感装置(未标示)，该反光板型光电传感装置包括多个反光片(未标示)与光电传感器112。主控模块120为PLC(Programmable Logic Controller,可编程逻辑控制器)，驱动模块130包括伺服驱动器132与伺服电机134。多片反光片沿转子主轴周向贴设于转子主轴上，光电传感器112垂直转子主轴设置且发出的光信号垂直于转子主轴，光电传感器112与PLC122电连接，光电传感器112检测到反光片反射的光信号时，发出定位信号，该定位信号为负电压脉冲信号。定位检测是决定叶盘旋转精度的关键，光电传感器112是将光信号转变为电压信号进行输出，光电传感器112不间断的发出光信号，当光电传感器未检测到反光片的位置时输出的电压信号保持恒定值，当光电传感器检测到被反光片反射的光信号时，将输出负电压脉冲信号。由此可判断叶盘旋转到位。因此只需要将反光片贴在转子主轴的指定位置，通过检测反光片的位置就能完成对叶盘的定位。

伺服驱动器132分别电连接PLC122与伺服电机134。PLC122接收光电传感器112发出的负电压脉冲信号，并对该负电压脉冲信号进行滤波处理，并根据滤波后的负电压脉冲信号向伺服驱动器132发出停转输出信号与静转矩输出信号。工控模块140为工控机142，工控机142通过RS485转USB接线连接PLC122。协同装配是目前自动化生产中必不可少的技术，通过各环节的协同工作完成某一实物的装配任务。协同装配技术的关键点在于如何收集、处理、传递各协同环节的信息。各环节的信息类型各不相同，有数字量、模拟量、开关量等，如何将这些不同类型的信息转化成所需要的信息类型是协同工作的必要前提。主控模块120是数据汇集、数据处理和控制指令发出的中心，此模块是整个协同装配系统的核心。主控模块120采用PLC122，PLC122具有模拟量、数字量的输入输出端口，可对模拟量、数字量进行转换并输出，且其数据处理速度可达到微秒级，将提高协同装配系统的响应速度。PLC122具有模拟量处理能力且能够对模拟量进行滤波，保证输入的模拟量信号的稳定性，保持模拟量信号稳定性将进一步的提高定位的精确性。PLC122通过数字量的输出端口，发送高低电平信号至伺服驱动器132，对伺服电机134的参数进行控制，从而实现控制叶盘旋转的目的。PLC122由于其扩展能力强，可通过扩展模块实现除以太网通信外的串口通信。串口通信可实现PLC122与工控机142的数据交流，并且以此通信方式完成协同功能。此外，通过PLC调节伺服电机的参数，可实现对电机减速时间以及加速度控制实现电机的快速、平稳停车。叶盘旋转是通过伺服电机134的旋转轴控制，叶盘的质量m巨大，叶盘具有较大的半径r，根据转动惯量公式I＝m·r²可知，叶盘的转动惯量也是巨大的，在装配过程中出现重心改变的现象，容易造成叶盘旋转。因此，采用伺服电机134，通过惯量比计算公式选择合适的伺服电机134，该公式为：

J＝∑mi*ri²，

式中，mi为主轴上第i个叶盘的质量，ri为主轴上第i个叶盘的半径。

另外，通过PLC发出的指令控制伺服电机134的启停命令。伺服电机134的优势在于可以利用简单的开环控制思想实现定位功能，其定位精度可以被提高。伺服电机134在使能状态下由于其内部的闭环系统出现力矩，即为上述的静转矩。这个静转矩的作用能够避免因为大负载、大惯量在静止状态下而导致叶盘与主轴一起发生转动、位置发生偏移的情况，同时静转矩的存在使得电机避免产生过冲现象。叶片装配是采用机械臂代替人力完成叶片装配的设计思想，机械臂的优势在于能够不间断工作，通过协同系统将提高装配效率，降低装配成本。工控机142和PLC122通过串口通信方式实现数据交流，实现协同功能。利用PLC122的扩展能力，加装RS485模块实现串口通信。PLC122的程序编辑环境一般是在Windows中，而控制机械臂的工控机142的程序编写环境一般是在Linux系统中，两中编辑环境有本质的区别，一般采用串口通信实现在两种系统中的数据交流。在PLC122中建立收发串口通信变量表并编写串口通信程序，在Linux中编写串口通信包保障在此环境中能够读取和发送串口指令，将RS485模块连接转USB的接线，此举是为了方便与机械臂的工控机142连接，避免增加工控机142的以太网接口。在装配环节使用两台机械臂，一台抓取叶片并将叶片放入叶盘待装配区域，另一台使用螺纹栓固定，通过两台机械臂的配合将完成叶片的装配工作。在机械臂完成装配任务之后，发送相应反馈信号至PLC122，继续完成下一步的装配工作。系统将不断重复转动叶盘、装配叶片操作直至完成整个汽轮机叶片的装配工作。伺服电机与机械臂的协同功能，取代了人力装配，提高了叶盘定位精度并且缩短了叶片装配时间，降低装配成本，提高了装配效率。

如图3所示，在一个实施例中，一种汽轮机叶盘叶片定位装配方法，包括以下步骤：

步骤S310，PLC获取启动指令，并根据该启动指令发出转矩输出信号。

步骤S320，伺服驱动器接收并根据该转矩输出信号驱动伺服电机输出转矩。

步骤S330，PLC判断是否接收到定位信号。若否，则重复判断。若是，则进入下一步骤。

步骤S340，PLC发出停转输出信号与静转矩输出信号，伺服电机停转并输出静转矩。

步骤S450，PLC向工控机发送叶片装配信号，该工控机根据该叶片装配信号控制机械臂向叶盘上装配叶片。

步骤460,PLC判断工控机是否发出反馈信号。若否，则重复判断。若是，则进入下一步骤。

步骤S470，PLC向伺服驱动器发出转矩输出信号。然后进入步骤S320。循环各步骤，直至完成所有叶片的安装。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (6)

1.一种汽轮机叶盘叶片定位装配系统，其特征在于，包括

定位检测模块，用于检测叶片在叶盘上的预装位置，并在所述叶盘旋转至所述预装位置时发出定位信号；

主控模块，用于获取启动指令，并根据所述启动指令发出转矩输出信号，并在接收到所述定位信号时发出停转输出信号与静转矩输出信号；与

驱动模块，用于根据所述转矩输出信号驱动所述叶盘旋转，并根据所述停转输出信号停止驱动所述叶盘，且根据所述静转矩输出信号向所述叶盘输出静转矩；

所述定位检测模块为反光板型光电传感装置，所述反光板型光电传感装置包括多片反光片与光电传感器，所述多片反光片沿转子主轴周向贴设于转子主轴上，所述光电传感器垂直所述转子主轴设置，所述光电传感器与所述主控模块电连接，所述光电传感器检测到反光片反射的光信号时，发出所述定位信号，所述定位信号为负电压脉冲信号。

2.根据权利要求1所述的汽轮机叶盘叶片定位装配系统，其特征在于，还包括工控模块，所述主控模块还用于在发出静转矩输出信号后发出叶片装配信号，所述工控模块接收并根据所述叶片装配信号控制机械臂向叶盘上装配叶片。

3.根据权利要求2所述的汽轮机叶盘叶片定位装配系统，其特征在于，所述工控模块还用于在叶片装配完成后发出反馈信号，所述主控模块接收所述反馈信号并根据所述反馈信号发出转矩输出信号。

4.根据权利要求1所述的汽轮机叶盘叶片定位装配系统，其特征在于，所述驱动模块包括伺服驱动器与伺服电机，所述伺服驱动器分别电连接所述主控模块与伺服电机。

5.根据权利要求4所述的汽轮机叶盘叶片定位装配系统，其特征在于，所述主控模块为PLC，所述PLC接收所述负电压脉冲信号，并对所述负电压脉冲信号进行滤波处理，并根据滤波后的负电压脉冲信号向所述伺服驱动器发出所述停转输出信号与所述静转矩输出信号。

6.根据权利要求2所述的汽轮机叶盘叶片定位装配系统，其特征在于，所述工控模块为工控机，所述工控机通过RS485模块转USB接线连接所述主控模块。

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