CN204423095U - 一种基于数控加工装置的涡轮叶片加工及在线检测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种基于数控加工装置的涡轮叶片加工及在线检测系统，主要包括工控机、电路切换模块、数字量I/O卡、数控机床、激光位移传感器等。本实用新型通过电路切换模块实现了叶片加工与在线检测两种系统之间的切换，叶片只需一次装夹、定位便可完成加工和检测两道工序；叶片加工和检测工序均在数控系统中完成，刀具轨迹点和激光检测点的生成算法一致，且加工及检测两个状态下到达目标检测点的速度、加速度、暂停时间及位置精度等相匹配，避免了由于两种系统参数的不匹配而导致的激光实际检测点与理论待检测点之间的偏差；避免了单独采用检测系统以及系统开发和维护所投入的巨大成本。

Description

一种基于数控加工装置的涡轮叶片加工及在线检测系统

技术领域

本实用新型涉及涡轮叶片的加工及检测领域，尤其是利用电路切换模块将以激光位移传感器作为检测元件的叶片检测系统集成到叶片的加工系统中，从而实现了叶片加工及检测的一体化。

背景技术

涡轮叶片的型面是根据空气动力学及流体力学理论经过复杂的数值计算而设计出的空间型面，其精度直接影响到相应设备的能量转换效率，因此叶片的加工及检测精度是保证叶片质量的关键。目前，叶片的加工及检测为两个相互独立的系统，即在加工系统中完成一批叶片的加工后，再在检测系统中对其进行抽样检测。常用的加工系统为五轴数控机床，检测系统有三坐标接触式检测系统、双目立体视觉检测系统及非接触式激光检测系统等。

(1)现实操作中，由于叶片的加工及检测为两个相互独立的系统，一片叶片需要两次装夹、定位，引入了误差。特别是在检测系统中，为了保证检测的精度，每一片叶片均需要重新装夹、定位，耗时很多。往往一片叶片从装夹到检测完毕需要近一个小时，而常用的三坐标接触式检测系统价格昂贵，不可能大量购置，所以只能对一批叶片进行随机抽样检测，检测结果存在一定的偶然性。

(2)在叶片加工过程中，由于叶片的型面很复杂，一般均是借助UG、MasterCAM等数控编程软件，参照叶片的理论轮廓曲线生成相应的数控加工G代码，再将生成的G代码导入数控系统驱动机床进行加工。但由于编程软件、数控系统及检测系统的封闭性，在获取叶片理论轮廓曲线及特征点的算法上存 在差异，即由于加工与检测的参照基准不统一而导致获取的检测点存在误差，进而造成了后期叶片截面各项参数的求取存在误差。

(3)常用的三坐标接触式检测系统由于采用接触式检测，触头在检测过程中需要始终和叶片相接触。当对粗加工、半精加工的叶片进行检测时，触头的磨损较大，不仅增大了成本而且随着磨损量的增大会影响到后续的检测精度。所以常常用于精加工的叶片检测，检测范围较小。

(4)双目立体视觉检测系统对环境的要求较高，容易引入误差点，需要对数以万计的点云数据进行分析、计算，误差较大、精度较低。

(5)三坐标接触式检测系统，双目立体视觉检测系统等操作复杂，尤其是对叶片进行装夹、定位时需要专门的设备，对操作人员要求较高，且系统维护昂贵，增加了成本，不易于大量购置、运用。

发明内容

本实用新型要解决的技术问题是：提出一种基于数控加工装置的涡轮叶片加工及在线检测系统，克服了上述叶片加工及检测实际中的不足，将由激光位移传感器、数字量I/O卡及工控机等组成的叶片检测系统，通过在数控机床操作面板与冷却系统的连接电路之间外接一个电路切换模块，实现了叶片加工及检测的一体化。

本实用新型所采用的技术方案为：一种基于数控加工装置的涡轮叶片加工及在线检测系统，包括外接在数控机床操作面板与机床冷却系统之间的电路切换模块；所述的电路切换模块一路连接叶片加工系统，另一路连接叶片在线检测系统；所述的叶片在线检测系统依据检测要求，在叶片指定截面曲线上，生成指定数量的理论待检测点；并输出理论待检测点的坐标值后按照各点的法线 方向生成检测G代码；运行叶片检测G代码，所述的机床冷却系统输出的电平经过转接电路后通过数字量I/O卡连接至工控机；所述的工控机连接激光位移传感器；工控机在接受到信号后，通过串口以激光位移传感器指定的通讯协议向其发送开启、检测指令，并按照设定的检测周期获取激光位移传感器测量的数值从而获得实际检测点的坐标值。

本实用新型所述的激光位移传感器与叶片所测截面垂直，并在每个待检测点的位置插入一行冷却关控制指令。

为了以便激光位移传感器测得的数据点和理论点相匹配，本实用新型所述的检测G代码的首点坐标设为基准点，将输出的理论待检测点按照G代码的生成顺序进行排序。

本实用新型所述的激光位移传感器通过夹具设置在刀架上；叶片加工完成后，在保证机床停止状态下，将冷却系统的输出口调至叶片检测状态。取下加工刀具，将装夹有激光位移传感器的夹具装至刀架上，按照激光位移传感器的测量范围设置刀补、对刀以保证激光位移传感器的激光束与对刀点重合。

本实用新型所述的获得实际检测点的坐标值的方法是：激光位移传感器测得的各点的距离数值减去激光位移传感器的测量范围，以得到叶片实际检测点相对于理论点在法线方向上的偏移量；所述的将偏移量沿法线方向累加到对应的理论检测点，从而得到实际检测点的坐标值。

本实用新型的有益效果是：

a、将叶片加工及检测集成到一个系统中，叶片只需一次装夹、定位便能完成加工、检测两道工序。避免了现实操作中，叶片检测时由于二次装夹、定位所引入的误差。

b、现有的叶片检测系统中，一片叶片从装夹、定位到检测完成的周期近一 个小时，而装夹、定位的耗时占到了60％-80％，影响到整个系统的检测效率。将叶片加工及检测集成到一个系统中，节省了二次装夹的耗时，提高了系统效率。

c、本实用新型将检测系统集成到叶片的加工系统中，可对叶片的粗加工、半精加工、精加工等各个加工阶段进行跟踪检测。对某个加工阶段中出现的不合格原因进行分析及补救，保证了叶片加工的最终精度。避免了现实操作中只对精加工进行检测而不能及时发现叶片不合格的加工阶段，从而导致后续加工仍在进行所带来的人力及时间的耗费。

d、将叶片加工及检测集成到一个系统中，刀具轨迹点和激光检测点的生成算法一致，且加工及检测两个状态下到达目标点的速度、加速度、暂停时间及位置精度等相匹配，避免了由于两种系统的参数不匹配而导致的激光实际检测点与理论待检测点之间的偏差。

e、将叶片加工及检测集成到一个系统中，可针对不同的叶片型号及粗、精加工阶段设置不同的待检测点，保证了叶片的检测效率。避免了三坐标接触式检测系统中，不论叶片大小每层均需检测数千个点所带来的效率不足的问题。

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。

图1是本实用新型转换电路的电路原理图；

图2是叶片的截面图，图中：21、前缘；22、叶盆；23、后缘；24、叶背；

图3是叶片特征参数，图中：31、法线方向；32、最大内切圆；33、中弧线；34、弦线；

图4是系统硬件操作流程图；

图5是系统软件操作流程图。

具体实施方式

现在结合附图和优选实施例对本实用新型作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本实用新型的基本结构，因此其仅显示与本实用新型有关的构成。

由于机床的冷却系统在叶片检测过程中并不应用，因此在数控机床操作面板与冷却系统之间外接一个电路切换模块。利用数控控制器对应于冷却系统的DO输出口，外接一个“单刀双掷开关”来实现叶片加工与检测两种状态之间的切换。

考虑到数控机床的其他加工用途，如果输出接口在测量状态下均未被其它输出占用，将包括DOCOM接口在内的接口整体替换为5V输入，则可以直接连接数字量I/O卡；如果部分接口不能替换，或者DOCOM口不能使用5V电源，而数字量I/O卡接受信号通常为5V，则需要转接电路，如图1。

借助UG的数控编程模块，参照叶片加工工艺生成相应的加工G代码。

依据检测要求，在叶片指定截面曲线上，按照特定的插值算法生成指定数量的理论待检测点。输出理论待检测点的坐标值，按照各点的法线方向生成检测G代码，以保证激光位移传感器始终与叶片所测截面垂直，并在每个待检测点的位置插入一行冷却关控制指令。

以检测G代码的首点坐标为基准点，将输出的理论待检测点按照G代码的生成顺序进行排序，以便激光位移传感器测得的数据点和理论点相匹配。

将冷却系统的输出口调至叶片加工状态，在完成叶片装夹、机床启动、对刀及刀补设置等操作后开始对叶片进行加工。

叶片加工完成后，在保证机床停止状态下，将冷却系统的输出口调至叶片检测状态。取下加工刀具，将装夹有激光位移传感器的夹具装至刀架上，按照激光位移传感器的测量范围设置刀补、对刀以保证激光束和对刀点重合。

运行叶片检测G代码，由于在每个待检测点处均插入了一条冷却关控制指令，当机床带动激光位移传感器运行到待检测点时，机床会向数控控制器的冷却系统输出口输出一个电平。

DO口输出的电平经过电平转换后，由数字量I/O卡传至工控机，工控机在接受到信号后，通过串口以激光位移传感器指定的通讯协议向其发送开启、检测指令，并按照设定的检测周期获取激光位移传感器测量的数值。

将经过排序后的理论检测点以最小二乘法拟合出前缘、后缘，以三次样条曲线拟合出叶盆和叶背，如图2所示。分别求取各点的法向方向，最大内切圆等特征参数，如图3所示。

将激光位移传感器测得的各点的距离数值减去激光位移传感器的测量范围，以获取叶片实际检测点相对于理论点在法线方向上的偏移量。将偏移量沿法线方向累加到对应的理论检测点，从而得到实际检测点的坐标值。

按照以最小二乘法拟合出实际检测的叶片截面曲线，并求取相应的特征参数。

比较实际检测点相对于理论点在法线方向的偏移量，以及各特征参数的偏差值，从而判断出该截面以及整个叶片是否合格并输出检测报告。

以上说明书中描述的只是本实用新型的具体实施方式，各种举例说明不对本实用新型的实质内容构成限制，所属技术领域的普通技术人员在阅读了说明书后可以对以前所述的具体实施方式做修改或变形，而不背离本实用新型的实质和范围。

Claims (3)

1.一种基于数控加工装置的涡轮叶片加工及在线检测系统，其特征在于：包括外接在数控机床操作面板与机床冷却系统之间的电路切换模块；所述的电路切换模块一路连接叶片加工系统，另一路连接叶片在线检测系统；所述的叶片在线检测系统依据检测要求，在叶片指定截面曲线上，生成指定数量的理论待检测点；并输出理论待检测点的坐标值后按照各点的法线方向生成检测G代码；运行叶片检测G代码，所述的机床冷却系统输出的电平经过转接电路后通过数字量I/O卡连接至工控机；所述的工控机连接激光位移传感器；工控机在接受到信号后，通过串口以激光位移传感器指定的通讯协议向其发送开启、检测指令，并按照设定的检测周期获取激光位移传感器测量的数值从而获得实际检测点的坐标值。

2.如权利要求1所述的一种基于数控加工装置的涡轮叶片加工及在线检测系统，其特征在于：所述的激光位移传感器与叶片所测截面垂直。

3.如权利要求1所述的一种基于数控加工装置的涡轮叶片加工及在线检测系统，其特征在于：所述的激光位移传感器通过夹具设置在刀架上；激光位移传感器的激光束与对刀点重合。