多通道電感量儀在葉片檢測中的應用及發(fā)展(機械部分)

1、多通道電感量儀在葉片檢測中的應用及發(fā)展（機械部分） 摘要 本文闡述了電感量儀在葉片檢測中的應用及發(fā)展歷程，論述了儀器的測量原理、系統(tǒng)構成、性能及操作方法，剖析了電感量儀機械結構的變化和改進，對法向式測量作了有益的探討。關鍵詞 電感量儀 精鍛葉片 相對比較測量 傳感器1. 引言多通道電感量儀是六十年代中后期國外開始發(fā)展應用的一種先進測量技術，主要應用于批量生產中的多尺寸綜合檢測。該類量儀融合了機、電、計算技術等各個學科的優(yōu)點，是一種高效率，高精度的檢測技術。尤其是測量過程的數(shù)字化，可為工藝過程及質量控制過程提供非常重要的技術數(shù)據(jù)，是過程控制的有力工具。因此，近半個世紀以來，該項技術在航空、汽車、

2、玻殼、汽車配件、燃氣發(fā)動機葉片等諸多行業(yè)得到了廣泛應用。 自七十年代末，我公司從國外引進電感量儀技術以來，我單位就一直負責該項技術的研發(fā)與應用工作。經過二十來年的努力，電感量儀已在我公司廣泛應用，尤其是在葉片零件的生產中，我們研制了近二百臺多通道電感量儀，涉及精鍛中心、16、36車間的9個機種，成為葉片生產質量控制中心必不可少的設備之一。在二十多年的時間里，我們一直緊跟該項技術的最新發(fā)展，不斷消化、吸收國內外先進科研成果，使電感量儀的傳感元件、傳導傳遞元件、電器元件、控制系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)得到了長足的進步，性能更趨穩(wěn)定可靠，精度更高。另外我們針對大扭轉葉片，將傳統(tǒng)的垂直式測量改為法向式測量，為葉片

3、的 測量探索出一條新路。2. 葉片檢驗機的型式、特點2.1 檢驗機+配套夾具方式：這主要是針對早期葉片品種多，批量不大采取的一種型式，他可兼容多種葉片，測量不同的品種時只需更換配套夾具即可，因是整體更換，調整也很方便。檢驗機分為立式和臥式兩種，立式檢驗機主要用來測量葉片的厚度、偏差、扭轉、彎曲和緣板位置；臥式檢驗機主要用來測量葉片阻尼臺的位置。傳導傳遞元件為平行簧片和杠桿，平行簧片在偏距小的條件下能精確地1:1將位移量傳遞出去；杠桿能按比例將位移量傳遞出去，且能將測量空間擴展，使結構能布置得開，但制造精度要求較高。傳感元件采用英國的TESA傳感器?？勺詣?、手動測量。它主要應用在精鍛中心的精鍛葉

4、片上。2.2 校彎扭測具：主要用來測量葉片的彎曲和扭轉。它采用鉸鏈壓緊器手動夾緊，傳感元件采用英國的TESA傳感器。這一型式結構簡單、效率高、操作方便、制造成本低，主要應用在精鍛中心的精鍛葉片上。2.3 檢驗專機：它是一種專用檢驗機，對應于一種葉片，適用于大批量的葉片測量中；它結構簡單、不需調換、體積小、效率高，是目前采用的主要型式。它主要用來測量葉片的厚度、偏差、扭轉、彎曲、緣板和阻尼臺位置。傳導傳遞元件采用傳感器直壓、導桿傳遞和杠桿傳遞，盡量簡化中間環(huán)節(jié)。傳感元件采用最新的英國索拉頓傳感器。動作控制采用PLC程序控制，用電氣互鎖替代原先采用的機械閥互鎖。可自動、手動測量。它主要應用在精鍛中

5、心的精鍛葉片上。2.4 V點測具：用來測量雙聯(lián)、三聯(lián)葉片的緣板位置，從而控制葉片的喉道當量和喉道面積。它不同于精鍛葉片的主要用工藝凸臺定位，采用葉身、緣板6點定位。傳導傳遞元件采用杠桿，傳感元件采用最新的英國索拉頓傳感器。可自動、手動測量。它主要應用在16車間的X9、X15機型葉片上。2.5 澆注測具：在澆注的過程中動態(tài)的控制葉片的喉道當量。采用葉尖、葉身6點定位。傳導傳遞元件采用杠桿和導桿，傳感元件采用最新的英國索拉頓傳感器。主要應用在36車間的X10機型葉片上。3. 測量項目3.1 精鍛葉片（用于精鍛中心）：葉身厚度、彎曲、扭轉、緣板位置。典型的測點圖如下：3.2 雙聯(lián)、三聯(lián)葉片（用于16

6、車間）：緣板位置。典型的測點圖如下：3.3 具體的測量程序可用以下框圖表示。 機械系統(tǒng)傳感器位移量檢出葉片定位裝夾標準葉片對標 電器系統(tǒng)信號放大處理A/D轉換計算機系統(tǒng)測量結果輸出軟件處理SPC報表打印機顯示器數(shù)學模型 4. 系統(tǒng)構成 一般由機械系統(tǒng)、電器系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)和氣動系統(tǒng)構成。這里主要講一下機械部分：4.1 機械系統(tǒng)機械系統(tǒng)在量儀中起著重要的作用。首先，量儀的檢測速度主要取決于機械裝置的結構，因為傳感器及電器部分的反應及傳遞速度相當快，影響檢測速度和效率的主要因素是被測件的定位、裝夾、取出和放入的時間，以及各方向的測量頭進入與退出的時間。另外，在測量誤差分配上，由于傳感器及電器部分只是

7、電氣信號的傳遞與放大，沒有機械運動，一般只占測量系統(tǒng)總誤差的30%，而機械裝置部分要占70%，因此機械裝置安排得合理與否，設計得好壞，直接關系到測量誤差的大小。4.1.1 定位壓緊方式精鍛中心的精鍛葉片主要有兩種方式。一種為工藝凸臺在葉盆端（見圖一），采用雙V型浮動定位，葉身三點定位，緣板V點軸向定位。葉背端設置兩壓桿壓在葉片凸臺上，壓緊力由彈簧提供，可調整至與測量力平衡，不使葉片變形。改進后的結構（見圖二）設置單獨的壓緊機構，可以使定位夾緊動作與測量動作分開，提高了測量精度和穩(wěn)定性。另一種為工藝凸臺在葉背端（見圖三），采用雙V型杠桿浮動定位壓緊，氣缸使其退開，彈簧力使其壓緊，葉身三點定位，緣

8、板V點軸向定位。 圖一 圖二 圖三 16車間的雙聯(lián)、三聯(lián)葉片采用葉身、緣板6點定位，自動定心機構使其自動定心，螺紋壓緊機構壓在葉身上壓緊（結構見圖四）。36車間的單葉片采用葉尖、葉身6點定位。圖 四4.1.2 傳遞傳導元件 當被測零件體積小，測點集中，傳感器無法直接檢測，或被測件要求的測量部位既有垂直方向的尺寸，又有水平方向的尺寸，用傳感器直接測量會產生干涉，則采用傳遞傳導元件。其目的就是將集中在小面積上的測點誤差（位移量）向外做直線或角向傳遞，使之達到擴散分布的目的。采用傳遞機構是否會對測量精度有影響？有兩種不同的看法：一種認為誤差量的拾取越直接越好，可以避免或減少在傳遞轉換過程中因運動件的

9、間隙、滯阻、磨察和擺動所造成的額外的誤差。因此，應該盡可能地將傳感器微型化。例如現(xiàn)在就有6直徑的傳感器，以便在一切可能的情況下，直接拾取被測點的誤差量。另一種認為傳感器直接接觸被測件不但會損傷傳感器，而且會使測量精度降低。因為傳感器的總行程為35毫米，前置行程1.75毫米，每進行一次測量，傳感器就要移動2毫米左右或更多。而采用測量傳遞裝置可以控制空行程的大小，使空行程只有測量誤差的2倍或更小。在一般情況下，傳感器測頭的移動量不超過1毫米或更少?？招谐绦。貜蜏y量的精度就會提高，零點漂移誤差就小。其次，由于傳感器中心線不一定垂直被測表面（例如被測表面為圓柱面、球面、雙斜平面等等），這會使傳感器的

10、測桿承受一個側向力使磁芯偏擺而產生誤差。并且在使用非球面測頭時（如刀口形、平面形），由于測桿的角向定位精度不高（2）而使測桿偏轉產生誤差。如采用傳遞裝置，與傳感器接觸的被測表面一般與傳感器中心線垂直，并且光度很高，所以上述誤差可以減少或避免。經過多次實驗和實際使用證明，被測件表面質量較差，被測尺寸公差較大，使用傳遞機構比直接測量更合適。在高精度測量時，用傳感器直接接觸被測件比較適合。在精鍛葉片的檢測中，應盡可能的采用傳感器直接測量。經常使用的傳遞傳導元件有以下幾種：4.1.2.1 簧片式：主要有平行簧片式、簧片杠桿式等，詳見多通道電感量儀及其應用一書及航標（HB3636-85HB3648-85

11、），這里不再贅述。它的優(yōu)點是能精確地1:1將位移量直線或角向傳遞出去，而且現(xiàn)已有成套的標準，利于批量制造、選用。缺點是結構復雜，裝配難度高，螺釘?shù)热菀姿蓜釉斐删葐适?，現(xiàn)已不常使用。4.1.2.2 杠桿式：能將位移量按比例直線或角向傳遞出去，結構簡單，體積小，裝配容易，但制造精度要求很高，因磨損對材料要求也很嚴。隨著制造水平的提高，杠桿式現(xiàn)在越來越多的應用在量儀中。4.1.2.3 導桿式：單導桿可直線傳遞，要實現(xiàn)偏距傳遞需有導向機構，結構簡單，導向精度靠配合精度來實現(xiàn)。雙導桿式可實現(xiàn)偏距、角向傳遞，對雙導桿及孔間距要求較高。另有一種結構，將測量和動力裝置結合在一起，導桿本身既是測量桿，又是一個

12、小活塞，當通進壓縮空氣時，導桿本身產生35毫米位移，測頭退開，斷氣時靠彈簧力將測頭壓出測量。它結構緊湊，在國外應用很廣，但由于制造要求高，在我公司還應用不多，但其很有潛力。現(xiàn)主要使用前兩種方式。4.1.2.4 溜板式：我公司已有成套的標準可供制造、選用，市面上也可買到現(xiàn)貨。它的特點是尺寸較小，運動靈活平穩(wěn)，精度高，結構簡單，但加工困難。隨著溜板類產品愈來愈系列化、商品化，價格下降，精度提高，它的使用也越來越廣。4.1.3 測力控制由于葉片厚度薄，剛性很差，許多測量項目，尤其是彎扭及葉身位置測量，要求是在一種“自由”狀態(tài)下的測量，當電感量儀采用接觸方式測量時，測力會引起工件的變形，導致誤判，故對

13、測力應嚴格加以控制。選用傳感器時應考慮其測力大小，對于不同的葉片采用不同的傳感器。測桿、杠桿的彈簧應精心調配，使其測量力合適。4.2 氣動系統(tǒng) 由氣源、空氣過濾組合、電磁閥、手動閥、氣缸、軟管及接頭等組成。典型的氣路原理圖如下：4.2.1 氣源：提供壓縮空氣。本系統(tǒng)要求氣源壓力0.40.7Mpa；4.2.2 空氣過濾組合：去除壓縮空氣中的水霧、油霧及微粒等有害物質，并向氣動系統(tǒng)提供霧狀潤滑油，確保各氣動元件可靠運行；4.2.3 電磁閥和手動閥：利用電磁力或手動使閥芯動作，實現(xiàn)氣路通斷和換向；4.2.4 氣缸：以壓縮空氣為動力，實現(xiàn)工件夾緊，測頭退回等測量動作；4.2.5 軟管和接頭：連接各氣動

14、執(zhí)行元件，完成氣路接通?，F(xiàn)有SMC、康茂勝、臺灣亞德客產品可供選用，性能優(yōu)良，質量可靠。5. 儀器操作5.1 開機前檢查： 葉片檢驗機為離線式檢測設備，工作前應先接通氣源（將氣壓調為0. 4Mpa，即4個大氣壓），再接通電源（電源指示燈亮），啟動計算機，進入【葉片檢驗機】工作界面。5.2 對標： 檢驗機進行測量之前，需用標準葉片來校正，簡稱對標。可一班（或一天）校對一次。對標時將按扭撥至對標位置，將標準葉片放在檢驗機上定位夾緊，按計算機屏幕提示操作，對標可手動或自動完成。5.3 傳感器量程調整：對標時，各通道值應在±0.1mm之內，如有異常，可調整相應通道傳感器。擰松螺釘使傳感器微量

15、移動，當示值在±0.1mm之內時，擰緊螺釘即可。5.4 測量 將葉片放在檢驗機上定位夾緊，按【啟動】按鈕即可自動完成。5.5 定標值修改 如標準葉片因日久磨損或其他原因,導致其特征值變動,可定期檢查，檢出各尺寸的實際值，計算出特征值（或稱標值）,將其輸入計算機即可。5.6 緊急狀態(tài)處理： 若出現(xiàn)異常聲響或動作，應及時按下控制面板上的紅色【急?！堪粹o，檢驗機所有動作都將被強行終止，待維護人員排除異常后，釋放【急?！堪粹o，檢驗機即可正常工作。6. 儀器主要技術指標：6.1 測量重復精度：±0.01;6.2 測量準確度：±0.02; 6.3 零漂： 溫漂0.1m/；時漂

16、0.01mm/4h；6.4 測量節(jié)拍：3s/件（不含上下料時間）；6.5 一次氣源：0.40.7Mpa；6.6 一次電源：AC 220V±10%，50Hz。7. 法向式測量的探討7.1 問題的提出 葉片檢驗機一直采用垂直測量的方法，但對于扭轉大的葉片，此種測量方法具有極大的弊端，由于受到惻向力的影響，重復精度低，難于保證測量精度。針對這種情況，我們提出了法向式測量的方法，完成了12.13車間三項葉片檢驗專機的設計，現(xiàn)兩項已制造完畢并投入調試使用中。7.2 技術分析 在葉片測量中，葉片厚度的測量是一重要的測量項目，它主要用來控制合模精度。根據(jù)設計圖紙，葉身厚度的幾何定義與描述如下：如圖

17、六所示，葉身厚度的幾何定義為：葉片沿法線方向的厚度值。以往的電感量儀采用垂直測量方式，通過相對位置增量T1、T2可推出厚度公式=（T1+T2）/cos ，設傳感器壓為正。當角度比較小時，對測量精度影響不大。如在EU46749F葉片中，max =9.09°,葉片厚度公差 = ±0.13mm，為簡化計算，常用=（T1+T2）來計算厚度，兩者最大誤差不大于3.3m。圖六但對于大扭轉的葉片來說，這一誤差卻不容忽視。如在EU23764Jd葉片中，max =66.036°,葉片厚度公差 = ±0.13mm。兩者最大誤差達到0.15mm。如不采用簡化公式，而用=（T1

18、+T2）/cos 來計算，由于測量方向與厚度定義方向不在一條線上，實際效果也不甚理想，并且重復精度差。法向式測量即測桿沿法線（角度）方向布置。這時就可解決垂直測量的弊端。但是它與垂直測量法相比，結構比較復雜，傳遞機構不易布置，斜孔多，對加工精度要求高。7.3 傳遞機構的設計及改進 在此量儀中，傳遞機構的合理設計尤為重要，既要結構簡單，運動靈活，又要考慮空間位置，保證測桿的剛性，1:1傳遞的可靠性。經過與主任，老師傅的反復討論，最后確定采用雙導桿壓傳感器的結構（具體結構見圖七所示），用彈簧力使其運動，導桿底部設置螺釘限位，使其在理論位置±2mm內活動。為了保證剛性，導桿、轉接板尺寸應盡可能的大，在此采用6的導桿和厚4mm的轉接板。為了保證機構運動的靈活性，測桿中心線與彈簧力的偏心距離應盡可能的短。在制造過程中，我們發(fā)現(xiàn)由于加工精度難于保證要求，雙導桿結構有“憋勁”現(xiàn)象，運動不夠靈活，尤其體現(xiàn)在角度大的測點上。為此我們將后導桿的壓配孔改為滑配長槽孔，使其既能保證測點角向位置不動，又能在“憋勁”時稍許滑動，將前導桿裝上直線軸承，從而克服這一問題。另外我們發(fā)現(xiàn)對于角度