渦輪機葉片測量儀三軸聯(lián)動測控系統(tǒng)研制*

趙凌宇　白春蕾

(北京工業(yè)大學(xué)北京市精密測控技術(shù)與儀器工程技術(shù)研究中心，北京 100124)

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渦輪機葉片測量儀三軸聯(lián)動測控系統(tǒng)研制*

趙凌宇白春蕾

(北京工業(yè)大學(xué)北京市精密測控技術(shù)與儀器工程技術(shù)研究中心，北京 100124)

針對航空發(fā)動機葉片專用測量儀效率低、成本高和測控系統(tǒng)功能可自主擴展性差的問題，提出了一種自主擴展性高、成本低廉的基于PMAC運動控制卡的葉片測量儀三軸聯(lián)動系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用PMAC運動控制卡與IPC集成的形式，構(gòu)成一套可自主進行運動軸系控制與人機界面編程的三軸聯(lián)動測控系統(tǒng)。通過試驗證明，該系統(tǒng)具有成本低廉、測控系統(tǒng)自主編程擴展能力高、通用性強和高效率等優(yōu)點，對工程應(yīng)用具有指導(dǎo)意義。

空氣渦輪機；葉片測量；測控系統(tǒng)

航空發(fā)動機是現(xiàn)代飛行器的核心部件，決定了飛行器的性能優(yōu)劣。航空發(fā)動機從1903年發(fā)展至今，經(jīng)歷了活塞式發(fā)動機到燃氣渦輪式發(fā)動機的發(fā)展變革。燃氣渦輪發(fā)動機由空氣壓縮機、燃燒室、渦輪機3個主要結(jié)構(gòu)構(gòu)成?？諝鈮嚎s機與渦輪機核心零部件為葉片，其也是組成航空發(fā)動機的關(guān)鍵零件之一，其尺寸、形狀精度等直接影響著航空發(fā)動機的空氣動力學(xué)特性，根據(jù)英國Rolls-Royce公司資料，若將飛機發(fā)動機渦輪機轉(zhuǎn)子葉片加工精度由60μm提高到12μm，加工表面粗糙度Ra由0.5μm減小到0.2μm，則發(fā)動機的壓縮效率將從89%提高到94%[1]。渦輪機葉片的型面為自由曲面，對該種類型自由曲面的檢測一直是該行業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)難題[2]。

航空發(fā)動機渦輪機葉片常用材料包括鈦合金、高溫合金、鋁合金、結(jié)構(gòu)鋼、不銹鋼等。其主要結(jié)構(gòu)由葉盆、葉背、進氣邊、排氣邊、榫頭、櫞板、葉冠等7部分組成。渦輪機葉片主要參數(shù)為葉型參數(shù)[3]。如圖1所示為典型渦輪機葉片葉型示意圖，其主要參數(shù)包括中弧線(葉型內(nèi)切圓中心連線)、弦長b(連接中弧線與葉型前后緣交點AB之間的直線)、最大撓度fmax(中弧線到弦的最大垂直距離)、葉型前緣角x1(中弧線在前緣點A的切線與弦之間的夾角)、葉型后緣角x2(中弧線在后緣點B的切線與弦之間的夾角)

目前，常規(guī)的渦輪機葉片檢測主要采用專用測量儀或樣板進行檢測，對葉片進行快速、準確的測量是該領(lǐng)域發(fā)展的大方向。國外?？怂箍?、溫澤等企業(yè)是常見的葉片測量儀生產(chǎn)廠家[4]，其生產(chǎn)的多軸葉片測量儀可配置接觸或非接觸測頭對葉片進行自動測量，國內(nèi)中航工業(yè)集團、西北工業(yè)大學(xué)等對葉片測量儀進行了大量的研究工作[5]。

一般航空發(fā)動機渦輪機葉片葉型精度為0.06mm，表面粗糙度Ra為0.4μm，其常用測量方法有專用葉片測量儀測量、樣板測量、光學(xué)投影測量和三坐標機測量[6]。專用葉片測量儀可對各種葉片進行自動化測量，具有適應(yīng)性強等特點；樣板測量使用葉片樣板，采用比對測量原理，可對葉片進行快速檢測，這種方法是現(xiàn)在行業(yè)最常用的測量方法。光學(xué)投影測量方法是采用光學(xué)投影儀對葉片進行全尺寸測量，其采樣點數(shù)高；三坐標測量機也可對葉片進行自動化測量，其測量精度最高。

本文采用：三軸聯(lián)動系統(tǒng)+非接觸激光掃描測頭對發(fā)動機葉片進行自動、快速測量。聯(lián)動系統(tǒng)采用：IPC+運動控制卡的ONC形式進行控制，運動控制卡選用美國DeltaTau公司的PMAC2-PCI-LITE運動控制卡。本方案具有測量快速高效、采樣點數(shù)高、可自主擴展功能、成本低等特點。

1　葉片測量儀研制

1.1葉片測量儀結(jié)構(gòu)

如圖2所示，為實驗室自主研發(fā)的三軸聯(lián)動葉片測量儀[7]。儀器由機械系統(tǒng)與測控系統(tǒng)構(gòu)成。

本儀器采用一個回轉(zhuǎn)軸系A(chǔ)與兩個直線軸系X(水平)、Z(豎直)共同構(gòu)成一個三軸聯(lián)動結(jié)構(gòu)。回轉(zhuǎn)軸系A(chǔ)采用精密密珠主軸，兩個直線軸系采用模組式精密導(dǎo)軌疊層式布置。整個機械系統(tǒng)放置在大理石基座上。測控系統(tǒng)采用美國DeltaTau公司制造的PMAC運動控制卡與研華科技的IPC集成的形式，PMAC運動控制卡直接控制各路電機并接受光柵反饋信號。IPC提供人機交互界面，并處理激光測頭與PMAC采集的數(shù)據(jù)。

1.2葉片測量儀工作原理

儀器進行測量時，先把葉片裝夾在精密卡具上，然后通過計算機人機交互界面設(shè)定主軸的轉(zhuǎn)動速率及X、Z軸的移動速率，控制Z軸移動到指定的高度并鎖定Z軸，初始化工作完成之后進行相應(yīng)的測量工作。

測量開始后，轉(zhuǎn)軸A的伺服驅(qū)動系統(tǒng)驅(qū)動主軸轉(zhuǎn)動，激光測頭采集位移數(shù)據(jù)，通過以太網(wǎng)傳輸給上位機。IPC計算激光測頭透鏡與葉片理論廓線待測點K的距離d，通過PMAC驅(qū)動直線軸X調(diào)整距離d使得d始終保持在測頭焦距范圍內(nèi)。光柵角位移傳感器的讀數(shù)頭采集的轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)由PMAC運動控制卡通過PCI總線傳輸給上位機。最終，通過組合光學(xué)測頭的位移數(shù)據(jù)與光柵角位移傳感器采集的轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)得出葉片截面輪廓線數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理與分析得出葉片截面輪廓線。

2　測控系統(tǒng)硬件設(shè)計

圖3所示為三軸聯(lián)動葉片測量儀測控系統(tǒng)原理圖。該系統(tǒng)共有兩套相互獨立的控制系統(tǒng)。第一套控制系統(tǒng)通過PMAC運動控制卡，對儀器進行自動控制。

工控機IPC通過PCI總線與PMAC運動控制卡通訊。PMAC運行控制卡的Jmach1與Jmach2通道分別連接兩塊ACC8S接口板，每塊板卡分別有2路信號通道，共計4路信號通道，可實現(xiàn)4軸運動控制。X、Z、A軸的電機驅(qū)動器控制信號接口通過與ACC8S板卡連接，可以接收PMAC發(fā)出的脈沖加方向控制信號，光柵線位移傳感器與光柵角位移傳感器的讀數(shù)頭反饋信號同時接入PMAC運行控制卡，以實現(xiàn)各運動軸的閉環(huán)控制[8]。

第二套控制系統(tǒng)采用手動控制方式，手柄操作面板與實驗室自行開發(fā)的控制板卡相連，手柄面板操作控制板卡可分別向3種電動機驅(qū)動器輸出3路控制信號，以實現(xiàn)對儀器的3個運動軸的簡單運動。測頭傳感器采用以色列生產(chǎn)的激光測頭，通過以太網(wǎng)與上位機進行實施通訊。IPC負責對PMAC與測頭采集的數(shù)據(jù)進行處理與分析。

3　測控系統(tǒng)硬件集成

3.1零部件選型

在總體技術(shù)方案基礎(chǔ)上，進行了相應(yīng)的試驗和分析，在分析試驗的基礎(chǔ)上進行了零部件的設(shè)計和選型。X軸電機選用松下MSMA012C1G型交流伺服電機及MSDA013D1A型驅(qū)動器，光柵線位移傳感器選用貴陽新天公司的產(chǎn)品。Y軸電機選用富士FALDIC-W系列GYS101DC2-T2A-B型交流伺服電機及其RYC101D3-VVT2型電機驅(qū)動器。A軸電機選用橫河DM1B-45型交流伺服電機及UD1BG3-045N型驅(qū)動器，光柵角位移傳感器選用雷尼紹20USA150型圓光柵及RGH20Z30D00A型讀數(shù)頭。各硬件接線圖見圖4。

3.2功能設(shè)置

經(jīng)過試驗和分析，PMAC運動控制卡所需要實現(xiàn)的控制功能包括脈沖控制信號輸出、位置反饋信號接收以及限位功能。

ACC8S接口板為DeltaTau公司提供的PMAC運動控制卡接口板，用于和外部控制設(shè)備連接。圖5為ACC8S接口板的結(jié)構(gòu)圖，其各個接口定義如下：TB2為光柵位移傳感器信息輸入接口，可以進行光柵反饋信號差分輸入，其內(nèi)部管腳定義分別為1號管腳為CHA1+，2號管腳為CHA1-，3號管腳為CHB1+，4號管腳為CHB1-，5號管腳為CHC1+，6號管腳為CHC1-。TB6為PMAC控制信號輸出接口，可向電機驅(qū)動器輸出控制信號，其內(nèi)部管腳定義分別為1號管腳為STEP+，2號管腳為STEP-，3號管腳為DIR+，4號管腳為DIR-。TB4為狀態(tài)信號輸入接口，其可以輸入各種狀態(tài)信號，包括正負限位信號及其伺服報警信號，其管腳定義如下，2號管腳為正限位輸入口，3號管腳為負限位輸入口，5、6號管腳為公共端。

正確接線后，PMAC運動控制卡在使用前還需要進行基本的參數(shù)設(shè)置。DeltaTau公司提供給用戶進行PMAC系統(tǒng)設(shè)置的變量為I變量，分別為I0至I1023。PMAC大部分I變量的出廠設(shè)置可以滿足使用要求，在這里只需要修改幾個參數(shù)，即可使其適合本系統(tǒng)的要求。這里給出一個通道I變量修改的參數(shù)，另外兩通道與其類似：In00設(shè)置為1，In01設(shè)置為0，In02設(shè)置為MYMC004，In03設(shè)置為MYM0720，In04設(shè)置為MYM0720，In11設(shè)置為16000，In12設(shè)置為16000，In22設(shè)置為32，In23設(shè)置為32，In25設(shè)置為MYM2C000，I9n0設(shè)置為7，I9n2設(shè)置為1，I9n3設(shè)置為0，I9n6設(shè)置為3。

4　PID控制

4.1PID原理

在機電控制系統(tǒng)中，PID控制器作為最簡單、通用的校正裝置，常用于改進反饋控制系統(tǒng)的性能。圖6為傳統(tǒng)PID控制原理圖[9]

其中：

e(t)=r(t)-c(t)

(1)

(2)

其傳遞函數(shù)表示為

(3)

式中：KP為比例增益，KI為積分增益，KD為微分增益。

其中比例增益提供系統(tǒng)的剛性，微分增益提供穩(wěn)定需要的阻尼，積分增益消除穩(wěn)態(tài)跟隨誤差。

區(qū)別于傳統(tǒng)的PID，美國DeltaTau公司的PMAC2控制卡的位置反饋控制系統(tǒng)采用的是帶有速度與加速度前饋的PID控制器+陷波濾波器算法來進行調(diào)整的。如圖7為PMAC位置反饋系統(tǒng)原理圖。

各個參數(shù)含義如下：Kvff為速度前饋，通過參數(shù)I×32調(diào)節(jié)，Kaff為加速度前饋，通過參數(shù)I×35來調(diào)節(jié)，IM為積分模式，通過參數(shù)I×34來調(diào)節(jié)。Ki為積分增益，通過參數(shù)I×33來調(diào)節(jié)。Kd為微分增益，通過參數(shù)I×31調(diào)節(jié)，Kp為比例增益，通過參數(shù)I×30調(diào)節(jié)。n1表示陷波濾波器系數(shù)N1，通過參數(shù)I×36調(diào)節(jié)。n2表示陷波濾波器系數(shù)N2，通過參數(shù)I×37調(diào)節(jié)。d1表示陷波濾波器系數(shù)D1，通過參數(shù)I×38調(diào)節(jié)。d2表示陷波濾波器系數(shù)D2，通過參數(shù)I×39調(diào)節(jié)。

4.2PID整定

通過DeltaTau公司提供的PMACTuningPro軟件，可以對各個運動軸電機進行PID整定。首先使用系統(tǒng)提供的階躍信號調(diào)節(jié)PID參數(shù)。通過調(diào)整參數(shù)I×31與I×33的數(shù)值，對相應(yīng)曲線進行調(diào)整。經(jīng)過反復(fù)調(diào)試，直到實際曲線和理論曲線相吻合時，PID整定結(jié)束，見圖8。

調(diào)整PID參數(shù)完成后，利用拋物線響應(yīng)，調(diào)節(jié)系統(tǒng)動態(tài)特性。通過參數(shù)I×32與參數(shù)I×35可對相應(yīng)曲線進行調(diào)整。

5　軟件設(shè)計

測控系統(tǒng)軟件分為上位機人機界面設(shè)計與下位機程序編程。上位機采用VC++設(shè)計人機交互界面UI，用來顯示所檢測的PMAC各項參數(shù)及其所采集的數(shù)據(jù)處理與分析。下位機為PMAC運動控制卡，可用自帶語言進行運動程序與PLC編程。上位機軟件通過DeltaTau公司提供的動態(tài)鏈接庫與PMAC進行通訊及其數(shù)據(jù)傳輸。

5.1上位機軟件

如圖9所示為上位機人機交互界面功能模塊圖。本軟件共分為五大模塊，包括用戶信息管理模塊、參數(shù)管理模塊、程序管理模塊、狀態(tài)管理模塊以及數(shù)據(jù)分析模塊。用戶信息管理模塊用于進行用戶信息錄入及其登錄，參數(shù)管理模塊可以進行電機運行參數(shù)設(shè)定及其坐標系選擇。程序管理模塊可進行運動程序編輯以及葉片主要評價參數(shù)設(shè)定。狀態(tài)管理模塊可以顯示故障信息、限位開關(guān)狀態(tài)以及各個電機軸運動狀態(tài)。數(shù)據(jù)分析模塊可以顯示所測量葉片界面數(shù)據(jù)點以及數(shù)據(jù)分析方法選擇。軟件采用MicrosoftVS2010進行開發(fā)，開發(fā)原則包括功能完善、簡單易用、安全可靠、擴展靈活。

上位機與下位機通訊通過DeltaTau公司提供的動態(tài)鏈接庫PCOMM32建立通訊，PCOMM32動態(tài)庫里包括250余種庫函數(shù)，編程人員可以方便的通過調(diào)用庫函數(shù)來實現(xiàn)和PMAC控制卡進行數(shù)據(jù)交換。

5.2下位機程序設(shè)計

下位機程序設(shè)計是在PMAC運動控制卡中，利用系統(tǒng)所支持的語言進行編程，其中包括運動控制程序設(shè)計以及PLC邏輯控制程序設(shè)計。運動控制程序主要分為兩個部分，第一部分是變量的初始化，在第一部分中要對之后程序所用到一些變量進行初始化。第二部分是測量的主程序，測量的主程序是要實現(xiàn)儀器測量時所要求的運動，其運動流程為2個直線軸在程序開始時的回零運動，之后Z軸移動到指定的高度，轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動，X軸根據(jù)計算的距離正負移動。當完成一次測量后，PMAC卡要控制各軸電機進行復(fù)位。

PLC邏輯控制程序用于監(jiān)視模擬、數(shù)字量輸入，設(shè)定輸出值，發(fā)信息以及監(jiān)視運動參數(shù)等。

PLC程序結(jié)構(gòu)如下：

CLOSE“關(guān)閉當前打開的緩沖區(qū)”

DELGAT“關(guān)閉數(shù)據(jù)采集”

OPENPLCnCLEAR“打開n號PLC程序緩沖區(qū)”

CLOSE“關(guān)閉緩沖區(qū)”

6　葉片測量儀試驗驗證

如圖10所示，圖形A為實驗室研制的葉片測量儀測出的葉片截面前緣的點云數(shù)據(jù)，平均采樣頻率為1 600Hz，采樣點數(shù)為890個，采樣時間約為0.5s。圖形B為海克斯康三坐標測量機測出的葉片截面前緣點云數(shù)據(jù)，采樣點數(shù)為50個，采樣時間約為1min。

經(jīng)數(shù)據(jù)對比，本文所研制的葉片測量儀比傳統(tǒng)三坐標機測量葉片截面時采樣頻率更大、采樣點數(shù)多，其測量效率更高。

7　結(jié)語

本文研究了基于PMAC控制卡的3軸葉片測控系統(tǒng)的開發(fā)，經(jīng)過主機研制和相關(guān)試驗驗證，通過上位機軟件對PMAC運動控制卡的控制實現(xiàn)了系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)與測量，滿足了葉片相關(guān)參數(shù)測量的功能要求。采用PMAC運動控制卡的測控系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)緊湊，組裝方便，開放性高，可擴展性強以及支持多種語言編程的優(yōu)點。

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Development of turbine blade measuring machine triaxiallinkagemeasurementandcontrolsystem

ZHAO Lingyu①，BAI Chunlei①

(BeijingEngineeringResearchCenterofPrecisionMeasurementTechnology&Instrument,BeijingUniversityofTechnology,Beijing100124,CHN)

AimingattheblademeasuringmachineproblemofhighcostandlowefficiencyofdevelopmentwithMeasurementandControlSystem,triaxiallinkagemeasurementandcontrolsystembasedonPMAC,lowcostandhighefficiencyofdevelopment,wasproposed.UsingPMACandIPC,triaxiallinkagemeasurementandcontrolsystemwasbuilt.Theexampleswereusedtoverifythelow-costandhighlyefficientdevelopmentofsystem.Ithasguidingsignificationtoengineeringapplication.

airturbine;blademeasurement;measurementandcontrolsystem

TP272

A

趙凌宇，男，1987年生，碩士研究生，研究方向為精密測量。

(編輯譚弘穎)(2016-01-12)

160324

*北京市教委項目“航空發(fā)動機葉片測量成套技術(shù)與測量機”(PXM2013_014204_000031)