激光測距儀加工水輪機底環(huán)的應(yīng)用*

王福磊，李金軍，王 偉，胡 平，王強

(國網(wǎng)甘肅劉家峽水電廠，甘肅 永靖 731600)

0 引 言

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

1 問題及技術(shù)難點

國網(wǎng)甘肅劉家峽水電廠在每年的機組擴修工作中，需要進行底環(huán)下抗磨板表面車削加工。底環(huán)下抗磨板表面的車削量，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，先測量上、下抗磨板之間的距離d，再測量導(dǎo)葉葉身的長度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，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，來確保加工時不同的車削量[6]。這給找正工作帶來了很大困難。雖然底環(huán)由于尺寸長度大，具有一定的撓度，但是如果超過了材料的屈服極限，找正工作則無法完成。建議取加工余量x的最大值，來保證導(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，國內(nèi)機械加工在找正水平、同心等位置精度時一般使用百分表測量。這樣的接觸式測量具有許多弊端，人為碰觸和機械震動都會影響測量精度、必須在工件靜止時測量、移動下一個測點時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變動則造成重復(fù)作業(yè)，浪費時間。采用激光測距儀器進行大型工件加工的找正測量，可實現(xiàn)高精度非接觸測量，保證測量數(shù)據(jù)準確可靠，提高找正測量的效率，確保工件加工質(zhì)量。

2 激光測距儀工作原理及實現(xiàn)方法

2.1 激光測距儀工作原理

目前激光測距儀最大測量起始位置可以達到1 m左右，測量范圍±200 mm，如圖2。目前，國際市場以德國史克公司(SICK)、英國的真尚有、日本的基恩士(KYENCE)、歐姆龍(OMRON)公司為代表的激光非接觸檢測儀器制造商。以基恩士激光測距儀為例，具有數(shù)據(jù)存儲功能，可以通過PC實時顯示，并提取存儲在LK-G內(nèi)部儲存器中的數(shù)據(jù)，在控制軟件中讀取測量值以及擴展其他數(shù)據(jù)分析功能[2]。

圖2 激光測距儀的類型圖

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

2.2 實現(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)場的工作條件下使用百分表找正測量具有以下難點：①需要將百分表指針靜止在被測點才能讀數(shù)，因為找正精度要求≤0.05 mm，如果被測點位置錯差幾個毫米就會影響精度[3]。8 m立車在慣性的影響下很難使百分表測頭準確停在被測點的位置上，幾毫米的距離很容易移過量，需要反復(fù)點動找準位置，浪費了大量時間；②底環(huán)屬于多孔、坑工件，移動到下一個測點時，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；③百分表的測量精度在0.01 mm，讀數(shù)困難，而且如果在測量時稍微碰撞百分表，則不能保證測量準確性，必須返工重測，在測量48個被測點時，重復(fù)作業(yè)工作量大。針對以上難點，采用激光測量傳感器實現(xiàn)非接觸測量，使測量、讀數(shù)過程連續(xù)且自動化，能提高找正測量的精確性和工作效率。

2.2.1 裝置選型

從現(xiàn)場測量工作的需求出發(fā)，考慮操作便捷，根據(jù)圖3所示的激光測距儀類型，可選用多用途激光測距儀，測量范圍65～95 mm，精度能達到0.001 mm，滿足底環(huán)加工找正要求。

2.2.2 實施過程

如圖3所示，激光測距儀穩(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點上，可以連續(xù)測量讀數(shù)，轉(zhuǎn)動到測點位置時只需要將8米立車速度調(diào)慢，記錄讀數(shù)即可。顯示屏不受現(xiàn)場光源的影響，可遠距離清晰讀出測量的數(shù)值，測量一組48個數(shù)據(jù)從40 min改進為10 min，能夠快速精確找正底環(huán)位置。

圖3 激光測距儀測量底環(huán)工裝示意圖

3 結(jié) 語

國網(wǎng)甘肅劉家峽水電廠在每年的機組擴修工作中，此實踐提高了找正測量的效率和可靠性，提前1天完成加工，縮短機組檢修工期24 h，創(chuàng)造直接經(jīng)濟效益62.4萬元。激光測距儀具有結(jié)構(gòu)小巧、測量速度快、精度高(0.001 mm)、非接觸測量、抗干擾能力強的優(yōu)點，能夠不接觸底環(huán)表面，不停止機床轉(zhuǎn)動，連續(xù)測量并快速讀取數(shù)值，不受被測表面的影響，數(shù)倍提升了底環(huán)找正測量工作效率。