一種基于數控加工裝置的渦輪葉片加工及在線檢測系統的制作方法
【專利摘要】本發明涉及一種基于數控加工裝置的渦輪葉片加工及在線檢測系統，主要包括工控機、電路切換模塊、數字量I/O卡、數控機床、激光位移傳感器等。本發明通過電路切換模塊實現了葉片加工與在線檢測兩種系統之間的切換，葉片只需一次裝夾、定位便可完成加工和檢測兩道工序；葉片加工和檢測工序均在數控系統中完成，刀具軌跡點和激光檢測點的生成算法一致，且加工及檢測兩個狀態下到達目標檢測點的速度、加速度、暫停時間及位置精度等相匹配，避免了由于兩種系統參數的不匹配而導致的激光實際檢測點與理論待檢測點之間的偏差；避免了單獨采用檢測系統以及系統開發和維護所投入的巨大成本。
【專利說明】一種基于數控加工裝置的渦輪葉片加工及在線檢測系統
【技術領域】
[0001]本發明涉及渦輪葉片的加工及檢測領域，尤其是利用電路切換模塊將以激光位移傳感器作為檢測元件的葉片檢測系統集成到葉片的加工系統中，從而實現了葉片加工及檢測的一體化。
【背景技術】
[0002]渦輪葉片的型面是根據空氣動力學及流體力學理論經過復雜的數值計算而設計出的空間型面，其精度直接影響到相應設備的能量轉換效率，因此葉片的加工及檢測精度是保證葉片質量的關鍵。目前，葉片的加工及檢測為兩個相互獨立的系統，即在加工系統中完成一批葉片的加工后，再在檢測系統中對其進行抽樣檢測。常用的加工系統為五軸數控機床，檢測系統有三坐標接觸式檢測系統、雙目立體視覺檢測系統及非接觸式激光檢測系統等。
[0003](I)現實操作中，由于葉片的加工及檢測為兩個相互獨立的系統，一片葉片需要兩次裝夾、定位，引入了誤差。特別是在檢測系統中，為了保證檢測的精度，每一片葉片均需要重新裝夾、定位，耗時很多。往往一片葉片從裝夾到檢測完畢需要近一個小時，而常用的三坐標接觸式檢測系統價格昂貴，不可能大量購置，所以只能對一批葉片進行隨機抽樣檢測，檢測結果存在一定的偶然性。
[0004](2)在葉片加工過程中，由于葉片的型面很復雜，一般均是借助UG、MasterCAM等數控編程軟件，參照葉片的理論輪廓曲線生成相應的數控加工G代碼，再將生成的G代碼導入數控系統驅動機床進行加工。但由于編程軟件、數控系統及檢測系統的封閉性，在獲取葉片理論輪廓曲線及特征點的算法上存在差異，即由于加工與檢測的參照基準不統一而導致獲取的檢測點存在誤差，進而造成了后期葉片截面各項參數的求取存在誤差。
[0005](3)常用的三坐標接觸式檢測系統由于采用接觸式檢測，觸頭在檢測過程中需要始終和葉片相接觸。當對粗加工、半精加工的葉片進行檢測時，觸頭的磨損較大，不僅增大了成本而且隨著磨損量的增大會影響到后續的檢測精度。所以常常用于精加工的葉片檢測，檢測范圍較小。
[0006](4)雙目立體視覺檢測系統對環境的要求較高，容易引入誤差點，需要對數以萬計的點云數據進行分析、計算，誤差較大、精度較低。
[0007](5)三坐標接觸式檢測系統，雙目立體視覺檢測系統等操作復雜，尤其是對葉片進行裝夾、定位時需要專門的設備，對操作人員要求較高，且系統維護昂貴，增加了成本，不易于大量購置、運用。
【發明內容】
[0008]本發明要解決的技術問題是:提出一種基于數控加工裝置的渦輪葉片加工及在線檢測系統，克服了上述葉片加工及檢測實際中的不足，將由激光位移傳感器、數字量I/O卡及工控機等組成的葉片檢測系統，通過在數控機床操作面板與冷卻系統的連接電路之間外接一個電路切換模塊，實現了葉片加工及檢測的一體化。
[0009]本發明所采用的技術方案為:一種基于數控加工裝置的渦輪葉片加工及在線檢測系統，包括外接在數控機床操作面板與機床冷卻系統之間的電路切換模塊；所述的電路切換模塊一路連接葉片加工系統，另一路連接葉片在線檢測系統；所述的葉片在線檢測系統依據檢測要求，在葉片指定截面曲線上，生成指定數量的理論待檢測點；并輸出理論待檢測點的坐標值后按照各點的法線方向生成檢測G代碼；運行葉片檢測G代碼，所述的機床冷卻系統輸出的電平經過轉接電路后通過數字量I/O卡連接至工控機；所述的工控機連接激光位移傳感器；工控機在接受到信號后，通過串口以激光位移傳感器指定的通訊協議向其發送開啟、檢測指令，并按照設定的檢測周期獲取激光位移傳感器測量的數值從而獲得實際檢測點的坐標值。
[0010]本發明所述的激光位移傳感器與葉片所測截面垂直，并在每個待檢測點的位置插入一行冷卻關控制指令。
[0011]為了以便激光位移傳感器測得的數據點和理論點相匹配，本發明所述的檢測G代碼的首點坐標設為基準點，將輸出的理論待檢測點按照G代碼的生成順序進行排序。
[0012]本發明所述的激光位移傳感器通過夾具設置在刀架上；葉片加工完成后，在保證機床停止狀態下，將冷卻系統的輸出口調至葉片檢測狀態。取下加工刀具，將裝夾有激光位移傳感器的夾具裝至刀架上，按照激光位移傳感器的測量范圍設置刀補、對刀以保證激光位移傳感器的激光束與對刀點重合。
[0013]本發明所述的獲得實際檢測點的坐標值的方法是:激光位移傳感器測得的各點的距離數值減去激光位移傳感器的測量范圍，以得到葉片實際檢測點相對于理論點在法線方向上的偏移量；所述的將偏移量沿法線方向累加到對應的理論檢測點，從而得到實際檢測點的坐標值。
[0014]本發明的有益效果是:
[0015]a、將葉片加工及檢測集成到一個系統中，葉片只需一次裝夾、定位便能完成加工、檢測兩道工序。避免了現實操作中，葉片檢測時由于二次裝夾、定位所引入的誤差。
[0016]b、現有的葉片檢測系統中，一片葉片從裝夾、定位到檢測完成的周期近一個小時，而裝夾、定位的耗時占到了 60% -80%，影響到整個系統的檢測效率。將葉片加工及檢測集成到一個系統中，節省了二次裝夾的耗時，提高了系統效率。
[0017]C、本發明將檢測系統集成到葉片的加工系統中，可對葉片的粗加工、半精加工、精加工等各個加工階段進行跟蹤檢測。對某個加工階段中出現的不合格原因進行分析及補救，保證了葉片加工的最終精度。避免了現實操作中只對精加工進行檢測而不能及時發現葉片不合格的加工階段，從而導致后續加工仍在進行所帶來的人力及時間的耗費。
[0018]d、將葉片加工及檢測集成到一個系統中，刀具軌跡點和激光檢測點的生成算法一致，且加工及檢測兩個狀態下到達目標點的速度、加速度、暫停時間及位置精度等相匹配，避免了由于兩種系統的參數不匹配而導致的激光實際檢測點與理論待檢測點之間的偏差。
[0019]e、將葉片加工及檢測集成到一個系統中，可針對不同的葉片型號及粗、精加工階段設置不同的待檢測點，保證了葉片的檢測效率。避免了三坐標接觸式檢測系統中，不論葉片大小每層均需檢測數千個點所帶來的效率不足的問題。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0020]下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明。
[0021]圖1是本發明轉換電路的電路原理圖；
[0022]圖2是葉片的截面圖，圖中:1、前緣；2、葉盆；3、后緣；4、葉背；
[0023]圖3是葉片特征參數，圖中:1、法線方向；2、最大內切圓；3、中弧線；4、弦線；
[0024]圖4是系統硬件操作流程圖；
[0025]圖5是系統軟件操作流程圖。
【具體實施方式】
[0026]現在結合附圖和優選實施例對本發明作進一步詳細的說明。這些附圖均為簡化的示意圖，僅以示意方式說明本發明的基本結構，因此其僅顯示與本發明有關的構成。
[0027]由于機床的冷卻系統在葉片檢測過程中并不應用，因此在數控機床操作面板與冷卻系統之間外接一個電路切換模塊。利用數控控制器對應于冷卻系統的DO輸出口，外接一個“單刀雙擲開關”來實現葉片加工與檢測兩種狀態之間的切換。
[0028]考慮到數控機床的其他加工用途，如果輸出接口在測量狀態下均未被其它輸出占用，將包括DOCOM接口在內的接口整體替換為5V輸入，則可以直接連接數字量I/O卡；如果部分接口不能替換，或者DOCOM 口不能使用5V電源，而數字量I/O卡接受信號通常為5V，則需要轉接電路，如圖1。
[0029]借助UG的數控編程模塊，參照葉片加工工藝生成相應的加工G代碼。
[0030]依據檢測要求，在葉片指定截面曲線上，按照特定的插值算法生成指定數量的理論待檢測點。輸出理論待檢測點的坐標值，按照各點的法線方向生成檢測G代碼，以保證激光位移傳感器始終與葉片所測截面垂直，并在每個待檢測點的位置插入一行冷卻關控制指令。
[0031]以檢測G代碼的首點坐標為基準點，將輸出的理論待檢測點按照G代碼的生成順序進行排序，以便激光位移傳感器測得的數據點和理論點相匹配。
[0032]將冷卻系統的輸出口調至葉片加工狀態，在完成葉片裝夾、機床啟動、對刀及刀補設置等操作后開始對葉片進行加工。
[0033]葉片加工完成后，在保證機床停止狀態下，將冷卻系統的輸出口調至葉片檢測狀態。取下加工刀具，將裝夾有激光位移傳感器的夾具裝至刀架上，按照激光位移傳感器的測量范圍設置刀補、對刀以保證激光束和對刀點重合。
[0034]運行葉片檢測G代碼，由于在每個待檢測點處均插入了一條冷卻關控制指令，當機床帶動激光位移傳感器運行到待檢測點時，機床會向數控控制器的冷卻系統輸出口輸出一個電平。
[0035]DO 口輸出的電平經過電平轉換后，由數字量I/O卡傳至工控機，工控機在接受到信號后，通過串口以激光位移傳感器指定的通訊協議向其發送開啟、檢測指令，并按照設定的檢測周期獲取激光位移傳感器測量的數值。
[0036]將經過排序后的理論檢測點以最小二乘法擬合出前緣、后緣，以三次樣條曲線擬合出葉盆和葉背，如圖2所示。分別求取各點的法向方向，最大內切圓等特征參數，如圖3所示。
[0037]將激光位移傳感器測得的各點的距離數值減去激光位移傳感器的測量范圍，以獲取葉片實際檢測點相對于理論點在法線方向上的偏移量。將偏移量沿法線方向累加到對應的理論檢測點，從而得到實際檢測點的坐標值。
[0038]按照以最小二乘法擬合出實際檢測的葉片截面曲線，并求取相應的特征參數。
[0039]比較實際檢測點相對于理論點在法線方向的偏移量，以及各特征參數的偏差值，從而判斷出該截面以及整個葉片是否合格并輸出檢測報告。
[0040]以上說明書中描述的只是本發明的【具體實施方式】，各種舉例說明不對本發明的實質內容構成限制，所屬【技術領域】的普通技術人員在閱讀了說明書后可以對以前所述的【具體實施方式】做修改或變形，而不背離本發明的實質和范圍。
【權利要求】
1.一種基于數控加工裝置的渦輪葉片加工及在線檢測系統，其特征在于:包括外接在數控機床操作面板與機床冷卻系統之間的電路切換模塊；所述的電路切換模塊一路連接葉片加工系統，另一路連接葉片在線檢測系統；所述的葉片在線檢測系統依據檢測要求，在葉片指定截面曲線上，生成指定數量的理論待檢測點；并輸出理論待檢測點的坐標值后按照各點的法線方向生成檢測G代碼；運行葉片檢測G代碼，所述的機床冷卻系統輸出的電平經過轉接電路后通過數字量I/O卡連接至工控機；所述的工控機連接激光位移傳感器；工控機在接受到信號后，通過串口以激光位移傳感器指定的通訊協議向其發送開啟、檢測指令，并按照設定的檢測周期獲取激光位移傳感器測量的數值從而獲得實際檢測點的坐標值。
2.如權利要求1所述的一種基于數控加工裝置的渦輪葉片加工及在線檢測系統，其特征在于:所述的激光位移傳感器與葉片所測截面垂直。
3.如權利要求1所述的一種基于數控加工裝置的渦輪葉片加工及在線檢測系統，其特征在于:所述的檢測G代碼的首點坐標設為基準點，將輸出的理論待檢測點按照G代碼的生成順序進行排序。
4.如權利要求1所述的一種基于數控加工裝置的渦輪葉片加工及在線檢測系統，其特征在于:所述的激光位移傳感器通過夾具設置在刀架上；激光位移傳感器的激光束與對刀點重合。
5.如權利要求1所述的一種基于數控加工裝置的渦輪葉片加工及在線檢測系統，其特征在于:所述的獲得實際檢測點的坐標值的方法是:激光位移傳感器測得的各點的距離數值減去激光位移傳感器的測量范圍，以得到葉片實際檢測點相對于理論點在法線方向上的偏移量；所述的將偏移量沿法線方向累加到對應的理論檢測點，從而得到實際檢測點的坐標值。
【文檔編號】G05B19/41GK104503367SQ201410765502
【公開日】2015年4月8日 申請日期:2014年12月11日 優先權日:2014年12月11日
【發明者】周軍, 梁齊龍, 廖華麗, 劉向偉, 谷長坤 申請人:常州奧凡威爾智能技術有限公司