三维扫描技术在泵质量控制中的应用

□高 君 □霍瑞康

1上海凯士比泵有限公司上海200245

2上海理工大学环境与建筑学院土木工程实验室上海200093

三维扫描技术在泵质量控制中的应用

□高 君1□霍瑞康2

1上海凯士比泵有限公司上海200245

2上海理工大学环境与建筑学院土木工程实验室上海200093

阐述了三维扫描技术的优点及其应用范围，介绍了ATOS扫描仪的性能参数、工作原理，三维扫描技术在轴流泵及混流泵叶轮检测中的应用，以及叶轮空间曲面的扫描对比分析结果，得到了在制造和运行使用过程中叶轮叶片发生严重变形的具体数据，确认了影响泵性能参数的主要原因。通过三维扫描，对泵主要零件的空间曲面可以有更快速、准确的判断，为提高泵的制造及售后服务质量提供了有力的技术支持。

三维扫描是集光电技术和计算机技术于一体的高新扫描技术，主要用于对物体空间外形和结构进行扫描，以获得物体表面的空间坐标。在当今世界，三维扫描仪作为一种快速的立体测量设备，因检测速度快、精度高、非接触和使用方便等优点而得到越来越多的应用，且已广泛应用于机械制造、交通车辆、航空航天、文物考古和历史建筑[1-9]等行业。

在泵制造业中，对具有复杂曲面的叶轮等零件进行检测时，采用传统检测工艺方法已不能满足对叶轮质量的控制要求[2]，且难度大、周期长、检测精度不高。使用三维扫描仪对叶轮、泵体等零件及其模型进行扫描，可以得到高精度的尺寸数据，这些数据通过对比软件直接与零件设计模型进行对比，从而可以提高零件的制造精度，为客户提供高精度、高性能的优质产品。

1 三维扫描仪及扫描过程

德国GOM公司的最新ATOS光学三维扫描仪家族成员ATOSⅡTriple Scan，采用双立体相机及蓝光技术，分辨率500万像素，扫描范围360°、38 mm×29 mm～2 000 mm×1 500 mm，工作距离490～2 000 mm，能最大限度满足各种高精度的扫描需求。

使用ATOS扫描仪对样品零件进行数字化采集，将特定的光栅条纹投影到测量工件表面，借助两个高分辨率电荷耦合元件（CCD）数码相机对光栅干涉条纹进行拍摄，利用光学拍摄定位技术和光栅测量原理，可在极短的时间内获得复杂工件表面的完整点云。ATOS配套软件可以在几秒钟之内计算出多达400万个物点的精确三维坐标，高质量的扫描点云可用于产品开发、逆向工程、快速成型、质量控制及虚拟装配，甚至可实现直接加工。

图1 离心泵叶轮的扫描现场图

在扫描开始前，既要对ATOS扫描仪进行三维数据定标和配准，又要注意在样品零件表面贴上磁性数码标志点，用于扫描系统的坐标参考，并且对样品零件表面进行喷涂显像剂的白色亚光处理[3]。图1所示为某离心泵叶轮的扫描现场，蓝色的光栅条纹投影到叶轮上，为了便于扫描扭曲的叶片，使叶片暴露在外，对叶轮前盖板进行了切割。扫描数据采集完成后，运用GOMInspect软件与设计的三维模型进行曲面对比分析，检查叶片表面每个点的三维坐标是否符合设计要求。

2 轴流泵叶轮的三维扫描及分析对比

某排涝泵站所订购的轴流泵出口直径D=700 mm，电机型号为YE2-355M1-6，功率为160 kW，流量为5 040 m3/h，扬程为7.4 m，效率为83.8%。产品出厂前进行了内部试验，在相同流量点实测效率70.2%，与技术要求有较大差距。

影响轴流泵效率的主要因素是叶轮（图2），叶轮上有4个空间曲面形状的叶片。叶轮是从外协单位采购的精密铸件，加工配合尺寸经过检验，无质量问题。

图2 轴流泵叶轮示意图

对叶片表面进行三维扫描检查，并与三维设计模型进行对比，发现严重偏离设计要求。按照国家标准《GB/T 13008—2010混流泵、轴流泵技术条件》[10]的要求，偏差在±0.2%D以内，即±1.4 mm以内。叶片背面最大偏差为+8.67 mm，工作面最大偏差为-10.97 mm，如图3所示。图中绿色区域表示与设计要求一致，黄色及浅蓝色区域表示偏差较小，在标准允许的范围内，深红和深蓝部位表示尺寸超标。所有叶片的出口边外缘尖角都向进水方向弯曲，可能受到外力撞击变形。2号叶片最大弯曲位移8 mm左右，这会使流线紊乱并产生漩涡，导致效率下降。叶片工作面和背面有大片面积尺寸超标，主要集中在叶片尖角和进口边，需要矫正打磨。叶片外缘最大拟合直径537.14 mm，而设计要求为mm，可见最大拟合直径超出公差范围。

图3 轴流泵叶轮三维扫描对比分析图

叶轮材料为不锈钢，采用金属模具精密铸造。采用三维扫描进行对比分析，发现了较为严重的质量问题。由此可见，好的设计方案及制造工艺是前提，而过程控制也相当重要，铸造、热处理、机加工及搬运等环节都要严格把关。

3 循环水泵叶轮的三维扫描及分析对比

某电厂订购的循环水泵出口直径D=2 000 mm，电机型号为YLKS1000-16，功率为2 700 kW，流量为40 608 m3/h，扬程为18.5 m，效率为87.2%。该循环水泵采用混流泵水力模型设计。在电厂运行一定年限后，振动噪声加大，性能参数严重下滑，已经不能满足用户需求，之后停机检修。泵在现场解体后，对叶轮等易损件进行了更新，换下的零件运回工厂进行检测分析。

影响循环水泵性能参数的主要因素是叶轮（图4），叶轮上有3个空间曲面形状的叶片。

图4 循环水泵叶轮示意图

对叶片表面进行三维扫描检查，并与三维设计模型进行对比分析，发现严重偏离设计要求。按照相关技术要求，偏差应在±0.2%D以内，即±4 mm以内。叶片外缘与叶轮室配合部位偏差较大，最大偏差值29.24 mm，如图5所示。

图5 混流泵叶轮三维扫描对比分析图

在电厂运行一定年限后，叶轮严重偏离设计要求,叶片外缘疑受较大外力，导致所有叶片弯曲变形。叶轮外缘磨损严重，外圆直径减小90～100 mm，叶片弯曲严重，即图5中红褐色带状部位，宽度达到了40mm。

经停机解体检查发现，泵润滑磨损严重，失去了定位功能，泵轴最大磨深3 mm，整个转子大幅度晃动，导致叶轮外缘与叶轮室长时间摩擦，最后使叶轮直径缩小，泵的性能大幅下降。由此可见轴承等易损件要实时监控、定期更换，不可带病运行，否则将造成更大的损失。

4 结论

三维扫描测量对叶片曲面进行检测，具有测量精度高、数据完整的特点。

这一测量技术能够详细分析制造和运行后的误差，为提高产品制造及售后服务质量提供了可靠的技术支持，使工程技术人员能够快速准确地诊断产品故障，提高产品的性能。需要指出的是，三维扫描技术侧重于具有复杂几何形状的物体的检测分析，但还并不能完全取代传统的检测工具及方法。

[1]吕元颖.逆向工程技术在轨道交通车辆造型设计中的应用[J].装备机械，2013（2）：20-24.

[2]卢兆中，陈斌，宋振先.3D扫描检测技术在MP泵质量控制中的应用[J].机械工程师，2014（7）：170-171.

[3]肖志杰，刘建瑞，程爱平，等.逆向工程在离心泵叶轮设计中的应用[J].农机化研究，2009（6）：199-201.

[4]王本日.三维扫描设备在模具加工制造中的应用[J].上海电气技术，2011，4（1）：32-35.

[5]刘梅清，白耀华，李秋玮，等.基于逆向工程的双吸离心泵三维建模及数值模拟[J].中国农村水利水电，2010（12）：152-155.

[6]蒋小平，施卫东，李伟，等.水泵叶轮逆向工程软件开发及应用[J].排灌机械工程学报，2013，31（2）：118-122.

[7]刘东霞.逆向工程在闭式叶轮反求设计中的应用研究[D].保定：华北电力大学，2011.

[8]余明，丁辰，刘长征，等.北京故宫修复测绘研究[J].测绘通报，2004（4）：11-13.

[9]李敏珍，刘春，周源.激光扫描历史建筑精细化重建与部件化管理[J].遥感信息，2015，30（6）：18-23.

[10]混流泵、轴流泵技术条件：GB/T13008—2010[S].

Described the advantaged and the scope of application of three-dimensional scanning technology, introduced performance parameters and working principle of ATOS scanner products,and also presented the applications of three-dimensional scanning technology in the detection of the impeller in axial flow pump and mixed flow pump,and the outcome via comparative analysis of the scanned curve surfaces in the impeller space. With the factual data on the serious distortion of the impeller blade obtained during the manufacturing process and operationaluse,themaincausesthataffectedthepumpperformanceparameterswereconfirmed. Three-dimensional scanning can enable faster and more accurate estimation of the space curve surface of the main pump parts and can provide a strong technical support for improvement of the pump production and after-sale service quality.

三维扫描；质量控制；泵；叶轮

Three-dimensionalScanning；Quality Control；Pump；Impeller

TH311

A

1672-0555（2016）03-016-04

2016年5月

高君（1981—），男，本科，工程师，主要从事电站泵、特殊泵及三维扫描技术的研究工作