使用激光测量传感器进行水轮机转轮加工找正

王福磊

摘要： 目前水轮机部件加工时的找正工序耗费时间长，主要原因在于使用百分表测量的局限性。为了提高找正工作效率，使用激光传感器配合液压千斤顶进行找正是一种值得推荐的方法。本文介绍了激光测量感器用于机械加工找正测量的施工方法的探索，以及对水轮机大型部件的找正方法的改进，提供了激光传感器与液压千斤顶配合找正的思路。

关键词： 激光传感器;水轮机部件加工;找正;测量

前言

转轮找正工作是转轮加工的重要环节，其需要大量的人员，劳动强度大，安全系数低。目前，国内机械加工在找正水平、同心等位置精度时一般使用百分表测量。这样的接触式测量具有许多弊端，如测量精度受被测表面光洁度影响大、必须在工件静止时测量、转动时表头需要躲避粗糙表面及障碍物，易碰撞产生误差，重复作业。采用激光测量传感器进行大型工件加工的找正测量，可实现精确非接触测量，提高找正测量的效率，保证测量数据准确可靠。

工作原理

激光传感器原理。激光测量传感系统是一种用于测量物件位移大小及对动态物件位移量进行时实测量的光、机、电一体化系统，其属于激光非接触检测仪器。不仅可测量非常小面积并有较远的测量间距和测量范围。目前大的测量起始位置可以达到1米以上，测量范围±200mm，这样的传感器可以远离被测体，兔受被碰坏和被测体热辐射而影响到测量精度。[1]其测量精度高，稳定性好，防护等级高，工作温度范围宽，自适应能力强;其可对金属、非金属甚至玻璃进行测量，同步功能可用于差动测厚、测长等，特别适用工业自动化生产。目前，国际市场只有少数几个发达国家如德国、英国、日本等国拥有成熟的激光位移传感器产品，以德国史克公司（SICK）、英国的真尚有、日本的基恩士（KYENCE）、欧姆龙（OMRON）公司为代表的激光非接触检测仪器制造商。[2]

激光位移传感器的应用领域也在不断地拓展与延伸，除了精确测量物体的位移、厚度、直径等几何量，还可对各类光学棱镜的厚度、角度进行快速、精确检测;并可通过扫描技术实现对物体外形轮廓尺寸的测量。

技术方案

确定技术方案

加工前必须确定工件相对于机床坐标系的位置。转轮直径6米，高2米，重达百吨，对于转轮修复加工来说，加工余量相对工件尺寸来说非常小，为了保证足够的加工余量，必须保证工件相对于机床坐标系的位置坐标，以描述刀具和工件的相对位置及其变化关系。加工找正的精度要求在0.05mm之内，百分表的测量精度为0.01mm，但是接触式测量方式受被测点位置、表面光洁度影响大，有时被测点位置有凸起，就影响了测量数据的真实性，其测量的缺点非常明显。以转轮找正为例，按照技术要求将其外圆表面8等分，将8个对称点同心和水平偏移量找正到0.05mm之内。在现场的工作条件下使用百分表找正测量具有以下难点：一是需要将百分表指针静止在被测点才能读数，而转轮由于冲蚀、补焊之后，表面不平度大，被测点很难反映真实数据。二是使用八米立车转动进行找正，由于转轮体积、重量大，在惯性的影响下，很难使百分表测头移动到被测点的位置上，需要反复移动，浪费了大量时间。三是用紧卡盘的方式推动转轮发生位移，由于被测点在高度2米的转轮上部，操作人员和测量观察人员距离过远，操作不能很好配合指令，使转轮找正有时位移过量，造成重复作业。

针对以上难点，确定技术方案为：采用激光测量传感器实现非接触测量，使测量、读数过程连续且自动化，能提高找正测量的精确性和工作效率;测量完毕后与百分表的数值进行比对，确定找正数据真实可靠;根据测量的数据使用液压自动装置推动转轮发生位移，使转轮位置与车床回转中心同心;达到提高找正效率的目的。在现场测量过程中，为了避免碰撞激光测量传感器，影响测量，选用测量距离为50–70mm。转轮找正精度要求对称点在0.05mm以内，选用测量精度为0.001mm。

制作激光测头固定机构：

激光传感器测量要求测头与被测工件垂直距离为50–70mm，稳固地安装在刀架上。由于激光测距仪的测头没有合适的固定装置，根据使用要求，设计制作了测头螺旋夹紧装置，通过磁力座稳固地吸附在刀架上，便于测量时拆卸安装。如图1所示，采用激光测距仪作为检测机构，从主机显示屏读取测量数值。显示屏不受现场光源和位置影响，可清晰读出测量的数值，作为找正转轮位置精度的依据。

测头101发出激光打在转轮表面进行测量;固定机构102用于装夹测头，稳固吸附在八米立车车刀夹具103上，通过八米立车立刀架104带动测头移动，正对转轮水轮机转轮304的位置，垂直于被测点。在一个位置测量完毕后，转动转轮水轮机转轮304，八米立车卡盘旋转带动水轮机转轮304旋转，使测头正对下一个被测点位置测量。测头101通過电源及数据线202与主机201连接，测量数据显示在主机201的显示屏上。为方便观察，主机201放置在支架203上。主机显示屏为光电显示，10寸光电屏可直接清晰显示数字，无须光源也可快捷读数。

结论

本次找正工艺的改进，主要配合应用了激光传感器和液压千斤顶，将以往10人3天的工作提升效率为3人1天，而且提高了准确性，使找正测量过程变得简化且便于操作。采用非接触式的激光传感器测量位移，能够不接触转轮表面，快速读取测量数值，形成连续测量曲线，不受被测表面粗糙度的影响，方便快速读数。液压千斤顶的重量轻、结构紧凑，满足转轮找正时匀速平稳位移的要求，与激光测距仪配合使用能提高机械加工找正效率。

参考文献

Keyence（恩基士）公司. ScanCONTROL2800工业自动化传感器技术产品读本[S].恩基士（中国有限公司），2017.

孙长库，叶声华.激光测量技术[M].天津大学出版社，2001.7.

沈利平，李金军.水轮机转轮加工液压找正研究科技项目验收资料[C].国网甘肃省电力公司刘家峡水电厂，2017.10.