激光测距仪加工水轮机底环的应用*

王福磊，李金军，王 伟，胡 平，王强

(国网甘肃刘家峡水电厂，甘肃 永靖 731600)

0 引 言

激光测距仪(laser rangefinder)是使用光电原理测量物体位置发生变化并以数字或模拟信号将测量结果输出的组件，又称激光位移传感器(the laser displacement sensor)。它可以远离被测体，避免被碰坏和被测体热辐射而影响到测量精度，不仅可测量非常小面积并有较远的测量间距和测量范围。与超声波式测距仪比较，激光测距仪有测量精度高，稳定性好等优点。近几年来国内对于激光测距仪应用广泛，逐渐成为光电非接触检测产品的主流，在国外也较为普遍使用非接触式的测量方式进行高精度的检测[1-4]。国内水轮机大型过流部件加工时，需要精确测量工件在机床上的相对坐标位置，目前通常采用百分表进行找正测量，其存在测量精度低、效率低、失误率高的问题。笔者根据底环加工找正中要求将底环的整个圆周上的不同区域调整出高低不同数值点的难题，通过应用激光测距仪，探讨其解决方式，可在加工中有效提高测量效率及准确性，解决百分表接触式测量容易受到外界条件干扰造成测量不准的问题，达到不受现场因素干扰、快速准确完成位置找正的目的。

1 问题及技术难点

国网甘肃刘家峡水电厂在每年的机组扩修工作中，需要进行底环下抗磨板表面车削加工。底环下抗磨板表面的车削量，是根据上、下抗磨板之间的距离确定的。如图1，上抗磨板安装在顶盖，下抗磨板安装在底环上，先测量上、下抗磨板之间的距离d，再测量导叶叶身的长度b，加上导叶端面的间隙：上端面间隙0.6 mm，下端面间隙0.4 mm，就可以计算出底环上表面加工余量x：

x= (b+ 0.4 + 0.6 )-d

图1 导叶和顶盖、底环装配图

由于受到一系列累计误差的影响(如：上、下抗磨板加工精度、上、下抗磨板螺栓压紧程度、顶盖和底环安装精度、导叶叶身加工精度等)，上、下抗磨板之间的距离并不是一个确定的值[5]。如表1，上下抗距离(1125+)最大值13.4，最小值12.17，均值12.8，其值在±0.6 mm左右波动，这就造成了底环表面48块抗磨板放入加工余量各不相同，有的相邻两块抗磨板加工余量相差0.5 mm左右。

表1 底环下抗磨板加工计算表

需要根据不同的加工余量，将底环圆周上的不同位置调整出不同的高低点，来确保加工时不同的车削量[6]。这给找正工作带来了很大困难。虽然底环由于尺寸长度大，具有一定的挠度，但是如果超过了材料的屈服极限，找正工作则无法完成。建议取加工余量x的最大值，来保证导叶上、下端面间隙足够，或者取允许范围内的较大值，使导叶端面间隙在允差范围内。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，人为碰触和机械震动都会影响测量精度、必须在工件静止时测量、移动下一个测点时表头需要提起以躲避粗糙表面及障碍物、如果碰撞百分表使基准变动则造成重复作业，浪费时间。采用激光测距仪器进行大型工件加工的找正测量，可实现高精度非接触测量，保证测量数据准确可靠，提高找正测量的效率，确保工件加工质量。

2 激光测距仪工作原理及实现方法

2.1 激光测距仪工作原理

目前激光测距仪最大测量起始位置可以达到1 m左右，测量范围±200 mm，如图2。目前，国际市场以德国史克公司(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。以基恩士激光测距仪为例，具有数据存储功能，可以通过PC实时显示，并提取存储在LK-G内部储存器中的数据，在控制软件中读取测量值以及扩展其他数据分析功能[2]。

图2 激光测距仪的类型图

在测量不规则和粗糙表面时，由于光的多重反射会产生许多的峰值，MRC算法会把这些波形与最新的接受光波进行比较，然后决定一个与“正确波形”最为相似的波形，保证测量正确性。对工作环境适应性强，只要镜头不沾到水和油，就不影响测量精度。在进行底环找正测量时，由于表面比较粗糙，可选择宽光点型，具有极高的检测稳定性[1]。

2.2 实现方法

加工底环下抗磨板，必须先根据加工余量x确定找正数据。在现场的工作条件下使用百分表找正测量具有以下难点：①需要将百分表指针静止在被测点才能读数，因为找正精度要求≤0.05 mm，如果被测点位置错差几个毫米就会影响精度[3]。8 m立车在惯性的影响下很难使百分表测头准确停在被测点的位置上，几毫米的距离很容易移过量，需要反复点动找准位置，浪费了大量时间；②底环属于多孔、坑工件，移动到下一个测点时，需要提起百分表头躲避不平表面，操作中多次提起表头，效率低；③百分表的测量精度在0.01 mm，读数困难，而且如果在测量时稍微碰撞百分表，则不能保证测量准确性，必须返工重测，在测量48个被测点时，重复作业工作量大。针对以上难点，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。

2.2.1 装置选型

从现场测量工作的需求出发，考虑操作便捷，根据图3所示的激光测距仪类型，可选用多用途激光测距仪，测量范围65～95 mm，精度能达到0.001 mm，满足底环加工找正要求。

2.2.2 实施过程

如图3所示，激光测距仪稳固地安装在磁力座，磁力座吸附在刀架上，光斑射在下抗磨板的测点上，可以连续测量读数，转动到测点位置时只需要将8米立车速度调慢，记录读数即可。显示屏不受现场光源的影响，可远距离清晰读出测量的数值，测量一组48个数据从40 min改进为10 min，能够快速精确找正底环位置。

图3 激光测距仪测量底环工装示意图

3 结 语

国网甘肃刘家峡水电厂在每年的机组扩修工作中，此实践提高了找正测量的效率和可靠性，提前1天完成加工，缩短机组检修工期24 h，创造直接经济效益62.4万元。激光测距仪具有结构小巧、测量速度快、精度高(0.001 mm)、非接触测量、抗干扰能力强的优点，能够不接触底环表面，不停止机床转动，连续测量并快速读取数值，不受被测表面的影响，数倍提升了底环找正测量工作效率。