多通道电感量仪在叶片检测中的应用及发展(机械部分)

多通道电感量仪在叶片检测中的应用及发展（机械部分）摘要本文阐述了电感量仪在叶片检测中的应用及发展历程，论述了仪器的测量原理、系统构成、性能及操作方法，剖析了电感量仪机械结构的变化和改进，对法向式测量作了有益的探讨。关键词电感量仪精锻叶片相对比较测量传感器1.引言多通道电感量仪是六十年代中后期国外开始发展应用的一种先进测量技术，主要应用于批量生产中的多尺寸综合检测。该类量仪融合了机、电、计算技术等各个学科的优点，是一种高效率，高精度的检测技术。尤其是测量过程的数字化，可为工艺过程及质量控制过程提供非常重要的技术数据，是过程控制的有力工具。因此，近半个世纪以来，该项技术在航空、汽车、玻壳、汽车配件、燃气发动机叶片等诸多行业得到了广泛应用。自七十年代末，我公司从国外引进电感量仪技术以来，我单位就一直负责该项技术的研发与应用工作。经过二十来年的努力，电感量仪已在我公司广泛应用，尤其是在叶片零件的生产中，我们研制了近二百台多通道电感量仪，涉及精锻中心、16、36车间的9个机种，成为叶片生产质量控制中心必不可少的设备之一。在二十多年的时间里，我们一直紧跟该项技术的最新发展，不断消化、吸收国内外先进科研成果，使电感量仪的传感元件、传导传递元件、电器元件、控制系统、软件系统得到了长足的进步，性能更趋稳定可靠，精度更高。2另外我们针对大扭转叶片，将传统的垂直式测量改为法向式测量，为叶片的测量探索出一条新路。2.叶片检验机的型式、特点2.1检验机+配套夹具方式：这主要是针对早期叶片品种多，批量不大采取的一种型式，他可兼容多种叶片，测量不同的品种时只需更换配套夹具即可，因是整体更换，调整也很方便。检验机分为立式和卧式两种，立式检验机主要用来测量叶片的厚度、偏差、扭转、弯曲和缘板位置；卧式检验机主要用来测量叶片阻尼台的位置。传导传递元件为平行簧片和杠杆，平行簧片在偏距小的条件下能精确地1:1将位移量传递出去；杠杆能按比例将位移量传递出去，且能将测量空间扩展，使结构能布置得开，但制造精度要求较高。传感元件采用英国的TESA传感器。可自动、手动测量。它主要应用在精锻中心的精锻叶片上。2.2校弯扭测具：主要用来测量叶片的弯曲和扭转。它采用铰链压紧器手动夹紧，传感元件采用英国的TESA传感器。这一型式结构简单、效率高、操作方便、制造成本低，主要应用在精锻中心的精锻叶片上。2.3检验专机：它是一种专用检验机，对应于一种叶片，适用于大批量的叶片测量中；它结构简单、不需调换、体积小、效率高，是目前采用的主要型式。它主要用来测量叶片的厚度、偏差、扭转、弯曲、缘板和阻尼台位置。传导传递元件采用传感器直压、导杆传递和杠杆传递，尽量简化中间环节。传感元件采用最新的英国索拉顿传感器。动作控制采用PLC程序控制，用电气互锁替代原先采用的机械阀互锁。可自动、手动测量。它主要应用在精锻中心的精锻叶片上。32.4V点测具：用来测量双联、三联叶片的缘板位置，从而控制叶片的喉道当量和喉道面积。它不同于精锻叶片的主要用工艺凸台定位，采用叶身、缘板6点定位。传导传递元件采用杠杆，传感元件采用最新的英国索拉顿传感器。可自动、手动测量。它主要应用在16车间的X9、X15机型叶片上。2.5浇注测具：在浇注的过程中动态的控制叶片的喉道当量。采用叶尖、叶身6点定位。传导传递元件采用杠杆和导杆，传感元件采用最新的英国索拉顿传感器。主要应用在36车间的X10机型叶片上。3.测量项目3.1精锻叶片（用于精锻中心）：叶身厚度、弯曲、扭转、缘板位置。典型的测点图如下：3.2双联、三联叶片（用于16车间）：缘板位置。典型的测点图如下：43.3具体的测量程序可用以下框图表示。4.系统构成一般由机械系统、电器系统、软件系统和气动系统构成。这里主要讲一下机械部分：4.1机械系统机械系统在量仪中起着重要的作用。首先，量仪的检测速度主要取决于机械装置的结构，因为传感器及电器部分的反应及传递速度相当快，影响检测速度和效率的主要因素是被测件的定位、装夹、取出和放入的时间，电器系统机械系统标准叶片对标叶片定位装夹传感器位移量检出信号放大处理A/D转换计算机系统软件处理数学模型测量结果输出显示器打印机SPC报表5以及各方向的测量头进入与退出的时间。另外，在测量误差分配上，由于传感器及电器部分只是电气信号的传递与放大，没有机械运动，一般只占测量系统总误差的30%，而机械装置部分要占70%，因此机械装置安排得合理与否，设计得好坏，直接关系到测量误差的大小。4.1.1定位压紧方式精锻中心的精锻叶片主要有两种方式。一种为工艺凸台在叶盆端（见图一），采用双V型浮动定位，叶身三点定位，缘板V点轴向定位。叶背端设置两压杆压在叶片凸台上，压紧力由弹簧提供，可调整至与测量力平衡，不使叶片变形。改进后的结构（见图二）设置单独的压紧机构，可以使定位夹紧动作与测量动作分开，提高了测量精度和稳定性。另一种为工艺凸台在叶背端（见图三），采用双V型杠杆浮动定位压紧，气缸使其退开，弹簧力使其压紧，叶身三点定位，缘板V点轴向定位。图一图二6图三16车间的双联、三联叶片采用叶身、缘板6点定位，自动定心机构使其自动定心，螺纹压紧机构压在叶身上压紧（结构见图四）。36车间的单叶片采用叶尖、叶身6点定位。图四74.1.2传递传导元件当被测零件体积小，测点集中，传感器无法直接检测，或被测件要求的测量部位既有垂直方向的尺寸，又有水平方向的尺寸，用传感器直接测量会产生干涉，则采用传递传导元件。其目的就是将集中在小面积上的测点误差（位移量）向外做直线或角向传递，使之达到扩散分布的目的。采用传递机构是否会对测量精度有影响？有两种不同的看法：一种认为误差量的拾取越直接越好，可以避免或减少在传递转换过程中因运动件的间隙、滞阻、磨察和摆动所造成的额外的误差。因此，应该尽可能地将传感器微型化。例如现在就有φ6直径的传感器，以便在一切可能的情况下，直接拾取被测点的误差量。另一种认为传感器直接接触被测件不但会损伤传感器，而且会使测量精度降低。因为传感器的总行程为3—5毫米，前置行程1.75毫米，每进行一次测量，传感器就要移动2毫米左右或更多。而采用测量传递装置可以控制空行程的大小，使空行程只有测量误差的2倍或更小。在一般情况下，传感器测头的移动量不超过1毫米或更少。空行程小，重复测量的精度就会提高，零点漂移误差就小。其次，由于传感器中心线不一定垂直被测表面（例如被测表面为圆柱面、球面、双斜平面等等），这会使传感器的测杆承受一个侧向力使磁芯偏摆而产生误差。并且在使用非球面测头时（如刀口形、平面形），由于测杆的角向定位精度不高（2’）而使测杆偏转产生误差。如采用传递装置，与传感器接触的被测表面一般与传感器中心线垂直，并且光度很高，所以上述误差可以减少或避免。经过多次实验和实际使用证明，被测件表面质量较差，被测尺寸公差较8大，使用传递机构比直接测量更合适。在高精度测量时，用传感器直接接触被测件比较适合。在精锻叶片的检测中，应尽可能的采用传感器直接测量。经常使用的传递传导元件有以下几种：4.1.2.1簧片式：主要有平行簧片式、簧片杠杆式等，详见《多通道电感量仪及其应用》一书及航标（HB3636-85～HB3648-85），这里不再赘述。它的优点是能精确地1:1将位移量直线或角向传递出去，而且现已有成套的标准，利于批量制造、选用。缺点是结构复杂，装配难度高，螺钉等容易松动造成精度丧失，现已不常使用。4.1.2.2杠杆式：能将位移量按比例直线或角向传递出去，结构简单，体积小，装配容易，但制造精度要求很高，因磨损对材料要求也很严。随着制造水平的提高，杠杆式现在越来越多的应用在量仪中。4.1.2.3导杆式：单导杆可直线传递，要实现偏距传递需有导向机构，结构简单，导向精度靠配合精度来实现。双导杆式可实现偏距、角向传递，对双导杆及孔间距要求较高。另有一种结构，将测量和动力装置结合在一起，导杆本身既是测量杆，又是一个小活塞，当通进压缩空气时，导杆本身产生3～5毫米位移，测头退开，断气时靠弹簧力将测头压出测量。它结构紧凑，在国外应用很广，但由于制造要求高，在我公司还应用不多，但其很有潜力。现主要使用前两种方式。4.1.2.4溜板式：我公司已有成套的标准可供制造、选用，市面上也可买到现货。它的特点是尺寸较小，运动灵活平稳，精度高，结构简单，但加工困难。随着溜板类产品愈来愈系列化、商品化，价格下降，精度提高，它的使用也越来越广。94.1.3测力控制由于叶片厚度薄，刚性很差，许多测量项目，尤其是弯扭及叶身位置测量，要求是在一种“自由”状态下的测量，当电感量仪采用接触方式测量时，测力会引起工件的变形，导致误判，故对测力应严格加以控制。选用传感器时应考虑其测力大小，对于不同的叶片采用不同的传感器。测杆、杠杆的弹簧应精心调配，使其测量力合适。4.2气动系统由气源、空气过滤组合、电磁阀、手动阀、气缸、软管及接头等组成。典型的气路原理图如下：4.2.1气源：提供压缩空气。本系统要求气源压力0.4—0.7Mpa；4.2.2空气过滤组合：去除压缩空气中的水雾、油雾及微粒等有害物质，并向气动系统提供雾状润滑油，确保各气动元件可靠运行；4.2.3电磁阀和手动阀：利用电磁力或手动使阀芯动作，实现气路通断和换向；4.2.4气缸：以压缩空气为动力，实现工件夹紧，测头退回等测量动作；104.2.5软管和接头：连接各气动执行元件，完成气路接通。现有SMC、康茂胜、台湾亚德客产品可供选用，性能优良，质量可靠。5.仪器操作5.1开机前检查：叶片检验机为离线式检测设备，工作前应先接通气源（将气压调为0.4Mpa，即4个大气压），再接通电源（电源指示灯亮），启动计算机，进入【叶片检验机】工作界面。5.2对标：检验机进行测量之前，需用标准叶片来校正，简称对标。可一班（或一天）校对一次。对标时将按扭拨至对标位置，将标准叶片放在检验机上定位夹紧，按计算机屏幕提示操作，对标可手动或自动完成。5.3传感器量程调整：对标时，各通道值应在±0.1mm之内，如有异常，可调整相应通道传感器。拧松螺钉使传感器微量移动，当示值在±0.1mm之内时，拧紧螺钉即可。5.4测量将叶片放在检验机上定位夹紧，按【启动】按钮即可自动完成。5.5定标值修改如标准叶片因日久磨损或其他原因,导致其特征值变动,可定期检查，检出各尺寸的实际值，计算出特征值（或称标值）,将其输入计算机即可。115.6紧急状态处理：若出现异常声响或动作，应及时按下控制面板上的红色【急停】按钮，检验机所有动作都将被强行终止，待维护人员排除异常后，释放【急停】按钮，检验机即可正常工作。6.仪器主要技术指标：6.1测量重复精度：±0.01;6.2测量准确度：±0.02;6.3零漂：温漂＜0.1μm/℃；时漂＜0.01mm/4h；6.4测量节拍：3s/件（不含上下料时间）；6.5一次气源：0.4～0.7Mpa；6.6一次电源：AC220V±10%，50Hz。7.法向式测量的探讨7.1问题的提出叶片检验机一直采用垂直测量的方法，但对于扭转大的叶片，此种测量方法具有极大的弊端，由于受到恻向力的影响，重复精度低，难于保证测量精度。针对这种情况，我们提出了法向式测量的方法，完成了12.13车间三项叶片检验专机的设计，现两项已制造完毕并投入调试使用中。7.2技术分析在叶片测量中，叶片厚度的测量是一重要的测量项目，它主要用来控制合模精度。根据设计图纸，叶身厚度的几何定义与描述如下：如图六所示，叶身厚度的几何定义为：叶片沿法线方向的厚度值δ。12以往的电感量仪采用垂直测量方式，通过相对位置增量T1、T2可推出厚度公式δ=（T1+T2）/cosα，设传感器压为正。当α角度比较小时，对测量精度影响不大。如在ΦEU46749F叶片中，αmax=9.09°,叶片厚度公差=±0.13mm，为简化计算，常用δ=（T1+T2）来计算厚度，两者最大误差不大于3.3μm。图六但对于大扭转的叶片来说，这一误差却不容忽视。如在ΦEU23764Jd叶片中，αmax=66.036°,叶片厚度公差=±0.13mm。两者最大误差达到0.15mm。如不采