随钻测井用涡轮发电机叶轮型面检测方法研究

李碧柳

中海油田服务股份有限公司（北京101149）

应用在随钻测井仪器中的井下供电设备涡轮式发电机是未来测井技术发展的趋势。而涡轮发电机的涡轮性能直接影响涡轮发电机的工作性能[1]。涡轮作为涡轮发电机的核心部件，其加工质量对本身性能有决定性影响。因此研究涡轮叶片的加工和检测技术具有重要的意义。

传统的对于具有复杂曲面的叶轮等零件检测的方法是样板检测法[2-3]，但需要制作样板，且测量精度不高，因此采用传统检测工艺方法已不能满足对涡轮质量的控制要求。目前比较常用的新型测量方法是三维扫描仪[4-6]和三坐标测量仪[7-8]。

通过利用三维扫描仪对涡轮进行扫描，对比扫描点云生成的网格模型与设计模型，得出检测结果偏差数据。然后在涡轮上规划测量点，利用三坐标测量仪对涡轮测量点进行检测，得出三坐标检测偏差结果。再对两种检测结果数据进行分析，分别得出有关涡轮制造质量的结论。最后将两种检测方式结果互相印证，总结出两种检测方式的优缺点，得出两种方式各自的实用范围。

1　涡轮的三维扫描及结果分析

三维扫描是集光、电技术和计算机技术于一体的非接触测量技术，它能够对三维物体空间结构和外形进行扫描，以获得物体表面的空间坐标，再利用计算机进行处理,可以将被扫描物体数字化。使用三维扫描仪对叶轮模型进行扫描，可以在计算机软件中重构被扫描工件的三维模型，将扫描模型的尺寸数据与设计模型进行对比，可以得到高精度的偏差结果。

研究所用天远三维扫描仪，采用500万像素双摄像头，测量精度0.015 mm。三维扫描的基本步骤为：首先给涡轮加工件喷上专门的显像剂，以避免金属表面反光，再在加工件表面贴上供摄像头识别的标记点，最后调整三维扫描仪进行拼接扫描。将扫描所得的点云数据读入后处理软件，去除孤点和噪声数据，最后进行面片划分，得到涡轮网格数据。涡轮三维设计模型和扫描所得曲面网格模型如图1所示。

对于涡轮叶片等复杂未知曲面，重构需要大量的点云数据，扫描所得点云由2 142 536个数据点组成。在后处理软件Geomagic Verify中将扫描模型与三维模型按照最佳匹配对齐，在统一坐标系下，对比扫描重构点与设计模型点的位置，得出每个点的位置偏差数据。单点偏差的数据量巨大，以公差±0.1 mm为涡轮叶片的设计要求，整体偏差数据统计分析结果见表1。从表1可以看出此涡轮约98%的点在公差范围以内。

图1　三维设计模型与工件扫描模型对比

表1　整体偏差数据分析

从图2整体偏差对比云图中可以更加直观地分析检测结果。图中不同颜色代表了偏差的不同大小，绿色区域代表偏差绝对值在0.1 mm以内，橙色及黄色区域的偏差绝对值在0.1～0.4 mm之间，代表加工精度超过公差的工件位置。由图2可见，涡轮轮毂面、叶片曲面和最大直径面偏差绝对值在0.1 mm之内，加工精度较高。偏差最大的区域是叶片和轮毂相交处，加工偏差绝对值在0.2～0.4 mm之间。结合表1整体偏差数据分析与图2偏差云图可初步推断，约2%超出设计公差的点在图2所示中轮毂与叶片相接的位置。

图2　整体对比结果

为了进一步印证上文的推断，可以选取涡轮的某横截面偏差结果进行分析，查看与整体分析结果是否具有一致性。取两端面中心位置，作出叶片翼型二维偏差图，如图3所示。由图3可见，橙色大偏差点只出现在靠近叶根的部分，而叶片和轮毂上的点偏差都符合要求。更具体的，根据此截面的8 813个点数据做出的偏差分布百分比表见表2。由表2可以得出，此横截面中偏差绝对值在0.1～0.4 mm范围内的点数大约占总点数的2%，与整体对比结果一致。

图3　二维翼型对比图

表2　截面偏差分布百分比表

根据设计要求，各叶片曲面全尺寸误差设计要求不超过±0.1 mm。由以上整体和横截面的偏差数据分析可以推断出：涡轮轮毂面、叶片顶面、叶身加工精度较高，偏差较大部分集中在叶片底部与轮毂交接部分。在实际使用中，叶根与轮毂相连接部分通常属于弯度较大的圆滑过渡，这部分对涡轮整体性能影响不大；因此即便有2%的扫描点超过设计要求，考虑到偏差点的位置，也认为此涡轮整体合格。

2　三坐标测量仪检测结果分析

三坐标测量仪的检测原理是将被测物体置于三坐标测量仪的测量空间，获得被测物体上各测量点的坐标值，根据这些点的空间坐标值经过数学运算求出被测物体的几何尺寸、形状和位置公差[9]。因此首先需要规划好被测目标的测量点，这是进行三坐标测量的基础，是检测工序中尤为关键和复杂的环节。由于涡轮的设计数据是结合流体力学数值模拟结果和试验修正不断优化后的结果，其叶片是自由曲面，无法给出具体表达式，因此选择的测量点必须能够反映出曲面的型面特点。

在正式测量以前，在三坐标测量软件中，导入涡轮的设计模型，首先在模型上建立合适的坐标系，再根据等高差δx=12 mm将涡轮模型分成4个横截面，在每个截面上以曲率半径初始值y=85 mm，差值δy=15 mm取一组3个参考圆。参考圆与涡轮横截面表面所得交点及为测量点，如图4所示。求出这120个相交测量点的坐标值。

图4　涡轮测量点规划

测量点规划完成后开始正式测量。所用测量仪器为ZEISS MMZ龙门式三坐标测量仪，精度为：4.0+L/170 μm。参照计算机中设计模型坐标系建立的方向，将被测涡轮固定到合适的测量位置，使用探针测量出定位特征，在被测涡轮上建立同样的坐标系。然后在计算机中规划好测量路径，使三坐标探针能安全无碰撞地接触到事先规划好的测量点即完成测量。计算机会自动对比出测量点的实际坐标与设计值的偏差。涡轮的三坐标检测结果见表3。

表3　三坐标检测数据分析

由表3可见所有点的偏差值都在±0.1 mm以内，可以判断此涡轮合格。

3　讨论

对比三维扫描仪和三坐标检测的结果，虽然检测结果都一致认为涡轮合格，但具体数据还是发现有很大的不同。两者偏差的平均值，以及最大最小偏差都出现不同程度的差距。经分析出现这种不同的原因为：三维扫描仪扫描到了涡轮的绝大部分位置，包括叶片和轮毂相交区域。而三坐标测量仪由于本身探针的结构和运动方向限制，无法用探针对涡轮进行全面接触，并不能测量到叶片和轮毂相交位置；三坐标探针所能接触的叶片区域，恰好是涡轮实际偏差最小的区域，故而三坐标检测得到的偏差结果更小。实际加工情况来看，也是叶片和轮毂相交位置加工最为复杂，侧面印证了分析结果。

首先两种检测方法从检测结果来看都是可信的。三维扫描仪的优点是扫描全面，操作简单；缺点是后处理复杂，需要一定的操作技巧和数据分析能力，并且每个部件扫描前都要进行准备工作，扫描时手动操作，因为操作人员不同，检测时长无法预估。而三坐标扫描仪恰好相反，测量规划和测量程序的编制耗时较长，程序成型后便可全自动化重复使用，检测结果也不需要后处理程序。

4　结论

三维扫描仪测量相对于三坐标测量来说，准备时间较短，扫描范围大，所得数据多，操作简单，后处理复杂，结果全面，适合试验件或小批量件。三坐标测量仪虽然使用相对复杂,需要在测量前进行详细规划测量精准，但测量程序一次成型可重复使用，测量过程全自动化，非常适合大批量检测。测量人员可根据实际情况合理选择。