发电机定子铁心铅垂度在线监测装置的设计

□ 陈伟伟 □ 娄云鸽 □ 张 伟

上海电气集团股份有限公司中央研究院 上海 200070

1 研究背景

当前，全球范围内激烈的市场竞争，使产品质量受到制造企业前所未有的关注。市场的多样化与个性化，以及新工艺、新材料、新设备的不断涌现，使产品制造过程越来越复杂，质量的监测和控制越来越具有挑战性［1］。多工序多误差源质量监测与优化控制正在成为制造企业研究的目标［2］，因此，大力开展质量监测与优化控制技术攻关与应用，对提升制造业的国际竞争力具有重要意义。

国内的制造业已在质量管控领域做了大量研究。王企远［3］应用视觉技术对工件进行识别和干涉检测。刘贵杰［4］利用声发射传感器探头对磨削表面粗糙度进行检测。吴小辉［5］应用特种机器人技术实现了发电机槽楔松动检测和定子铁心电磁缺陷检测。张旭辉［6］应用激光超声无损检测技术对复杂曲面零件进行检测。李英俊等［7］设计了一台用于工业自动化生产的喷油器气密性检测设备。

发电机定子铁心的铅垂度是影响定子铁心制造质量的关键参数之一。发电机定子铁心的人工铅垂度检测方法如图1所示，在发电机定子铁心制造成型后，用铅垂线固定在铁心顶部，然后由人工用直尺分段测量铅垂线与定子外端面间的距离并记数，最后通过电子表格程序拟合出铅垂度误差。由于发电机定子铁心的尺寸较大，用这一方法检测不仅存在工作量大、人工成本高、效率低、误差大等问题，而且无法在铁心冷热压过程中对铅垂度进行检测，并做出及时修正，一旦出现铅垂度不合格现象，制造人员需对定子铁心重新拆分调整，并进行二次加压成型，这样会进一步增加劳动量和人工成本，同时还会拖延制造周期，给企业带来巨大的经济损失。

▲图1 发电机定子铁心人工铅垂度检测方法

基于此，笔者设计了发电机定子铁心铅垂度在线监测装置，适用于高温、振动等恶劣的制造环境，对发电机定子铁心的铅垂度实现全程监测，具有较高的自动化程度、测量精度、测量效率与可靠性。

2 装置原理

激光具有优良的方向性，其发散角很小，几乎是平行的光线［8］，因此，可采用铅垂的激光替代人工检测时的铅垂线。已有学者在电梯导轨铅垂度检测方向做了较多研究，孙明［9］研制的检测机器人实现了对电梯导轨垂直度误差的自动化检测，林开颜［10］应用电荷耦合元件相机和激光技术对电梯导轨垂直度测量方法进行了研究。但另一方面，电梯导轨检测方案均在常温下进行，且无法实现在线监测，因此，对处在高温、振动等恶劣环境下的发电机定子铁心是不适用的。

笔者所设计的发电机定子铁心铅垂度在线监测装置如图2所示，由多套铁心夹持采集支架、自平衡激光铅垂移动平台两部分组成。多套铁心夹持采集支架可随着定子铁心叠放高度的增加而布置在定子铁心的背部槽楔中，且激光接收模块交错排列，互不干涉。在热压状态时，支架可穿过保温罩，使监测装置在常温下进行监测，这样等于是将铅垂度误差测量从高温、振动等恶劣环境中转移到了常温环境，从而可实现发电机定子铁心冷热压成型过程的全程监测。自平衡激光铅垂移动平台固定在发电机定子铁心制造基座上，可自动调节激光发射角度，保证激光时刻保持铅垂状态。同时根据夹持采集支架上的位置敏感探测器（PSD）设定激光的径向移动量，按固定速率向接收模块发射激光信号。PSD将采集到的激光位置信号传输至铅垂度监测软件中，实时拟合出发电机定子铁心的铅垂度误差情况。

3 铁心夹持采集支架

发电机定子铁心的制造成型需经过多次冷热压工艺过程。热压过程中，发电机定子铁心处在高温、振动、密封等恶劣环境中，且保温罩与铁心外壁的间距只有10 cm，测量操作空间极小。因此，若想在保温罩内部实现对发电机定子铁心的铅垂度测量，难度很大且无法保证测量精度。为了克服这些恶劣条件，实现对发电机定子铁心铅垂度的精确监测，笔者所设计的铁心夹持采集支架在不破坏保温罩保温效果的前提下，将PSD转移到常温下进行采集。

▲图2 发电机定子铁心铅垂度在线监测装置

如图3所示，铁心夹持采集支架由PSD激光位置采集模块、夹持支架两部分组成。PSD具有分辨率高、响应速度快、信号处理相对简单等优点，对光源、光学系统的要求较低，光谱响应较宽，在检测位置的同时还能检测光强。PSD尤其适用于位置、位移及将光斑位置转化为坐标值的非接触式高精度快速测量。由于选用的激光器功率为4 mW，远远小于PSD元件的最大接收激光功率值，因此可以忽略激光光强对PSD元件精度的影响。由于PSD元件的采样速率为纳秒级，远远快于定子铁心热压时的机械振动频率，因此可采用低通滤波的方式消除振动对测量结果的影响。夹持支架的夹持端采用燕尾结构设计，一端与铁心背部的槽楔贴合，另一端通过螺栓紧固的方式与相邻的槽楔夹紧。为防止铁心导电，接触点材料选用绝缘橡胶。热压时，夹持端在保温罩内部，通过伸出杆穿过保温罩与PSD安装支架相连。PSD在各个安装支架上以一定的距离交错排列，保证激光采集互不干涉。

4 自平衡激光铅垂移动平台

▲图3 铁心夹持采集支架

为了实现激光铅垂替代铅垂线，需要保证激光具有自平衡能力，即激光方向时刻保持铅垂向上。为了使交错排列的PSD能按一定速率采集到激光信号，并实现铅垂度的拟合，需要保证激光发射源可线性移动。因此，设计了自平衡激光铅垂移动平台，这一平台由粗调工作台、水平云台、两轴自动旋转精调平台、激光发射器、二维电子水平仪等组成，如图4所示。

▲图4 自平衡激光铅垂移动平台

粗调工作台通过4个调平垫铁对工作台的水平度进行粗调。当移动水平云台时，需根据夹持采集支架上PSD的位置和数量来设定移动距离和速率。水平云台的最大行程为300 mm，单向定位精度为25 μm，重复定位精度为±0.5 μm。安装在水平云台上的两轴自动旋转精调平台可绕X轴、Y轴旋转，其主要参数见表1。二维电子水平仪用于监测移动平台的水平状态，其技术参数见表2。固定在精调平台上的二维电子水平仪在激光发射器发射激光信号前，将位置点的移动平台水平度以数字信号传输至上位机。上位机将该数字信号反馈至精调平台上的控制器，控制器控制X轴、Y轴两个方向的电机旋转，直至移动平台水平度在精度范围内，从而确保激光发射器竖直向上发射激光信号。

表1 两轴自动旋转精调平台技术参数

根据部件的精度指标，计算激光的单向铅垂精度β：

式中：L为铁心高度；α为自平衡激光铅垂移动平台的水平偏离角度，即激光偏离铅垂的角度。

假设发电机定子铁心的高度为10 m，可得到激光单向铅垂的精度β为±0.349 mm，再通过发电机定子铁心铅垂度监测软件对铅垂度测量进行补偿，所得结果远远小于发电机定子铁心铅垂度合格指标（≤3 mm），显然满足应用要求。

表2 二维电子水平仪技术参数

5 装置模型

将笔者设计的铁心夹持采集支架、自平衡激光铅垂移动平台和发电机定子铁心模型进行集成，得到发电子定子铁心铅垂度监测装置的三维模型和实验室试验测试模型，如图5所示。在实验室中，发电机定子铁心模型外壁安装了三个夹持采集支架，其铅垂度可通过模型底部的调平垫铁进行调节。如图6所示，在基于LabVIEW软件开发的发电机定子铁心铅垂度监测软件上，操作员可实时查看发电机定子铁心的铅垂度变化情况，从而实时调整发电机定子铁心的补偿措施。

▲图5 发电机定子铁心铅垂度监测装置

6 结论

发电机定子铁心的铅垂度是影响定子制造质量的关键参数之一。笔者基于激光高方向性的特点，设计了发电机定子铁心铅垂度在线监测装置，可在高温、振动等恶劣制造环境中对发电机定子铁心的铅垂度实现全程监测，具有较高的自动化程度、测量精度、测量效率及可靠性。对发电机定子铁心制造过程进行质量监控，不仅可以有效减少人工劳动量与人工成本，而且可以提高发电机定子铁心的生产质量。

▲图6 发电机定子铁心铅垂度监测软件

目前，笔者所设计的发电机定子铁心铅垂度在线监测装置已在实验室环境中完成调试，未来将在发电机定子铁心的现场制造中进行应用测试。