基于逆向工程的汽轮机部套的虚拟检测方法及基于该虚拟检测方法的虚拟修配方法

摘要

基于逆向工程的汽轮机部套的虚拟检测方法及基于该虚拟检测方法的虚拟修配方法，涉及汽轮机部套的虚拟装配、检测和修配技术。目的是为了解决汽轮机零部件由于协同制造导致异地装配、异地修配繁琐问题。本发明建立汽轮机各部套数字模型；通过3D扫描获取汽轮机各部套点云数据；对实体部套进行转子挠度及装配尺寸的提取，进而确定垫片尺寸；根据垫片尺寸对汽轮机各部套进行实体装配；通过摄影测量获得各部套实体装配关系；检测转子轴与隔板内圆间隙值，如果间隙值不合格，则采用abc法或拟合圆法确定修配量。本发明能够反映产品实际装配情况，更好地指导汽轮机修配工作，适用于指导汽轮机整个装配及修配过程。

说明书

技术领域

本发明涉及汽轮机部套的虚拟装配、检测和修配技术。

背景技术

作为电力装备中重要组成部分的汽轮机，是我国实施制造强国战略第一个十年行动纲领中大力推动的重点领域。由于装配精度较高、结构复杂以及单件流生产等原因，决定了汽轮机行业需采用协同制造的模式(外协)来满足设计精度与生产周期等要求，必将造成汽轮机部分外协的部套装配时需采用修配的工艺来指导装配。而在传统的装配中，汽轮机装配过程由于需要进行多次修配，生产加工周期较长，使得无法满足日趋白热化的市场竞争的需求。

国内一些汽轮机领先企业由于产能无法满足订单需求或关键零部件无法自行生产等原因，往往需要部分部件外协制造，因此往往将本厂加工的部件以及外协加工的部件直接送至电厂进行最终装配、试车等工作。

将汽轮机所有零部件运送至电厂进行装配时，往往会出现由于无法满足装配要求，需要进行多次修配。对于一些小型的汽轮机零部件，可以通过在电厂当地进行修配的方式来解决装配问题；而对于大型部件，只有通过返回汽轮机制造或生产厂的方式进行返修，但这样往往造成巨大的成本超支以及工期延误。而对汽轮机进行多次修配也影响汽轮机的精度以及制造商的产品声誉。

发明内容

本发明的目的是为了解决汽轮机零部件由于协同制造导致异地装配、异地修配繁琐问题，提供一种基于逆向工程的汽轮机部套的虚拟检测方法及基于该虚拟检测方法的两种虚拟修配方法。

本发明所述的基于逆向工程的汽轮机部套的虚拟检测方法，其特征在于，该虚拟检测方法包括以下步骤：

步骤一、在三维建模软件CATIA中建立汽轮机各部套的三维数字模型；

步骤二、通过3D扫描提取汽轮机各实体部套的点云数据；

步骤三、在Geomagic Studio软件中对步骤二所提取的点云数据进行降噪处理，得到降噪后的点云数据模型；

步骤四、在Geomagic Qualify软件中将步骤一建立的汽轮机各部套三维数字模型与步 骤三得到的点云数据模型进行比对，获得实体部套的3D及2D尺寸偏差；

步骤五、对步骤四中3D及2D尺寸偏差都符合要求的实体部套，在Geomagic Qualify软件中进行装配尺寸及转子挠度e的提取；所述装配尺寸包括搭子下表面到相应位置的转子圆心距离h1、搭子座凹槽至下汽缸水平面距离h2、隔板下凹槽左侧至中心线距离b1、隔板下凹槽右侧至中心线距离b3、以及下汽缸凹槽至中心线距离b2，所述中心线是指沿竖直方向穿过该转子圆心的线；

步骤六、根据步骤五中所提取的装配尺寸及转子挠度确定垫片尺寸，所述垫片尺寸是指x1、x2、y1、y2和b；其中，x1和x2分别为两个水平调整垫片的厚度，且x1和x2计算方法相同，两个水平调整垫片在水平方向左右对称；y1和y2分别为两个竖直调整垫片的厚度，且y1和y2计算方法相同，两个竖直调整垫片在竖直方向上对称，b为定位键的宽度；装配尺寸的表达式为：

y1＝h2-h1-e；

x1＝b2-b1；

b＝b1+b3-0.06±0.02；

步骤七、按照步骤六中确定的垫片尺寸对汽轮机各实体部套进行装配；

步骤八、对步骤七中经过装配完的汽轮机实体进行贴点摄影测量，获得相关装配部套的点云模型装配关系，并导入到Vxelements软件中进行自动对齐处理，按照所述点云模型装配关系将步骤二中各个单个实体部套点云模型进行虚拟装配，得到装配点云模型；

步骤九、检测转子轴与隔板内圆间隙值，所述间隙值包括转子轴与隔板内圆在水平方向上的左右两个间隙值a和b，以及转子轴与隔板内圆在竖直方向上位于下面的间隙值c；

具体方法为：将步骤八中保存的装配点云模型导入到Geomagic Qualify软件中，在需要检测的隔板的中部做径向截面，进而测量转子轴与隔板内圆间隙值；

步骤十、根据步骤九得到的转子轴与隔板内圆间隙值检测装配是否合格，当a、b和c满足时，认为装配合格，否则，认为装配不合格。

基于上述虚拟检测方法的第一种虚拟修配方法为abc法，具体为：

隔板内圆圆心横坐标和纵坐标分别为X、Y，转子圆半径r，隔板内圆半径R，通过 求解方程组得到在以转子圆心为零点的情况下的隔板内圆圆心坐标该圆心坐标即为圆心偏差，通过圆心偏差来调整垫片厚度，完成虚拟修配。

基于上述虚拟检测方法的第二种虚拟修配方法为拟合圆法，具体为：将转子和隔板的点云数据进行合并，得到合并点云数据模型，然后做合并点云数据模型的截面曲线，通过对曲线上的点进行拟合，生成相应的拟合圆，提取拟合圆的圆心数据，即中心点数据，得到圆心偏差，通过圆心偏差来调整垫片厚度，完成虚拟修配。

本发明对数字模型进行虚拟装配，模拟真实的装配状态，最终实现组装厂和外协厂之间异地交互修正，减少因异地制造的产品无法进行数据交互造成的大量返工的浪费，解决了由于协同制造出现的异地装配、异地修配繁琐问题。并能能够给出修配量，对修配工作进行指导，从而加快汽轮机各部件的修配效率。

本发明提出结合逆向工程，利用虚拟装配技术实现对实际产品的拟实性装配，能够最大程度地反映产品的实际装配情况，从而更好地指导汽轮机修配工作，提高汽轮机产品的装配效率和产品品质，适用于指导汽轮机整个装配及修配过程。

附图说明

图1为本发明所述的基于逆向工程的汽轮机部套的虚拟检测方法的流程图；

图2步骤四中的三维数字模型与点云数据模型的3D对比图；

图3为步骤六中各尺寸所表示的距离；

图4为步骤九中a、b和c所表示的距离，1表示转子轴，2表示隔板；

图5为步骤九中测量的a、b和c的值；

图6为实施方式五中的拟合圆。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1至图5说明本实施方式，本实施方式所述的基于逆向工程的汽轮机部套的虚拟检测方法，包括以下步骤：

步骤一、在三维建模软件CATIA中建立汽轮机各部套的三维数字模型；具体方法为，在三维建模软件CATIA中的零部件设计模块中，建立汽轮机各部套三维设计模型，如前 后上下汽缸、前后轴承座、前后汽封、转子以及多级隔板等；

步骤二、通过3D扫描提取汽轮机各实体部套的点云数据；具体方法为，利用便携式3D扫描仪对汽轮机单个实体部套进行贴点扫描，获取各实体部套的点云数据；

步骤三、在Geomagic Studio软件中对步骤二所提取的点云数据进行降噪处理，得到降噪后的点云数据模型；具体方法为，应用Geomagic Studio软件中的去除体外孤点操作对步骤二中所提取的点云数据所构成的模型进行降噪处理并进行封装保存；

步骤四、在Geomagic Qualify软件中将步骤一建立的汽轮机各部套三维数字模型与步骤三得到的点云数据模型进行比对，获得实体部套的3D及2D尺寸偏差；具体方法为，在Geomagic Quality软件中导入步骤一建立的汽轮机各部套三维数字模型和步骤三得到的降噪后的点云数据模型，将三维数字模型设置为参考对象，将降噪后的点云数据模型设置为测量对象，将两者对齐，实现降噪后的点云数据模型与设计的三维数字模型的比对，获得实体部套的3D及2D尺寸偏差；

如图2所示，获得的3D偏差情况为：

最大+/-：155.7986/-150.5817mm；

平均+/-：7.6855/-5.1999mm；

标准偏差：15.1472mm；

RMS Estimate：15.1649mm。

测量坐标系：全局坐标系；

视图坐标系：全局坐标系。

步骤五、对步骤四中3D及2D尺寸偏差都符合要求的实体部套，在Geomagic Qualify软件中进行装配尺寸及转子挠度e的提取；所述装配尺寸包括搭子下表面到相应位置的转子圆心距离h1、搭子座凹槽至下汽缸水平面距离h2、隔板下凹槽左侧至中心线距离b1、隔板下凹槽右侧至中心线距离b3、以及下汽缸凹槽至中心线距离b2，所述中心线是指沿竖直方向穿过该转子圆心的线；

步骤六、根据步骤五中所提取的装配尺寸及转子挠度确定垫片尺寸，所述垫片尺寸是指x1、x2、y1、y2和b；如图3所示，x1和x2分别为两个水平调整垫片的厚度，且x1和x2计算方法相同，两个水平调整垫片在水平方向左右对称；y1和y2分别为两个竖直调整垫片的厚度，且y1和y2计算方法相同，两个竖直调整垫片在竖直方向上对称，b为定位键的宽度；装配尺寸的表达式为：

y1＝h2-h1-e；

x1＝b2-b1；

b＝b1+b3-0.06±0.02；

具体方法为：根据相关部套的装配关系及尺寸链关系(所述尺寸链关系是上述三个公式)，对步骤五中所提取的间距值进行运算，从而确定汽轮机各部套实体的装配尺寸。

在Y轴方向上调整竖直调整垫片的厚度y1，该厚度值由转子挠度、搭子下表面到圆心距离h1以及搭子座凹槽至下汽缸水平面距离来决定。调整竖直垫片的厚度y1、搭子下表面到圆心距离h1、搭子座凹槽至下汽缸水平面距离h2、和转子挠度e。根据尺寸链关系：

y1＝h2-h1-e

在X轴方向上，调整水平调整垫片的厚度x1，该厚度值由隔板下凹槽至中心线距离和下汽缸凹槽至中心线距离共同决定。调整x1、隔板下凹槽至中心线距离b1和下汽缸凹槽至中心线距离b2，根据尺寸链关系：

x1＝b2-b1

特别注意的是，由于隔板下凹槽键的尺寸是由隔板下凹槽来决定，即隔板下凹槽键的尺寸b由隔板下凹槽至中心线距离(左)b1和隔板下凹槽至中心线距离(右)b3来决定，在实际装配中，为了完成装配并限制隔板旋转，根据专家经验：

b＝b1+b3-0.06±0.02。

步骤七、按照步骤六中确定的垫片尺寸，对汽轮机各实体部套进行装配；

步骤八、对步骤七中经过装配完的汽轮机实体进行贴点摄影测量，获得相关装配部套的点云模型装配关系，并导入到Vxelements软件中进行自动对齐处理，按照所述点云模型装配关系将步骤二中各个单个实体部套点云模型进行虚拟装配，得到装配点云模型；

步骤九、检测转子轴与隔板内圆间隙值，所述间隙值包括转子轴与隔板内圆在水平方向上的左右两个间隙值a和b，以及转子轴与隔板内圆在竖直方向上位于下面的间隙值c(如图4所示)；

具体方法为：将步骤八中保存的装配点云模型导入到Geomagic Qualify软件中，在需要检测的隔板的中部做径向截面，进而测量转子轴与隔板内圆间隙值，如图5所示，测得的a、b和c的值分别为18.6206、19.7425和18.1279，转子轴直径为254.02262，隔板内圆半径为145.9714；

步骤十、根据步骤九得到的转子轴与隔板内圆间隙值检测装配是否合格，当a、b和c满足时，认为装配合格，否则，认为装配不合格。

对于步骤九所提取各隔板的a、b和c值，根据经验公式判断转子轴与隔板的同心情况。在理论情况下a、b和c三者相等是最佳状态，而实际中只要满足上述关系即可。

具体实施方式二：本实施方式是对实施方式一所述的基于逆向工程的汽轮机部套的虚拟检测方法的进一步限定，本实施方式中，步骤五提取转子挠度的具体方法为：

步骤五一、建立测量基准：

创建基准平面，进而创建轴承位置平行面(通过基准平面进行偏移而得)；做轴承转子前后两个圆分别形成的曲线；优化两条曲线；将曲线转化为点(采用截面曲线上连续的点，舍弃不好的点)；将每个曲线转化后的点拟合成圆；做轴承转子前后两个圆的圆心的连线；将所述连线与点云模型所在坐标系的Y轴对齐，所述连线即为所述测量基准；

步骤五二、转子挠度提取：

做各个转子挠度所对应位置的轴向截面曲线；优化各轴向截面曲线；将各轴向截面曲线转化为点(采用截面曲线上连续的点，舍弃不好的点)；将每个轴向截面曲线转化后的点拟合圆(每条轴向截面曲线对应一个圆)；利用Geomagic Qualify软件中的注释特征工具提取每个轴向截面曲线对应的圆的圆心到所述连线的距离，该距离即为转子挠度。

具体实施方式三：本实施方式是对实施方式二所述的基于逆向工程的汽轮机部套的虚拟检测方法的进一步限定，本实施方式中，步骤五提取装配尺寸的具体方法为：

在Geomagic Qualify软件中对需要测距的两个部套上的扫描数据点进行平面拟合，对需要测距的两个部套的平面距离进行测量，从而得到两部套之间的装配尺寸。

具体实施方式四：本实施方式是基于实施方式一所述的基于逆向工程的汽轮机部套的虚拟检测方法的虚拟修配方法。如果基于逆向工程的汽轮机部套的虚拟检测方法的检测结果不合格，则需要确定修配调整尺寸值。对于步骤十中检测不合格的问题，采用下述虚拟修配方法对汽轮机的安装调整垫片进行修配。

所述虚拟修配方法为abc法，具体为：

隔板内圆圆心横坐标和纵坐标分别为X、Y，转子圆半径r，隔板内圆半径R，通过 求解方程组得到在以转子圆心为零点的情况下的隔板内圆圆心坐标该圆心坐标即为圆心偏差，通过圆心偏差来调整垫片厚度，完成虚拟修配。

在abc法中，近似认为a和c所在的方向相互垂直，b和c所在的方向也相互垂直。隔板内圆圆心横坐标和纵坐标分别为X、Y，转子圆半径r，隔板内圆半径R，本方法利用在汽轮机隔板检测中已经获取的abc数据，对隔板内圆圆心求解采用快捷近似计算(假设转子轴圆心为原点，建立坐标系)；获取圆心偏差之后，通过调整水平和垂直方向的垫片，达到隔板修配的目的。隔板内圆圆心计算公式为：

$\left(\begin{array}{c}{\left(-a-r-X\right)}^2+Y^2=R^2\\ {(b+r-X)}^2+Y^2=R^2\\ X^2+{(-c-r-Y)}^2=R^2\end{array}\right)$

通过求解此方程组，可以获得在以转子圆心为零点下，隔板内圆圆心坐标，即圆心偏差：

$\left(\begin{array}{c}X=\frac{b-a}{2}\\ Y=\frac{(r+a)\times (r+b)-{(r+c)}^2}{2\times (r+c)}\end{array}\right)$

abc法利用了之前建立的点云数据模型，提取数据非常方便，因而计算过程方便快捷。

具体实施方式五：结合图6说明本实施方式，本实施方式是基于实施方式一所述的基于逆向工程的汽轮机部套的虚拟检测方法的另一种虚拟修配方法，所述虚拟修配方法为拟合圆法，具体为：将转子和隔板的点云数据进行合并，得到合并点云数据模型，然后做合并点云数据模型的截面曲线，通过对曲线上的点进行拟合，生成相应的拟合圆，提取拟合圆的圆心数据，即中心点数据，得到圆心偏差，通过圆心偏差来调整垫片厚度，完成虚拟修配。

本实施方式与实施方式四的区别在于，实施方式四近似认为a和c所在的方向相互垂直，b和c所在的方向也相互垂直，使得计算过程存在一定的误差。而本实施方式在之前点云虚拟装配数据之后，可以在同一截面截取转子和隔板数据，减少了计算误差。