（机械电子工程专业论文）基于labview涡旋盘轮廓度测量系统设计.pdf

摘要摘要涡旋盘是涡旋压缩机的核心零件，涡旋压缩机就是通过涡旋静盘、动盘的啮合，往复式运动实现空气的压缩。而为实现动静盘的有效啮合，其涡旋型面的精度要求较高，其中重要参数即为涡旋型面的轮廓度。为此，本文以涡旋盘轮廓度为研究对象，完成了基于l a b v i e w 的涡旋盘轮廓度的检测系统设计。该文主要的研究内容为：1 、对检测对象涡旋盘轮廓度进行分析，主要包括涡旋压缩机及其型线原理，涡旋轮廓度及其设计检测要求，涡旋盘型线数控加工等。2 、通过对检测对象的分析，同时参考国内外相关文献，在此基础上，提出基于n i 数据采集系统、l a b v i e w 软件平台下，利用光谱共焦式位移传感器实现涡旋盘轮廓度在线检测系统的设计。3 、检测系统硬件平台的搭建。主要包括n i 数据采集系统的选型、连接，数控系统光栅信号分配器的选型测试，光谱共焦传感器的夹具设计。4 、在检测系统软件部分，重点分析了涡旋型面数据采集的规划，采集数据的预处理，最d - - 乘法评定涡旋轮廓度。并在l a b v i e w 开发环境中，实现了数据采集模块程序设计，采集数据的预处理程序设计，涡旋轮廓度最小二乘法的编程实现，同时编写了涡旋轮廓度检测系统用户界面，实现了检测过程的实时、可视化显示及测量数据与结果的保存、输出、打印等功能。5 、对检测系统进行了实验测试，误差分析和测量结果分析。通过实验测试及数据结果分析，说明该检测系统基本能够实现对涡旋轮廓度的测量。关键词：涡旋盘；轮廓度；l a b v i e w ；检测系统a b s t r a c ta b s t r a c ts c r o l lp l a t ei st h ec o r ep a r to ft h es c r o l lc o m p r e s s o r , w h i c hi sad e v i c ef o rc o m p r e s s i n ga i ro rr e f r i g e r a n t w h e nt h es c r o l lc o m p r e s s o ri sw o r k i n g ，t h es t a t i cp l a t em e s h i n g 谢t 1 1t h ed y n a m i co n e ，a n df o rt h er e c i p r o c a t i n gm o v e m e n t , t h ea i rc o m p r e s s i o ni sm a d e t h es c r o l lt o l e r a n c ea c c u r a c yi sh i g hd e m a n df o rt h ee f f e c t i v ee n g a g e m e n to ft h es t a t i ca n dd y n a m i cd i s k ，o n eo ft h ei m p o r t a n tp a r a m e t e r si st h es c r o l lp l a t ep r o f i l et o l e r a n c e o nt h i sp o i n t ，t h i sp a p e rd o e sr e s e a r c ho nt h em e a s u r e m e n ts y s t e md e s i g no ft h es c r o l lp l a t ep r o f i l et o l e r a n c eb a s e do nl a b v i e w i nt h i sp a p e r , t h em a i nc o n t e n t sa r e f i r s t l y , i th a sm a d ea n a l y s i so nt h ep r o f i l et o l e r a n c eo ft h es c r o l lp l a t e ，i n c l u d i n gt h ep r i n c i p l eo fs c r o l lc o m p r e s s o ra n di t st y p el i n e s ，t h ed e s i g na n dt e s t i n gr e q u i r e m e n t so ft h ep r o f i l et o l e r a n c eo ft h es c r o l lp l a t e ，t h ec n cm a c h i n i n ga n ds oo n s e c o n d l y , t h r o u g ht h ea n a l y s i so ft h ed e t e c t e do b j e c t , a l s or e f e r r i n gt ot h er e l e v a n t1 r e r a t u r e ，o nt h i sb a s i s ，t h eb l u ep r i n to ft h es c r o l lp l a t ep r o f i l et o l e r a n c em e a s u r e m e n ts y s t e mi sd e s i g n e d ，w h i c hi sb a s e do nn id a t aa c q u i s i t i o ns y s t e ma n dl a b v i e wp l a t f o r m ，u s i n gs p e c t r a lc o n f o c a ld i s p l a c e m e n ts e n s o r t h i r d l y , t h ee s t a b l i s h m e n to ft h eh a r d w a r ep l a t f o r mi sm a d e ，w h i c hi n c l u d e dt h es e l e c t i o no ft h en id a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m ，t h ep u l s ed i s t r i b u t o r f o rt h eg r a t i n gs i g n a l so ft h ec n c ，t h ef i x t u r ed e s i g no fs p e c t r a lc o n f o c a ls e n s o ra n dt h ec o n e c t i o n f o u r t h l y , i nt h ep a r to ft h es o f t w a r es y s t e m ，i tm a k e sf o c u so nt h ed a t aa c q u i s i t i o np l a n n i n go ft h es c r o l lp l a t ep r o f i l et o l e r a n c e ，t h ep r e t r e a t m e n to ft h ec o l l e c t e dd a t a , a n dl s ma l g o r i t h m ( t h el e a s ts q u a r em e t h o d ) o ft h es c r o l lo fp r o f i l e t h e n ，b a s e dt h el a b v i e we n v i r o n m e n t ，w em a d et h ea c h i e v e m e n to ft h em o d u l ep r o g r a m m i n go ft h ed a t aa c q u i s i t i o n ，t h ep r e t r e a t m e n td e s i g no ft h ec o l l e c t e dd a t a , t h el s ma l g o r i t h mp r o g r a m m i n g ，a n da l s ot h eu i ( u s e ri n t e r f a c e ) i sm a d e , 谢1t h ef u n c t i o nj u s tl i k et h er e a l - t i m ev i s u a ld i s p l a yo ft h ed e t e c t i o np r o c e s s ，s a v e ，e x p o r t ，p r i n t a n ds oo n f i n a l l y , w ed i dt h ee x p e r i m e n t a lt e s tw i t ht h em e a s u r e m e n ts y s t e m , m a d et h ei ia b s t r a c te r r o ra n a l y s i sa n dt h ea n a l y s i so ft h em e a s u r e m e n tr e s u l t s b ye x p e r i m e n t a lt e s ta n dt h ea n a l y s i so fm e a s u r e m e n tr e s u l t s ，i th a s i n d i c a t e dt h a tt h em e a s u r e m e n ts y s t e mc a na c h i e v et h ef u n c t i o no ft h es c r o l lp l a t ep r o f i l et o l e r a n c em e a s u r e m e n tb a s i c a l l y k e yw o r d s ：s c r o l lp l a t e ；p r o f i l et o l e r a n c e ；l a b v i e w ；m e a s u r e m e n ts y s t e mi i i第1 章绪论第1 章绪论1 1 引言涡旋压缩机自1 9 0 5 年由l 6 0 nc r e u x 发明以来【1 】，以其结构简单、平稳可靠、效率高、噪音低的优越性能，得到了行内及市场的认可 2 1 。在实际生产过程中，为保证涡旋压缩机的性能与质量，对其零件加工质量的检测技术与检测能力是涡旋压缩机生产与产品研发的重要内容。课题组项目主要涉及基于激光涡旋压缩机关键零件全尺寸检测、虚拟装配等内容。本文以涡旋盘轮廓度检测为研究对象，同时，为快速建立检测系统，并为后续研发做铺垫，从而引进了虚拟仪器，依托美国国家仪器n i ( n a t i o n a li n s t r u m e n t s ) ，在l a b v i e w 环境下高效地实现检测系统的设计。1 2 轮廓度及检测方法由于涡旋盘轮廓度为面轮廓度要求( 详见第2 章) ，因此下面提及的轮廓度均为面轮廓度。1 2 1 轮廓度定义面轮廓度1 3 ”1 公差带是指包络一系列直径为公差值的球的两包络面之间的区域，诸球的球心应位于具有理论正确几何形状的面上( 如图1 1 所示) 。d ：= = t图1 1 面轮廓度其中包括有基准要求和无基准要求两种情况( 如图1 2 、图1 3 示) 。第1 章绪论第1 章绪论1 1 引言涡旋压缩机自1 9 0 5 年由l 6 0 nc r e u x 发明以来【1 】，以其结构简单、平稳可靠、效率高、噪音低的优越性能，得到了行内及市场的认可 2 1 。在实际生产过程中，为保证涡旋压缩机的性能与质量，对其零件加工质量的检测技术与检测能力是涡旋压缩机生产与产品研发的重要内容。课题组项目主要涉及基于激光涡旋压缩机关键零件全尺寸检测、虚拟装配等内容。本文以涡旋盘轮廓度检测为研究对象，同时，为快速建立检测系统，并为后续研发做铺垫，从而引进了虚拟仪器，依托美国国家仪器n i ( n a t i o n a li n s t r u m e n t s ) ，在l a b v i e w 环境下高效地实现检测系统的设计。1 2 轮廓度及检测方法由于涡旋盘轮廓度为面轮廓度要求( 详见第2 章) ，因此下面提及的轮廓度均为面轮廓度。1 2 1 轮廓度定义面轮廓度1 3 ”1 公差带是指包络一系列直径为公差值的球的两包络面之间的区域，诸球的球心应位于具有理论正确几何形状的面上( 如图1 1 所示) 。d ：= = t图1 1 面轮廓度其中包括有基准要求和无基准要求两种情况( 如图1 2 、图1 3 示) 。第1 章绪论图1 2 有基准要求图1 3 无基准要求1 2 2 轮廓度的检测方法与评定在国标g b t1 9 5 8 2 0 0 4 中给出了四种方法：仿形、三坐标、截面轮廓样板和光学跟踪法【5 1 ( 如表1 1 所示) 。表1 1国标中给出的四种检测方法方法对象( 1 ) 仿形测量法蚤冉利用轮廓样板与仿形测头等装置，首先辜f ；，7调整被测零件与轮廓样板的位置，并调零指示器。然后由仿形测头在轮廓样板上移动，。叁 叹m读取指示器的最大值与最小值，两者差的两瀛，象彬倍即为被测零件的面轮廓度误差。( 2 ) 三坐标测量法 只最商扣岗将零件放置于三坐标测量平台上，进行彬陟*|石定位后，测出若干点坐标，将测得点的坐标值与理论轮廓的坐标值进行比较。取差值最大的绝对值的两倍作为零件的面轮廓度误差，x 上旧夏， j j f f7 j f f j f -。吧，( 3 ) 截面轮廓样板光隙法酷卅1 j 。，酬，#该方法依据光隙法原理，将截面轮廓样圈嘲芭- qd q 荔板放置指定位置，估读间隙的大小，并取最大间隙为面轮廓度误差。( 4 ) 光学跟踪测量法一静被测零件放置于工作台，并正确定位后，测头沿被测截面的轮廓移动，此时绘有相应截面的理想轮廓板随之移动，若被测轮廓的投影落在其公差带内即符合，否则不合格。2第1 章绪论1 3 采用l a b v i e w 的检测系统设计自1 9 8 6 年提出虚拟仪器v i ( v i r t u a li n s t r u m e n t ) 以来，美国国家仪器n i ( n a t i o n a li n s t r u m e n t s ) 1 6 】引领整个测试行业对传统测量与仪器进行了广泛而深入的改革与创新。该公司及其产品提倡的“软件即是仪器”的思想，打破了人们对仪器惯有的、以硬件为主体的传统观念。1 3 1l a b v i e w 与虚拟仪器l a b v i e w 7 1 是美国n i ( n a t i o n a li n s t u m e n t s ) 公司开发的图形化编程环境平台，由该平台编写的程序语言也因此称为g 语言。除数据管理、科学计算等功能外，其最大的优势在于测试、测量与控制系统的开发。l a b v i e w 的主要特点 7 1 【8 】包括：( 1 ) 模块化l a b v i e w 模块化主要体现在两个方面：一、程序中的函数、节点、结构框图等都已模块化。编程应用时，直接调用即可；二，在l a b v i e w 平台内，某个程序模块一方面可以独立完成某块内容，另一方面，其同时可以是另一模块中的子模块，这一点与其他程序( 如c 语言) 中的子程序类似。( 2 ) 具备其他通用编程语言的特点l a b v i e w 内集成的硬件及数据采集卡等设备模块能满足诸如r s 2 3 2 、r s 4 8 5 、g p i b 和v x i 等协议的全部功能。其函数库功能广泛，其中包括数据采集、串口控制以及数据的分析、显示和存储等。( 3 ) 图形化的编程直观易用采用形象、易阅读的图形化语言( g 语言) ，对基于文本的计算机语言，如v i s u a lc + + 、v i s u a lb a s i c 等进行了改进和创新。而且，在l a b v i e w 环境中编写的程序为框图，而非传统的程序代码。另外，l a b v i e w 程序的运行过程是基于数据流原理的，可简单理解为，一个函数只有接收到必需的数据后，才开始运行。虚拟仪器v i ( v i r t u a li n s t r u m e n t ) 主要有两种解释，一方面，指相对传统仪器而言，建立在计算机平台上，利用计算机的软件和硬件资源，完成传统仪器的功能，实现仪器的虚拟化与软件化，降低了系统成本，增强了系统的功能与灵活性；另一方面，是指l a b v i e w 中，g 语言的程序模块。每个程序模块的结构一般由三部分组成：前面板( f r o n tp a n e l ) ，程序框图( b l o c kd i a g r a m ) 及图标接3第1 章绪论1 3 采用l a b v i e w 的检测系统设计自1 9 8 6 年提出虚拟仪器v i ( v i r t u a li n s t r u m e n t ) 以来，美国国家仪器n i ( n a t i o n a li n s t r u m e n t s ) 1 6 】引领整个测试行业对传统测量与仪器进行了广泛而深入的改革与创新。该公司及其产品提倡的“软件即是仪器”的思想，打破了人们对仪器惯有的、以硬件为主体的传统观念。1 3 1l a b v i e w 与虚拟仪器l a b v i e w 7 1 是美国n i ( n a t i o n a li n s t u m e n t s ) 公司开发的图形化编程环境平台，由该平台编写的程序语言也因此称为g 语言。除数据管理、科学计算等功能外，其最大的优势在于测试、测量与控制系统的开发。l a b v i e w 的主要特点 7 1 【8 】包括：( 1 ) 模块化l a b v i e w 模块化主要体现在两个方面：一、程序中的函数、节点、结构框图等都已模块化。编程应用时，直接调用即可；二，在l a b v i e w 平台内，某个程序模块一方面可以独立完成某块内容，另一方面，其同时可以是另一模块中的子模块，这一点与其他程序( 如c 语言) 中的子程序类似。( 2 ) 具备其他通用编程语言的特点l a b v i e w 内集成的硬件及数据采集卡等设备模块能满足诸如r s 2 3 2 、r s 4 8 5 、g p i b 和v x i 等协议的全部功能。其函数库功能广泛，其中包括数据采集、串口控制以及数据的分析、显示和存储等。( 3 ) 图形化的编程直观易用采用形象、易阅读的图形化语言( g 语言) ，对基于文本的计算机语言，如v i s u a lc + + 、v i s u a lb a s i c 等进行了改进和创新。而且，在l a b v i e w 环境中编写的程序为框图，而非传统的程序代码。另外，l a b v i e w 程序的运行过程是基于数据流原理的，可简单理解为，一个函数只有接收到必需的数据后，才开始运行。虚拟仪器v i ( v i r t u a li n s t r u m e n t ) 主要有两种解释，一方面，指相对传统仪器而言，建立在计算机平台上，利用计算机的软件和硬件资源，完成传统仪器的功能，实现仪器的虚拟化与软件化，降低了系统成本，增强了系统的功能与灵活性；另一方面，是指l a b v i e w 中，g 语言的程序模块。每个程序模块的结构一般由三部分组成：前面板( f r o n tp a n e l ) ，程序框图( b l o c kd i a g r a m ) 及图标接3第l 章绪论线器( i c o na n dc o n n e c t o rp a n e ) 。1 3 2l a b v i e w 用于测试系统n i 提供了的硬件设备主要包括数据采集( d a q ) 硬件、实时测量与控制、p x i 与c o m p a c tp c i 、信号调理、机器视觉、运动控制、g p i b 、串口仪器控制等等。而l a b v l e w 己成为测试与测量领域的工业标准，其最具核心竞争力的技术之一就是数据采集与仪器控制。l a b v l e w 用于测控系统主要包括的内容有以下几个方面1 8 】 9 1 【1 0 l 。( 1 ) 测试系统典型结构基于虚拟仪器的测试系统典型结构如下图1 4 所示：软件图1 4典型测试系统构成即由“传感器一信号调理一数据采集设备一计算机”组成的测试系统，该系统中，传感器主要是完成将被测量的位移、温度等物理量转化为电量；信号调理器主要是对电信号的放大、滤波、隔离等预处理；而数据采集是实现将模拟信号转换为数字信号的过程。( 2 ) n i 数据采集设备n i 数据采集设备主要有插卡式数据采集、分布式数据采集，对于某些高测量要求的场合可以用v x i 或p x i 虚拟仪器硬件结构，v x i 或p x i 是将信号采集、信号调理等模块装入标准机箱，而计算机嵌入该标准机箱插槽中。其中，p x i则是p c i 总线的扩展。数据采集设备的主要性能指标有：采样率，分辨率，通道数，模拟输出，数字输入输出，触发等。采样率是指进行a d 转换的速率，一般根据不同的测试信号类型和要求选择合适的采样率。目前n i 产品的采样速度能达到2 g s s 。分辨率是数据采集设备测量精度的反映，通常用a d 转换的位数来表示。4第1 章绪论位数越大，测量时分辨率越高，测量就越精确。工程上，常用的数据采集设备位数一般为1 2 位、1 6 位及2 4 位。通道数则根据测量信号的数量来选择，常用于多路复用的场合。n i 的数据采集设备的通道数一般有1 6 通道和6 4 通道。触发，是指在一定条件下采样，分为模拟和数字触发两种。( 3 ) 基于l a b v i e w 数据采集系统的总体结构l a b v i e w 数据采集系统通常包括数据采集硬件、硬件驱动程序以及数据采集函数等部分。其中，硬件驱动程序是对硬件的编程接口，通过发送、接收己编写操作指令，实现与硬件的数据传递。通过硬件驱动程序可以较大简化l a b v i e w 编程工作，提升效率同时减少成本。图1 5基于n i d a q m x 数据采集系统结构图目前n i 提供的硬件驱动程序有两种：传统n i d a q 和n i d a q m x 。它们具有单独的应用程序编程接口a p i ，并且它们的硬件和软件的设置方法也不相同。对于新的n i 产品，两种硬件驱动模式均能适用，但n i d a q m x 具有比传统n i d a q更高的效率，且实现了新的多线程技术。基于n i d a q m x 的数据采集系统，通过使用驱动程序的用户接口m a x ( m e a s u r e m e n t & a u t o m a t i o ne x p l o r e r ) 对硬件进行各种设置和测试，然后调d a q m x 数据采集函数编写采集程序。同时，它可以使用数据采集助手d a qa s s i s t a n t ，该“助手 能快速对硬件进行交互式设置，而且能自动生成数据采集程序框图代码。这极大提升了测试的效率，并且满足了产品开发时易变动、快速扩展等要求。5第1 章绪论1 4 论文的研究思路和主要内容通过对检测对象涡旋盘轮廓度的深入分析，其中包括涡旋压缩机、涡旋型线原理、涡旋盘机加工等内容，特别是关于轮廓度的国内外检测理论与方法的学习与借鉴，提出在n i 平台下，利用激光传感器实现涡旋盘轮廓度在线检测系统的设计。本论文研究的内容主要有：1 国内外轮廓度检测研究状况的学习与借鉴。2 对涡旋压缩机原理、涡旋动盘及其轮廓度的分析。3 通过对研究对象的分析，确定测量系统的总体方案，传感器选型及装夹涉及，完成硬件平台的搭建。4 利用n i 设备实现对涡旋盘轮廓线的数据采集。5 依托l a b v i e w 平台，采用最小二乘法评定涡旋轮廓度，实现对涡旋轮廓度测量系统的软件开发。主要包括数据采集程序设计，测量系统界面设计，涡旋轮廓度评定算法设计与编程等。6 检测系统的实验测试与误差分析。6第2 章检测对象分析及检测系统总体方案第2 章检测对象分析及检测系统总体方案2 1 涡旋压缩机涡旋型线原理及涡旋盘轮廓度为了更深入全面地分析检测对象，本章主要从以下三个方面进行分析：涡旋压缩机及其型线、涡旋盘轮廓度以及涡旋盘型线加工方法。2 1 1 涡旋压缩机及其涡旋盘型线原理( 1 ) 涡旋压缩机涡旋压缩机【l l 】【1 2 】是一种利用容积变化来实现气体压缩的流体机械。压缩部件由动涡旋盘和静涡旋盘组成，其压缩过程中，动涡旋盘任意点只作半径为的圆周运动，从而与静涡旋盘形成三个压缩腔，实现气体压缩。其结构简单( 零件少) 、精密，具有运行平稳、体积小、噪声低、振动小、清洁，同时由于其运动过程中，只有涡旋盘的啮合而无直接接触，因而其寿命更长，被誉为免维修压缩机。在国外，主要的生产厂商有美国艾默生电气旗下的c o p e l a n d 公司、瑞典阿特拉斯科普柯公司、日本三菱以及日本日立等企业。此外，美国普杜大学( p u r d u eu n i v e r s i t y ) 对涡旋压缩机也开展了广泛的研刭1 3 】。而我国，主要从2 0 世纪8 0 年代后期开始，涡旋压缩机成为压缩机领域研究的热点。其中，主要有西安交通大学、合肥通用机械研究所、浙江大学、兰州理工大学等单位对于涡旋压缩机开展了研究，其在空调及制冷方面的应用已较成熟。目前国内制造涡旋压缩机的企业，一般以中外合资，以引进国外涡旋压缩机生产技术为主，例如c o p e l a n d在苏州投产的涡旋压缩机生产线，大连冰山与日本三洋合作生产的柜式空调压缩机，西安大金庆安公司生产的压缩机也是与日本大金合作的。( 2 ) 涡旋型线涡旋型线的研究是涡旋压缩机造型研究中重要内容，也曾一度成为涡旋压缩机研究的热点【14 1 。只有涡旋动盘与涡旋静盘在压缩腔内实现啮合，才能保证涡旋压缩机的正常工作。而满足这一要求的涡旋型线主要有：圆渐开线、正四边形渐开线、线段渐开线等【1 5 】【l6 1 。其中，圆的渐开线构成的涡旋压缩机，其结构更加紧凑，且工作性能较好，同时通过工件匀速旋转与匀速直线运动的组合容易实现对圆的渐开线的加工。本文研究对象涡旋盘，其型线采用的就是基于圆的渐开线，为7第2 章检测对象分析及检测系统总体方案第2 章检测对象分析及检测系统总体方案2 1 涡旋压缩机涡旋型线原理及涡旋盘轮廓度为了更深入全面地分析检测对象，本章主要从以下三个方面进行分析：涡旋压缩机及其型线、涡旋盘轮廓度以及涡旋盘型线加工方法。2 1 1 涡旋压缩机及其涡旋盘型线原理( 1 ) 涡旋压缩机涡旋压缩机【l l 】【1 2 】是一种利用容积变化来实现气体压缩的流体机械。压缩部件由动涡旋盘和静涡旋盘组成，其压缩过程中，动涡旋盘任意点只作半径为的圆周运动，从而与静涡旋盘形成三个压缩腔，实现气体压缩。其结构简单( 零件少) 、精密，具有运行平稳、体积小、噪声低、振动小、清洁，同时由于其运动过程中，只有涡旋盘的啮合而无直接接触，因而其寿命更长，被誉为免维修压缩机。在国外，主要的生产厂商有美国艾默生电气旗下的c o p e l a n d 公司、瑞典阿特拉斯科普柯公司、日本三菱以及日本日立等企业。此外，美国普杜大学( p u r d u eu n i v e r s i t y ) 对涡旋压缩机也开展了广泛的研刭1 3 】。而我国，主要从2 0 世纪8 0 年代后期开始，涡旋压缩机成为压缩机领域研究的热点。其中，主要有西安交通大学、合肥通用机械研究所、浙江大学、兰州理工大学等单位对于涡旋压缩机开展了研究，其在空调及制冷方面的应用已较成熟。目前国内制造涡旋压缩机的企业，一般以中外合资，以引进国外涡旋压缩机生产技术为主，例如c o p e l a n d在苏州投产的涡旋压缩机生产线，大连冰山与日本三洋合作生产的柜式空调压缩机，西安大金庆安公司生产的压缩机也是与日本大金合作的。( 2 ) 涡旋型线涡旋型线的研究是涡旋压缩机造型研究中重要内容，也曾一度成为涡旋压缩机研究的热点【14 1 。只有涡旋动盘与涡旋静盘在压缩腔内实现啮合，才能保证涡旋压缩机的正常工作。而满足这一要求的涡旋型线主要有：圆渐开线、正四边形渐开线、线段渐开线等【1 5 】【l6 1 。其中，圆的渐开线构成的涡旋压缩机，其结构更加紧凑，且工作性能较好，同时通过工件匀速旋转与匀速直线运动的组合容易实现对圆的渐开线的加工。本文研究对象涡旋盘，其型线采用的就是基于圆的渐开线，为7第2 章检测对象分析及检测系统总体方案此，就基于圆渐开线的涡旋型线展开分析，以利用对涡旋型线轮廓度的检测。圆的渐开线可以形象的理解为，将线缠在固定于某平面的圆轴上，拉紧线的一端，让该线绕圆轴以相切方向作旋转运动，那么线上某定点在该平面上的轨迹就是圆的渐开线。涡旋盘即通过内外两条圆渐开线来形成涡旋体的，如图2 1 所示。从数学原理，可知该圆渐开线圆轴半径是微轨迹对微弧度的微分，即可由以下微分方程表示。掣：r ( 2 - b1 )，li1j假设为常量，对式( 2 - 1 ) 进行积分，内外渐开线在极坐标中可表示如下：s t = 厶= 吃( 妒一谚。)( 2 - 2 )内s r o = l o = ( 驴一九。) ( 2 - 3 )图2 1基圆内外渐开线圆渐开线涡旋型线的基本参数如图2 2 所示。图2 2圆渐开线涡旋型线参数图8第2 章检测对象分析及检测系统总体方案当涡旋盘旋转到某一角度p 时，中心排气腔( 第一压缩腔) 与第二压缩腔连通，压缩进入排气阶段。这一角度称为开始排气角。开始排气角是涡旋压缩机的重要参数，它通过影响压缩机的压缩容积，从而影响涡旋压缩机的内容积比和内压比。妨2 + 2 蝣s i l l ( 蝣一a i - z a o ) + 2 c 。s ( 妨一a i - = z a o ) = ( 丌一a i - 2 a o ) 2 2( 2 - 4 )0 + = 委万一菇一a 。2”综上，在不考虑型线修正时，涡旋盘轮廓表示为：外渐开线：( 2 - 5 )x o = ：r ( c o s ( q o o + + a 。o ) ) 一+ 吼t p os i n ( q o 。+ + a o y or ( s i n ( 9 0ac o s ( 9a 。翟( 眈 ( 劢+ 至2 ) 一a 。) ( 2 6 )=+ 。) 一吼。+ 。1 “”、”内渐开线：蔫r(sin义(c够g捌二荔c蚴os(q,：三)k一c弘忉,2咒=+ a ，) 一仍+ a ，) )、。2 7、。涡旋体壁厚：f = l o 一厶= ( 咖。一九。)( 2 - 8 )2 1 2 涡旋盘及涡旋盘轮廓度被检测的涡旋压缩机由江西某公司制造，其主要零件包括涡旋动盘、涡旋静盘、机架、偏心轴、主轴等( 如图2 3 ) 。9第2 章检测对象分析及检测系统总体方案图2 3涡旋压缩机主机结构图其中被测零件涡旋动盘为铸铝材质，约4 0 0 r a m 4 0 0 r a m 大小( 如图2 4 、图2 5 ) 。图2 4动盘实物图图2 5 动盘造型图在涡旋压缩机制造过程中，涡旋体轮廓度的精度直接影响到涡旋盘相互啮合时，压缩腔的相对径向间隙。若相对径向间隙没能消除，不仅影响绝对径向间隙的密封，导致气体的切向泄漏，同时，给涡旋体安装带了困难，进而影响涡旋压缩机的正常运行。因此，保证涡旋轮廓度是涡旋盘制造加工的重要因素之一。2 1 3 涡旋盘型线轮廓的数控加工在基于圆渐开线的涡旋盘加工方法中，主要有展成法( g e n e r a t i n gm e t h o d )和数值逼近法( n u m e r i c a la p p r o x i m a t i o nm e t h o d ) 两种【1 7 】。由于实际加工时，该涡旋盘由展成法加工的，为此，下面分析用展成法加工涡旋盘。【1 8 11 0第2 章检测对象分析及检测系统总体方案展成法，来自于圆渐开线的展成原理，即由工件的旋转运动和直线运动的合成运动实现涡旋盘的加工。加工时，刀具高速旋转，而工件匀速旋转，同时沿x 方向作匀速直线运动( 如图2 6 所示) 。以c 轴匀速旋转，刀具沿x 轴匀速进给实现渐开线的加工。该方法的加工过程为：涡旋盘装在夹具后，x 轴沿负向进给，刀具沿基圆切向加工工件，同时c 轴旋转，其转动一周，相应x 轴行走2 n r ，合成运动形成连续进行即可加工出渐开线，刀具的包络线形成涡旋的内、外侧。图2 6展成法加工涡旋盘型线其中，c 轴与x 轴进给量相互关系为：厶= r 妒= 2 7 c n + 三( 2 9 )f 2 一l o )2 n n + 至丁：鱼：j( 2 。1 1 )式中：t 为x 轴进给移动的距离；r 为基圆半径；妒为c 轴转动的角度；n 为渐开线的圈数；t 为涡旋盘加工时间；6 0 为旋转c 轴角速度。涡旋盘的数控加工对于后续研究数据采集、检测路径规划均具有重要的参考意义( 详见第四章第一节) 。第2 章检测对象分析及检测系统总体方案2 2 系统总体方案2 2 1 检测方法在1 2 2 节涉及的检测方法中，三坐标测量法( c m m ) 是高精度零件形位公差检测通常采用的方法。可是，对于非标准轮廓的涡旋型面，其检测过程中的缺点，诸如须单个标定坐标系，手动操作、接触方式采集特征点，且特征点数量往往较少，较难准确体现零件的实际特征。同时，零件二次装夹也增加了误差。英国泰勒仪器f r a n kt a y l o rh o b s o n ) 公司生产t a l y r o n d 3 0 0 圆度与形状测量仪l i g l ，采用空气轴承回转台，径向回转精度为0 0 2 5 9 m ，传感器分辨率为0 0 1 2 p r o ，可测量的形位公差包括垂直度、直线度、圆度、圆柱度、平行度、同轴度、跳动等。该设备中，高回转精度的空气轴承回转台是检测系统精度得以提高的一重要因素。另外，日本k e i i c h iy o s h i z u m i 等在其专利【2 叫中对轮廓度的测量，提出采用更高精度及反馈速率的测针以提高轮廓测量能力。该文中轮廓检测原理如图2 7所示。图2 7k e i i c h iy o s h i z u m i 专利中轮廓检测装置另外一日本作者y o s h i k a z ua r a i 在其论文【2 1 】【2 2 1 都针对涡旋轮廓进行了检测分析。该作者论文提及的检测设备是专门针对涡旋盘轮廓度的检测( 如图2 8 ) 。该方法采用红宝石接触式测针采集设备，其旋转平台即模拟涡旋盘展成法加工1 2第2 章检测对象分析及检测系统总体方案2 2 系统总体方案2 2 1 检测方法在1 2 2 节涉及的检测方法中，三坐标测量法( c m m ) 是高精度零件形位公差检测通常采用的方法。可是，对于非标准轮廓的涡旋型面，其检测过程中的缺点，诸如须单个标定坐标系，手动操作、接触方式采集特征点，且特征点数量往往较少，较难准确体现零件的实际特征。同时，零件二次装夹也增加了误差。英国泰勒仪器f r a n kt a y l o rh o b s o n ) 公司生产t a l y r o n d 3 0 0 圆度与形状测量仪l i g l ，采用空气轴承回转台，径向回转精度为0 0 2 5 9 m ，传感器分辨率为0 0 1 2 p r o ，可测量的形位公差包括垂直度、直线度、圆度、圆柱度、平行度、同轴度、跳动等。该设备中，高回转精度的空气轴承回转台是检测系统精度得以提高的一重要因素。另外，日本k e i i c h iy o s h i z u m i 等在其专利【2 叫中对轮廓度的测量，提出采用更高精度及反馈速率的测针以提高轮廓测量能力。该文中轮廓检测原理如图2 7所示。图2 7k e i i c h iy o s h i z u m i 专利中轮廓检测装置另外一日本作者y o s h i k a z ua r a i 在其论文【2 1 】【2 2 1 都针对涡旋轮廓进行了检测分析。该作者论文提及的检测设备是专门针对涡旋盘轮廓度的检测( 如图2 8 ) 。该方法采用红宝石接触式测针采集设备，其旋转平台即模拟涡旋盘展成法加工1 2第2 章检测对象分析及检测系统总体方案时的情况。图2 8涡旋盘检测系统该方法与三坐标( c m m ) 相比，作为专用检测设备，其具有以下优点：( 1 ) 大幅提高了检测效率；( 2 ) 采集特征点的数量较多；( 3 ) 对环境要求相对较低；( 4 ) 能适合流水线检测。而针对接触式测针方式的缺点( 采集速度低、数据量相对较少、摩擦力的检测精度的影响等) ，探寻以非接触采集特征点的方式。在非接触传感器【2 4 】中，主要有：超声波测距、视觉c c d 传感器、三维扫描仪、电容式位移传感器、光纤式位移传感器、涡电流式位移传感器、激光位移传感等。表2 1主要非接触式位移传感器比较传感器主要应用优缺点超声波测距测距仪和物位测量仪介质中传播的距离较远精度低常用于逆向工程中，被测物体外三维扫描仪快速，采集点的数据多精度低部形貌( 人体、考古等)电容式金属表面测量绝对误差小，重复性好位移传感器采集某一圆形区域特征绝对误差小，重复性好涡电流式磁性材质表面测量主要针对磁性材质，采集某一圆形区位移传感器域特征激光应用广泛量程范围大，精度高，能检测非金属位移传感器表面体积较大1 3第2 章检测对象分析及检测系统总体方案2 2 2 检测系统总体方案与原理以涡旋型线加工专用数控机床为平台，采用美国国家仪器( n d 及其软件l a b v i e w 实现数据采集和数据处理、显示等，从而搭建检测系统。其中，数据采集由两部分组成：( 1 ) 以非接触传感器采集涡旋型线的特征点；( 2 ) 利用数控系统的工件坐标系统得到瞬时的坐标位置。以这两部分为原始数据，经数据预处理、算法评定而计算出检测对象的涡旋轮廓度。在数据采集过程路径规划方面，依托现有涡旋型线精3 n - v 平台，以涡旋型线加工方法( 展成法) ，用传感器替代刀具，非接触快速采集涡旋型面的数据特征点。图2 9检测系统总体方案图图2 1 0 传感器与工件相对位置图1 4第2 章检测对象分析及检测系统总体方案2 3 本章小结本章从涡旋动盘、动盘型线原理、轮廓度要求以及涡旋型线d n - r 等方面对检测对象进行分析。并结合轮廓度检测方法，根据产品开发实际要求，确定以非接触传感器、虚拟仪器以及专用数控加工机床为平台的在线检测系统总体方案。1 5第3 章检测系统硬件设计第3 章检测系统硬件设计3 1 硬件平台总体设计根据检测系统总体方案的设计，硬件平台设计主要包括：数控专用机床平台、夹具、工件、传感器及其夹具、脉冲信号分配器、n i 数据采集套件及其连接接线。图3 1硬件系统结构图3 2 数控机床及涡旋盘夹具基于涡旋盘精加工的专用数控机床及其夹具作为检测平台，主要有以下几点优点：( 1 ) 专用机床的精度、稳定性符合检测平台要求；( 2 ) 避免二次装夹引起的检测误差；( 3 ) 利用该数控平台实现对工件检测过程的运动控制；( 4 ) 采集数控系统的光栅信号，并与传感器采集数据配合计算涡旋盘轮廓度；( 5 ) 快速搭建检测系统硬件平台，利于检测及产品开发。其中，该机床及涡旋盘夹具的基本参数如下：3 2 1 数控系统与光栅编码器涡旋盘型线精加工专用数控机床采用的数控系统为三菱m 7 0 系统1 2 5 1 该数控系统由控制单元、操作柜i 0 单元、伺服主轴驱动器单元、伺服电机、编码器等单元构成。其基本参数见表3 11 6第3 章检测系统硬件设计第3 章检测系统硬件设计3 1 硬件平台总体设计根据检测系统总体方案的设计，硬件平台设计主要包括：数控专用机床平台、夹具、工件、传感器及其夹具、脉冲信号分配器、n i 数据采集套件及其连接接线。图3 1硬件系统结构图3 2 数控机床及涡旋盘夹具基于涡旋盘精加工的专用数控机床及其夹具作为检测平台，主要有以下几点优点：( 1 ) 专用机床的精度、稳定性符合检测平台要求；( 2 ) 避免二次装夹引起的检测误差；( 3 ) 利用该数控平台实现对工件检测过程的运动控制；( 4 ) 采集数控系统的光栅信号，并与传感器采集数据配合计算涡旋盘轮廓度；( 5 ) 快速搭建检测系统硬件平台，利于检测及产品开发。其中，该机床及涡旋盘夹具的基本参数如下：3 2 1 数控系统与光栅编码器涡旋盘型线精加工专用数控机床采用的数控系统为三菱m 7 0 系统1 2 5 1 该数控系统由控制单元、操作柜i 0 单元、伺服主轴驱动器单元、伺服电机、编码器等单元构成。其基本参数见表3 11 6第3 章检测系统硬件设计表3 1机床基本参数控制系统三菱m t o a控制轴数5 轴( x 、y 、z 、c 、旋转主轴)x 、y 、z 轴最小进给量0 0 0 1 m mx 、y 、z 轴最小控制步长0 0 0 1 m mx 、y 、z 轴快速进给1 10 0 0 0 0 0 ( m m m i n )主轴转速最高转速10 0 0 0 r m i n )旋转c 轴最小进给量o 0 0 1 度旋转c 轴最小控制步长0 0 0 1 度x 、y 、z 、旋转c 轴h f 2 0 4 s a 4 8 ( 功率2 2 k w ) ；伺服电机旋转主轴s j v 5 5 0 1 z t 最高转速1 0 0 0 0r m i n 最大功率5 5 k wx 、y 、z 、旋转c 轴m d s d s v j 3 2 0驱动单元旋转主轴m d s d s p j 3 5 5直线光栅尺发格( f a g o r ) 增量式直尺光栅水平面2 5 0 0 m m 1 8 0 0 m m机床尺寸高度方向1 0 0 0 m m直线光栅尺是依据相对运动原理产生光信号，这些光信号经光电器件转换处理，将位置和角度转化为数字量，用来检测机械装置的位移。该数控系统采用的为发格( f a g o r a u t o m a t i o n ) 公司的产品1 。擞蜷晦器；桫il 薷光源，、黔一攀参考点标记图3 2增量式直尺光栅1 7第3 章检测系统硬件设计表3 2增量式直尺光栅尺g x 1 2 4 0 3 技术参数光源接收器红外发光器i r e d ；硅光电二极管计量元件玻璃精确度士3 岬工作电压5 v5 1 5 0 m a差动t t lz 薹薹糯毒戮潮豢i 豢黼。i 霉。；? 卜i 引托_ 黔。1 1 = _ 一弛- - ji v xe 件输出信号1 l i l l蠢鋈纛薹薹 ：j 糕黔莲j 鞋巨j r i 氍i ；1 麟： 量j 一瓤冁2撼i 。li “a 、b 两路脉冲相位差9 0 度，外加反相a 、b 信号；v o h 冱5 ；v i s o u r c e 2 0 i n a ：v o l 郢5 v ：i s _ 得出最小二乘法评定涡旋面轮