CN102841570B - 分子泵整体涡轮转子自适应加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种分子泵整体涡轮转子自适应加工方法，针对分子泵整体涡轮转子的结构特征(多层旋转叶片、对称性要求高、装夹找正困难)，利用空间自适应数控加工技术对分子泵整体涡轮转子的多层叶片进行铣削加工。加工时首先确定转子毛坯各层叶片轴线所在空间位置，再经空间矩阵变换得到转子1至6层叶片的装夹偏差在X/Y/Z向的偏移量，在此基础上利用编制的中间转换器一次性修正转子数控加工程序，从而实现分子泵整体涡轮转子多层叶片的精密铣削加工。

Description

分子泵整体涡轮转子自适应加工方法

技术领域

本发明属于计算机工业控制加工领域，涉及一种分子泵整体涡轮转子自适应加工方法。

背景技术

分子泵是利用高速旋转的转子把动能传输给气体分子，使之获得定向速度从而被压缩驱至排气口抽走的机械式真空泵。近三十年半导体产业的飞速发展，使分子泵越来越受到重视，并得到快速发展。

涡轮转子作为分子泵的关键部件，其加工及安装精度直接影响分子泵的性能。目前，对于分子泵转子的加工主要使用传统“定位—加工”运行模式，其过程是先将转子毛坯装夹在数控铣床工作台上，使用机械式百分表测量转子与铣床分度盘的同轴度，操作工人手动调整转子毛坯对其进行找正，最后启动铣床对毛坯进行加工。这种传统的加工方法装夹找正过程依赖操作工人经验，生产批次不稳定，严重影响整体加工周期，阻碍生产效率的提高。

发明内容

本发明目的是针对分子泵涡轮转子当前加工方法的不足，在传统方法基础上提供一种分子泵整体涡轮转子自适应加工方法，以减少装夹找正过程对工人经验的依赖，增加生产批次的稳定性，缩短转子整体加工周期，实现提高生产效率的目的。

本发明的技术方案包括以下步骤：

①首先将涡轮转子毛坯装夹在铣床分度盘上，然后在工作台上安装直线位移传感器，传感器测量头与转子毛坯直接接触，控制转子毛坯缓慢旋转，当转子毛坯与分度盘中心轴线不完全重合，即转子毛坯不处于理想加工位置，其随分度盘旋转时测量头产生相对位移，传感器输出位移信号；

②将位移信号存储在寄存器中，经过信号处理拟合成位移曲线，其位移曲线为正弦曲线，由此曲线得到转子毛坯最大偏心距及最大偏心距所对应的转子毛坯偏移角度；

③由转子毛坯最大偏心距及偏移角度，经解析几何公式计算得到当前测量的转子毛坯加工层圆心在理想位置坐标系中的位置坐标；

④通过上述步骤1至3测量计算两组转子加工层圆心坐标，由于各加工层圆心均处于转子轴线上，可由两圆心坐标确定转子实际轴线的数学模型；由于转子几何尺寸已知，可计算得到转子各加工层圆心在理想位置坐标系中的坐标；

⑤由各加工层圆心的实际坐标求出平移变换矩阵，由分度盘每次的旋转角度求出旋转变换矩阵；基于矩阵变换理论计算转子在每一加工层中各加工位置的圆心在理想位置坐标系中的坐标值；

⑥转子各加工位置在X/Y/Z轴向上的偏移量用上述计算出的各加工位置的圆心在理想位置坐标系中的坐标值表示，基于各加工位置圆心坐标的计算结果，利用编制的中间转换器，一次性计算各加工位置的偏移量并修正原有数控加工程序，最终实现自适应数控加工。

所述直线位移传感器的精度为2微米；

所述偏移量是转子实际位置相对于理想位置的位移，偏移量计算包括平移矩阵变换及旋转矩阵变换两部分。

本发明的优点是：应用测量及矩阵变换方法配合中间转换器可实现涡轮转子的自寻位数控加工，从而减少工人操作经验对转子加工精度的影响，缩短了加工周期，提高了转子产品的生产效率及批量稳定性，在生产中具有一定实际意义。

附图说明

图1是涡轮转子毛坯测量位置简图；其中：1为加工刀具；2为夹紧螺母；3为转子毛坯；4为A处传感器；5为F处传感器；6为夹具底座。

图2是自适应数控加工方法流程图；

图3是转子毛坯中心偏移量曲线图；

图4是理想位置坐标系XOZ平面转子轴线位置示意图；

具体实施方法

下面结合附图对本发明进一步说明。

如附图2自适应数控加工方法的流程图所示，首先将转子毛坯装夹在铣床分度盘上，然后安装直线位移传感器并测量转子外圆，对传感器输出的位移信号进行处理并拟合成位移曲线，通过位移曲线确定转子毛坯空间位置并形成其实际轴线数学模型，基于矩阵变换理论，利用编制的中间转换器，一次性计算各加工位置的偏移量并修正原有数控加工程序。

如附图1涡轮转子毛坯测量位置简图所示，由于涡轮转子有六层叶片，设从第一层到第六层的圆心分别为：A₀、B₀、C₀、D₀、E₀、F₀，各圆心均处于转子轴线上。在转子毛坯的第一层A处和第六层F处安装拉杆式位移传感器测量转子外圆。

如附图3转子中心偏移量曲线图所示，传感器测量头与转子毛坯外圆直接接触，控制分度盘缓慢匀速旋转一周，当转子毛坯实际位置与理想位置存在偏差时，测量头产生位移，传感器输出位移信号，将提取到的位移信息存储在寄存器中，经过信号处理拟合成位移曲线。图中纵轴M表示传感器的位移距离，横轴N表示转子毛坯旋转的角度。位移曲线波谷α₀位置处为转子毛坯最大偏心位置，所对应M轴l₀位置的值为最大偏心距离。

如附图4理想位置坐标系XOZ平面中转子轴线位置示意图所示，为方便观察，将第1加工层圆心A₀与第6加工层圆心F₀投影到机床坐标系XOZ平面上。设第1层叶片圆心A₀与第6层叶片圆心F₀在XOZ平面内坐标为A₀：(x₁，z₁)，F₀：(x₆，z₆)。因为点A₀，F₀为第1、第6加工层圆心，所以线段A₀F₀为转子实际轴线，且2、3、4、5加工层圆心均处于轴线A₀F₀上。由于铣削每层叶片时机床刀具沿转子轴线方向行程较小，与装夹造成的偏差相比较，加工时刀具沿转子轴线方向移动造成x轴及z轴方向的分量偏差变化较小，在此忽略不计。

在具体加工过程中实现自适应加工的计算过程为：

计算圆心A₀坐标，由附图3中所示方法，得到转子最大偏心距y₀l₀及偏移角度x₀α₀，将其代入方程组：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_1^2+z_1^2=l_0^2\\ \tan {\mathrm{\α}}_0=\frac{z_1}{x_1}\end{array}\right.$

解方程可求出A₀(x₁,z₁)。同理可求出测量点F处第6加工层圆心F₀(x₆,z₆)。

根据附图4所示方法建立转子轴线在XOZ平面投影的数学模型：

$z=\frac{z_1-z_6}{x_1-x_6}x+\frac{x_1{z}_6-x_6{z}_1}{x_1-x_6}$

由此转子轴线数学模型可求出在线段A₀F₀上其它各加工层面圆心的坐标值。并可根据上述方法求出平移变换矩阵。以第1层加工面圆心A₀点为例，其平移变换矩阵可表示为T₁：

$T_1=\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& 1& 0\\ x_1& z_1& 1\end{array}\right]$

由分度盘旋转角度α可确定旋转变换矩阵，以T₂表示旋转变换矩阵：

$T_2=\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\α}& \sin \mathrm{\α}& 0\\ -\sin \mathrm{\α}& \cos \mathrm{\α}& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]$

设点A'为经平移旋转变换后转子第1加工平面圆心的坐标，其计算过程为：

$A^{\′}=\left[\begin{array}{ccc}0& 0& 1\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& 1& 0\\ x_1& z_1& 1\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\α}& \sin \mathrm{\α}& 0\\ -\sin \mathrm{\α}& \cos \mathrm{\α}& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]$

同理，可以利用此变换矩阵算法求出转子毛坯上每一加工层圆心在任意加工位置坐标。由各加工位置坐标确定各方向偏差，利用中间转换器修正原有数控加工程序，实现自适应数控加工的目的。

Claims (3)

1.一种分子泵整体涡轮转子自适应加工方法，其特征是：包括以下步骤：

①首先将涡轮转子毛坯装夹在铣床分度盘上，然后在工作台上安装直线位移传感器，传感器测量头与转子毛坯直接接触，控制转子毛坯缓慢旋转，其随分度盘旋转时测量头产生相对位移，传感器输出位移信号；

②将位移信号存储在寄存器中，经过信号处理拟合成位移曲线，由此曲线得到转子毛坯最大偏心距及最大偏心距所对应的转子毛坯偏移角度；

③由转子毛坯最大偏心距及偏移角度，经解析几何公式计算得到当前测量的转子毛坯加工层圆心在理想位置坐标系中的位置坐标；

④通过上述步骤1至3测量计算两组转子加工层圆心坐标，由两圆心坐标确定转子实际轴线的数学模型，再计算得到转子各加工层圆心在理想位置坐标系中的坐标；

⑤由各加工层圆心的实际坐标求出平移变换矩阵，由分度盘每次的旋转角度求出旋转变换矩阵；基于矩阵变换理论计算转子在每一加工层中各加工位置的圆心在理想位置坐标系中的坐标值；

⑥转子各加工位置在X/Y/Z轴向上的偏移量用上述计算出的各加工位置的圆心在理想位置坐标系中的坐标值表示，基于各加工位置圆心坐标的计算结果，利用编制的中间转换器，一次性计算各加工位置的偏移量并修正原有数控加工程序，最终实现自适应数控加工。

2.根据权利要求1所述的分子泵整体涡轮转子自适应加工方法，其特征是：所述直线位移传感器的精度为2微米。

3.根据权利要求1所述的分子泵整体涡轮转子自适应加工方法，其特征是：所述偏移量是转子实际位置相对于理想位置的位移，偏移量计算包括平移矩阵变换及旋转矩阵变换两部分。