胡瑢華 羅 偉 劉國(guó)平 宋紅滾

(南昌大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江西南昌 330031)

渦旋壓縮機(jī)是一種容積式壓縮機(jī)，利用渦旋轉(zhuǎn)子與渦旋定子的嚙合形成了多個(gè)壓縮室。隨著渦旋轉(zhuǎn)子的平移轉(zhuǎn)動(dòng)，各壓縮室內(nèi)容積不斷發(fā)生變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體的吸入與壓縮。渦旋壓縮機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)動(dòng)部件少、體積小、重量輕、容積效率高、運(yùn)行噪聲低等特有優(yōu)點(diǎn)［1］，但其加工精度要求較高成為目前渦旋壓縮機(jī)市場(chǎng)化的最大制約因素，零部件裝配的好壞直接決定產(chǎn)品的合格率，亦使得對(duì)零部件裝配精度越來(lái)越重視。

渦旋壓縮機(jī)動(dòng)盤(pán)通過(guò)偏心主軸與機(jī)架連接，為提升穩(wěn)固性，動(dòng)盤(pán)裝有3個(gè)偏心小軸和機(jī)架通過(guò)軸承連接，連接的理想狀態(tài)是3個(gè)偏心小軸軸肩面處于同一平面，即平面平行度誤差為零。由于加工誤差以及標(biāo)準(zhǔn)件軸承的自身厚度誤差，3個(gè)偏心小軸軸肩面有0.01～0.1 mm的高低差，解決的辦法是在偏心小軸套上一定厚度的墊片，此墊片為標(biāo)準(zhǔn)件，根據(jù)厚度分為幾個(gè)檔。為得出墊片厚度數(shù)據(jù)，選出最接近某一檔的墊片，目前是采用通用量具進(jìn)行測(cè)量，然后手動(dòng)算出墊片厚度。此方法精度較低，工人勞動(dòng)強(qiáng)度較大，效率低下，而且長(zhǎng)時(shí)間計(jì)算容易出現(xiàn)錯(cuò)誤。三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)具有精度高、自動(dòng)化程度高的優(yōu)點(diǎn)，但是其對(duì)環(huán)境要求較高、造價(jià)高、對(duì)員工技能要求較高等缺點(diǎn)，不適合用于此處。對(duì)此，本文針對(duì)渦旋壓縮機(jī)裝配工藝，設(shè)計(jì)了兩臺(tái)專(zhuān)門(mén)檢測(cè)裝置，使用數(shù)顯千分表、PLC、觸摸屏等設(shè)備構(gòu)成檢測(cè)系統(tǒng)，檢測(cè)數(shù)據(jù)并自動(dòng)計(jì)算墊片厚度，最終在觸摸屏上進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示。

1 檢測(cè)系統(tǒng)的組成

檢測(cè)系統(tǒng)主要由專(zhuān)門(mén)工裝裝置、氣缸、數(shù)顯千分表、多路轉(zhuǎn)換器、PLC和觸摸屏構(gòu)成。這里的千分表探針相當(dāng)于檢測(cè)中常用的接觸觸發(fā)式測(cè)頭。觸發(fā)式測(cè)頭具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小巧、安裝操作方便、精度高和靈活等優(yōu)點(diǎn)，數(shù)字千分表同樣具備這種優(yōu)點(diǎn)。不同的是千分表的讀數(shù)操作是通過(guò)人為控制的，而觸發(fā)式測(cè)頭是通過(guò)觸發(fā)力信號(hào)控制數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行的，另外一點(diǎn)區(qū)別是千分表僅能做單向測(cè)量，而大多數(shù)觸發(fā)式測(cè)頭都可以進(jìn)行多向測(cè)量。多路轉(zhuǎn)換器是將若干臺(tái)數(shù)顯千分表的輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的RS232信號(hào)以與PLC進(jìn)行通信的設(shè)備［2］。數(shù)字千分表利用夾具安裝于檢測(cè)裝置上。其檢測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)成框圖如圖1所示。

本檢測(cè)系統(tǒng)采用日本三豐某型號(hào)數(shù)顯千分表及其配套的四通道多路轉(zhuǎn)換器，以及日本歐姆龍某型號(hào)PLC、歐姆龍某型號(hào)觸摸屏。數(shù)據(jù)傳輸方式為半雙工傳輸方式，數(shù)顯千分表使用其配套的SPC數(shù)據(jù)輸入裝置與多路轉(zhuǎn)換器相連，多路轉(zhuǎn)換器使用 RS232轉(zhuǎn)RS485數(shù)據(jù)線與PLC相連，PLC與觸摸屏相連使用其標(biāo)準(zhǔn)接口 RS232 口［3］。

數(shù)顯千分表采集的ASCII格式測(cè)量數(shù)據(jù)通過(guò)SPC數(shù)據(jù)線傳輸?shù)蕉嗦忿D(zhuǎn)換器，多路轉(zhuǎn)換器通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)接口RS232將ASCII格式數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇LC，PLC運(yùn)用HEX(162)指令將ASCII→16進(jìn)制代碼在PLC內(nèi)進(jìn)行存貯和數(shù)據(jù)處理，此時(shí)PLC共有6個(gè)千分表測(cè)量數(shù)據(jù)，按相應(yīng)位置分為三組數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)單獨(dú)完成墊片厚度的計(jì)算。最后將3個(gè)墊片的厚度數(shù)據(jù)輸入到觸摸屏進(jìn)行顯示。

2 檢測(cè)裝置的設(shè)計(jì)

2.1 機(jī)架檢測(cè)裝置的設(shè)計(jì)

機(jī)架放置在特定支座平臺(tái)上，保持平穩(wěn)，3臺(tái)數(shù)顯千分表分別利用夾具固定于氣缸連接的測(cè)桿上，呈120°平均分布，具體位置如圖2示。

為簡(jiǎn)化，現(xiàn)對(duì)一臺(tái)數(shù)顯千分表進(jìn)行討論。千分表豎直朝下，如圖3所示。檢測(cè)時(shí)，開(kāi)啟氣缸和千分表，氣缸帶動(dòng)測(cè)桿和千分表接觸機(jī)架，千分表測(cè)得數(shù)據(jù)S1。

根據(jù)圖3，可知:

其中，Lm為千分表到測(cè)桿底面的距離，已知。

2.2 動(dòng)盤(pán)距離檢測(cè)裝置的設(shè)計(jì)

動(dòng)盤(pán)放置在特定支座平臺(tái)上，此平臺(tái)同時(shí)作為測(cè)量基準(zhǔn)，同機(jī)架檢測(cè)專(zhuān)機(jī)一樣，3臺(tái)數(shù)顯千分表利用夾具固定于氣缸連接的測(cè)桿上，其位置亦呈120°平均分布。如圖4示。

同樣，為簡(jiǎn)化，現(xiàn)對(duì)一臺(tái)數(shù)顯千分表進(jìn)行討論。千分表豎直朝下，如圖5所示。

檢測(cè)時(shí)，開(kāi)啟氣缸和千分表，氣缸帶動(dòng)測(cè)桿接觸支座平臺(tái)，千分表接觸動(dòng)盤(pán)。千分表測(cè)得距離 S2，故可知:

其中，Ln為千分表到測(cè)桿底面的距離，已知。

聯(lián)立式(1)、(2)，可知墊片厚度L為:

式(3)中，(Lm－Ln)已知，S1、S2為數(shù)顯千分表測(cè)量值。

3 檢測(cè)系統(tǒng)的校準(zhǔn)與誤差分析

3.1 檢測(cè)系統(tǒng)的校準(zhǔn)

將數(shù)顯千分表安裝在專(zhuān)門(mén)工裝裝置上后，需要對(duì)數(shù)顯千分表進(jìn)行位置調(diào)整，消除誤差，進(jìn)行誤差補(bǔ)償，以提高精度［4］。具體操作步驟如下:

(1)千分表長(zhǎng)度測(cè)量。將千分表利用夾具固定于氣缸連接的測(cè)桿上，利用對(duì)刀儀或者另外一支千分表測(cè)出測(cè)量表的工作長(zhǎng)度，可測(cè)量多次取平均值。測(cè)量時(shí)應(yīng)將測(cè)量表的示數(shù)考慮進(jìn)去，測(cè)量完成后將此表長(zhǎng)度值D作為誤差補(bǔ)償量輸入到檢測(cè)系統(tǒng)中。

(2)取精度較高的機(jī)架和動(dòng)盤(pán)零部件，其已用三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x進(jìn)行精密測(cè)量，并分別記錄各位置數(shù)據(jù)。分別放置在相應(yīng)的支座平臺(tái)上。開(kāi)啟氣缸及千分表，手動(dòng)控制氣缸運(yùn)行狀況，手動(dòng)調(diào)整千分表位置，使千分表接觸機(jī)架或動(dòng)盤(pán)在其量程范圍內(nèi)，固定千分表。根據(jù)式(1)、(2)，已知千分表測(cè)量數(shù)據(jù)及L1、L2數(shù)據(jù)(此數(shù)據(jù)為三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x精密測(cè)量所得)，可得出Lm、Ln值，可測(cè)量多次取平均值。

3.2 誤差分析

此檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)誤差主要來(lái)源于:檢測(cè)裝置和儀器本身產(chǎn)生的誤差，檢測(cè)中產(chǎn)生的誤差以及外界條件干擾產(chǎn)生的誤差［5］。

3.2.1 檢測(cè)裝置及儀器引入的誤差

(1)千分表引入的誤差。日本三豐某型號(hào)數(shù)顯千分表分辨率為0.001 mm，由于氣缸帶動(dòng)千分表運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致千分表測(cè)力偏大，會(huì)有一定的影響，在此可認(rèn)為數(shù)顯千分表引入的誤差為m1=±0.001 mm。

(2)檢測(cè)裝置引入的誤差。氣缸帶動(dòng)測(cè)桿接觸機(jī)架動(dòng)盤(pán)，測(cè)桿接觸面經(jīng)過(guò)多次接觸后，會(huì)有一定的物理磨損，即會(huì)產(chǎn)生一定的誤差。這項(xiàng)誤差會(huì)隨檢測(cè)次數(shù)增加而線性增大，即千分表測(cè)量值S1和S2線性增大。由式(3)可知，墊片厚度L=(Lm－Ln)+(S1－S2)，此誤差會(huì)大部分相互抵消，故此誤差微乎其微。那么，在此我們可認(rèn)為檢測(cè)裝置磨損引入的誤差m2=±0.001 mm。

3.2.2 檢測(cè)中產(chǎn)生的誤差

這里主要指的是操作者引入的誤差，主要是待測(cè)平面不清潔及測(cè)桿接觸面等引入的誤差。對(duì)于此項(xiàng)目誤差，只要在檢測(cè)中嚴(yán)格控制，是微乎其微的。在此我們認(rèn)為檢測(cè)中引入的誤差m3=±0.001 mm。

3.2.3 外界條件干擾引入的誤差

該項(xiàng)誤差主要是由溫度引起的誤差。根據(jù)熱脹冷縮原理，Lm、Ln值會(huì)隨溫度變化而變化。但根據(jù)式(3)可知，Lm和Ln的相對(duì)變化會(huì)抵消一部分，故此誤差取值L=∣Lm－Ln∣。在我國(guó)南方，一年四季溫差范圍一般在10～40℃左右，此處取最大值40℃。測(cè)桿采用量具鋼Cr材料，根據(jù)熱膨脹公式得:

式中:ΔL為膨脹長(zhǎng)度;L為工件長(zhǎng)度，取20 mm;ΔT為溫度差，這里取40℃;α為熱膨脹系數(shù)，根據(jù) GB/T4339－1999 標(biāo)準(zhǔn)［6］，Cr熱膨脹系數(shù)為6.2×10－6/℃。

即:

故在此我們認(rèn)為外界條件引入的誤差m4=0.005 mm。

將以上誤差值疊加起來(lái)，即最大誤差為:m=m1 +m2+m3+m4=0.008 mm，滿(mǎn)足檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)要求。

4 檢測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理及顯示

檢測(cè)系統(tǒng)共使用兩臺(tái)多路轉(zhuǎn)化器，分別采集機(jī)架、動(dòng)盤(pán)檢測(cè)裝置中數(shù)顯千分表測(cè)量的數(shù)據(jù)，經(jīng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后傳輸?shù)絇LC中。PLC得到多路轉(zhuǎn)換器傳輸過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)，需進(jìn)行處理，得出3個(gè)墊片厚度數(shù)據(jù)，其流程圖如圖6所示，最后將3個(gè)墊片厚度數(shù)據(jù)傳輸?shù)接|摸屏進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。

根據(jù)圖6可知，PLC計(jì)算出的3個(gè)墊片厚度數(shù)據(jù)通過(guò)RS232接口傳輸?shù)接|摸屏，使用觸摸屏專(zhuān)用軟件開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)人機(jī)交換界面，在界面的特定位置，實(shí)時(shí)顯示3個(gè)墊片厚度數(shù)據(jù)。圖7為墊片厚度數(shù)據(jù)顯示界面。

5 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)渦旋空氣壓縮機(jī)墊片厚度自動(dòng)檢測(cè)為例，利用數(shù)字千分表對(duì)零部件型面進(jìn)行距離測(cè)量并自動(dòng)計(jì)算墊片厚度的方法。該方法針對(duì)性強(qiáng)，自動(dòng)化程度較高，能夠滿(mǎn)足零部件的精度要求，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

［1］李海生.無(wú)油潤(rùn)滑渦旋壓縮機(jī)的研究［D］.蘭州:蘭州理工大學(xué)，2005.

［2］馬友壯，樊銳.數(shù)顯千分表在型面檢測(cè)中的應(yīng)用［J］.機(jī)床與液壓，2008(5):116－118.

［3］李佳列，丁國(guó)清，顏國(guó)正，等.多路電子數(shù)顯百分表測(cè)量系統(tǒng)的研制［J］.儀表技術(shù)，2002(1):23 －26.

［4］李桂花.加工中心在線檢測(cè)中機(jī)床誤差的補(bǔ)償研究［J］.機(jī)電產(chǎn)品開(kāi)發(fā)與創(chuàng)新，2006，19(4):158.

［5］魏樂(lè)林，戴書(shū)華，楊大弘.大型機(jī)械平面度激光檢測(cè)儀及精度分析［J］.長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械學(xué)院學(xué)報(bào)，1999，22(2):33 －36.

［6］中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn).GB/T4339－1999金屬材料熱膨脹特征參數(shù)的測(cè)定［S］.國(guó)家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局，1999.