■太重（天津）濱海重型機(jī)械有限公司 （300450） 楊實(shí)禹 張風(fēng)祥 張 超

整體渦輪轉(zhuǎn)子空間尋位數(shù)控加工技術(shù)研究

■太重（天津）濱海重型機(jī)械有限公司 （300450） 楊實(shí)禹 張風(fēng)祥 張 超

摘要：整體渦輪轉(zhuǎn)子是影響分子泵抽真空性能的關(guān)鍵零件。針對(duì)分子泵整體渦輪轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)特征如多層旋轉(zhuǎn)葉片、對(duì)稱性要求高以及裝夾找正困難等，將空間尋位數(shù)控加工技術(shù)應(yīng)用于其多層葉片銑削加工中。加工時(shí)首先確定轉(zhuǎn)子毛坯各層葉片軸線所在空間位置，再經(jīng)空間矩陣變換得到轉(zhuǎn)子1至6層葉片的裝夾偏差在X/Y/Z向的偏移分量，在此基礎(chǔ)上利用編制的中間轉(zhuǎn)換器一次性修正轉(zhuǎn)子數(shù)控加工程序，實(shí)現(xiàn)分子泵整體渦輪轉(zhuǎn)子多層葉片的精密銑削加工。

分子泵是利用高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子把動(dòng)能傳輸給氣體分子，使之獲得定向速度從而被壓縮驅(qū)至排氣口抽走的機(jī)械式真空泵。近30年半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，使分子泵越來越受到重視，并得到快速發(fā)展。

由于分子泵渦輪轉(zhuǎn)子是高速旋轉(zhuǎn)（轉(zhuǎn)速為70 000r/min）的回轉(zhuǎn)體零件，加工裝夾誤差要求保證在20μm以下。使用傳統(tǒng)“定位-加工”運(yùn)行模式的數(shù)控加工方法加工分子泵渦輪轉(zhuǎn)子時(shí)，裝夾找正過程依賴操作工人經(jīng)驗(yàn)，生產(chǎn)批次不穩(wěn)定，嚴(yán)重影響整體加工周期，阻礙生產(chǎn)效率的提高。因此探索應(yīng)用新型的自尋位數(shù)控加工模式加工此部件。

空間尋位方法是通過測(cè)量的手段，得到工件毛坯相對(duì)于理想加工位置的偏移量，根據(jù)此偏移量修正數(shù)控程序，實(shí)現(xiàn)精確加工的目的。此方法與傳統(tǒng)加工模式的不同之處在于不是努力地“擺正”工件后再對(duì)其進(jìn)行加工，而是對(duì)裝夾后的工件進(jìn)行位置測(cè)量，得到裝夾后沒有“擺正”的工件相對(duì)于理想位置的偏移量及偏斜角，在承認(rèn)其位移及角度偏差的基礎(chǔ)上直接對(duì)數(shù)控代碼進(jìn)行修正，最后保證加工出符合圖樣要求的工件。由于轉(zhuǎn)子毛坯的實(shí)際位置與理想位置存在偏移量與偏角，修正數(shù)控程序時(shí)要根據(jù)轉(zhuǎn)子毛坯的空間裝夾位置實(shí)施坐標(biāo)變換。本文提出使用直線位移傳感器測(cè)量轉(zhuǎn)子外圓確定其軸線空間位置的方法，并基于變換矩陣得到了轉(zhuǎn)子中心軸線偏差在三維空間內(nèi)的分量，最后給出了應(yīng)用實(shí)例。

圖1　渦輪轉(zhuǎn)子毛坯、裝夾工位及零件

1. 渦輪轉(zhuǎn)子各葉片層圓心空間位置檢測(cè)原理

分子泵渦輪轉(zhuǎn)子毛坯、裝夾方式及最終零件如圖1所示。由于分子泵渦輪轉(zhuǎn)子是具有多層葉片的回轉(zhuǎn)類零件，所以出現(xiàn)的相對(duì)于理想位置的偏角與偏移量都屬于空間位置變化，使用傳統(tǒng)測(cè)量工具無法對(duì)其空間位置進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量，且要求操作工人有較強(qiáng)的工作經(jīng)驗(yàn)。

現(xiàn)階段使用傳統(tǒng)“定位-加工”模式加工渦輪轉(zhuǎn)子，在裝夾定位轉(zhuǎn)子毛坯時(shí)，使用機(jī)械式百分表測(cè)量轉(zhuǎn)子外圓，觀察百分表位移變化再進(jìn)行手工調(diào)整。受此啟發(fā)，我們提出一種由外圓輪廓確定平面圓心，再由平面圓心確定轉(zhuǎn)子空間位置的方法。

由于渦輪轉(zhuǎn)子有6層葉片，設(shè)從第1層到第6層的圓心分別為A0、B0、C0、D0、E0和F0，各圓心均處于轉(zhuǎn)子軸線上。在轉(zhuǎn)子毛坯的第1層和第6層處安裝拉桿式位移傳感器測(cè)量轉(zhuǎn)子外圓，此過程與機(jī)械式百分表測(cè)量過程相同。如圖2所示，A、F為轉(zhuǎn)子毛坯上的兩個(gè)測(cè)量位置，A處于第1層加工面，F(xiàn)處于第6層加工面。

傳感器測(cè)量頭與轉(zhuǎn)子外圓直接接觸，控制分度盤緩慢勻速旋轉(zhuǎn)一周，當(dāng)轉(zhuǎn)子實(shí)際位置與理想位置存在偏差時(shí)，測(cè)量頭產(chǎn)生位移，傳感器輸出位移信號(hào)，將提取到的位移信息存儲(chǔ)在寄存器中，經(jīng)過信號(hào)處理擬合成位移曲線（見圖3）。位移曲線波谷α0位置處為轉(zhuǎn)子毛坯最大偏心位置，所對(duì)應(yīng)M軸上l0位置的值為最大偏心距離。

2. 轉(zhuǎn)子圓心空間位置坐標(biāo)變換

渦輪轉(zhuǎn)子葉片加工采用銑削加工方式，轉(zhuǎn)子毛坯裝夾在機(jī)床分度盤上，刀具垂直于轉(zhuǎn)子軸線，銑削路徑為平行四邊形。加工完一片葉片后機(jī)床分度盤旋轉(zhuǎn)至下一加工位置，刀具重復(fù)上一路徑進(jìn)行銑削加工。

（1）確定轉(zhuǎn)子軸線空間位置坐標(biāo)：由于渦輪轉(zhuǎn)子安裝時(shí)產(chǎn)生偏心，所以轉(zhuǎn)子的實(shí)際裝夾位置與理想位置不重合，為方便觀察，將第1加工層圓心A0與第6加工層圓心F0投影到機(jī)床坐標(biāo)系XOZ平面上 （見圖4）。

圖2　渦輪轉(zhuǎn)子毛坯測(cè)量位置簡(jiǎn)圖

圖3　轉(zhuǎn)子中心偏移量曲線

圖4　XOZ平面轉(zhuǎn)子軸線位置示意圖

設(shè)第1層葉片圓心A0與第6層葉片圓心F0在XOZ平面內(nèi)坐標(biāo)為A0（x1，z1）、F0（x6，z6）。因?yàn)辄c(diǎn)A0、F0為第1、第6加工層圓心，所以線段A0F0為轉(zhuǎn)子實(shí)際軸線，且2、3、4、5加工層圓心均處于軸線A0F0上。由于銑削每層葉片時(shí)機(jī)床刀具沿轉(zhuǎn)子軸線方向行程較小，與裝夾造成的偏差相比較，加工時(shí)刀具沿轉(zhuǎn)子軸線方向移動(dòng)造成X軸及Z軸方向的分量偏差變化較小，在此忽略不計(jì)。

計(jì)算圓心A0坐標(biāo)，應(yīng)用之前所述測(cè)量方法可得到轉(zhuǎn)子最大偏心距y0及偏移角度x0，可得方程組

解方程可求出A0（x1，z1）。同理可求出測(cè)量點(diǎn)F處第6加工層圓心F0（x6，z6）。

（2）各葉片層圓心的空間坐標(biāo)變換：建立轉(zhuǎn)子軸線在XOZ平面投影的數(shù)學(xué)模型

由此轉(zhuǎn)子軸線數(shù)學(xué)模型可求出在線段A0F0上其他各加工層面圓心的坐標(biāo)值，并可以矩陣形式表示。以第1層加工面圓心A0點(diǎn)為例，在XOZ平面的矩陣形式為

用T來表示二維齊次變換矩陣

對(duì)于渦輪轉(zhuǎn)子，有平移和旋轉(zhuǎn)兩種變換。

以第1加工層為例，由于可求出初始位置加工面圓心坐標(biāo)A0(x1，z1)，所以平移變換矩陣為

旋轉(zhuǎn)變換矩陣

式中，α為轉(zhuǎn)子毛坯旋轉(zhuǎn)角度。

渦輪轉(zhuǎn)子的空間坐標(biāo)變換矩陣

設(shè)點(diǎn)A'為經(jīng)平移旋轉(zhuǎn)變換后轉(zhuǎn)子加工平面圓心的坐標(biāo)，由式（2）可知其計(jì)算過程為

同理，可以利用此變換矩陣算法求出轉(zhuǎn)子毛坯上每一加工層圓心在任意加工位置坐標(biāo)。

圖5所示為上述轉(zhuǎn)子測(cè)量及坐標(biāo)變換計(jì)算流程，利用傳感器輸出的位移信號(hào)擬合位移曲線，至少測(cè)量?jī)商幖庸訄A心，根據(jù)其位移曲線建立轉(zhuǎn)子軸線的數(shù)學(xué)模型，確定轉(zhuǎn)子空間位置，由于每一加工層圓心都在轉(zhuǎn)子軸線上，所以可通過變換矩陣計(jì)算出每層圓心偏差。

圖5　測(cè)量及計(jì)算流程圖

3. 實(shí)際加工算例

設(shè)分子泵轉(zhuǎn)子裝夾后初始位置第1、第6加工面圓心在YOZ平面坐標(biāo)分別為A0(x1，z1)、F0(x6，z6)。

應(yīng)用上述方法測(cè)量轉(zhuǎn)子裝夾偏差。在第1加工層A測(cè)量位置得到結(jié)果為：α0=56o，l0=52μm；在第2加工層B測(cè)量位置得到結(jié)果為：α0=300o，l0=52μm。

求第1層加工面圓心A0點(diǎn)坐標(biāo)，將測(cè)量結(jié)果代入方程組

可確定第1層圓心A0點(diǎn)坐標(biāo)為

A00：（x1z1）=（29.143.1）

同理可求出第6層圓心F0點(diǎn)坐標(biāo)為

將兩加工面圓心A0、F0連接，A0F0為轉(zhuǎn)子的實(shí)際軸線，投影到機(jī)床的XOZ平面上（見圖4），轉(zhuǎn)子2、3、4、5層加工平面圓心均處于軸線A0F0上。線段A0O、F0O分別為第1層加工面與第6層加工面的最大偏心距。根據(jù)式（1）建立軸線A0F0在XOZ平面的數(shù)學(xué)模型

基于以上數(shù)學(xué)模型，轉(zhuǎn)子2、 3、4、5層加工面：圓心B0、C0、D0、E0初始坐標(biāo)均可求出

B0點(diǎn)坐標(biāo)b：（x2z2）=（28.4 22.4）

C0點(diǎn)坐標(biāo)c：（x3z3）=（27.6 -0.4）

D0點(diǎn)坐標(biāo)d：（x4z4）=（26.9 -16.7）

E0點(diǎn)坐標(biāo)e：（x5z5）=（26.4 -33.1）

基于已求出的各圓心坐標(biāo)可確定各加工平面的平移變換矩陣。由于機(jī)床定位精度為2μm，所以各加工平面圓心坐標(biāo)及平移變換矩陣單元精確到2μm。

以第1加工層面平移變換矩陣為例

求旋轉(zhuǎn)變換矩陣，由于渦輪轉(zhuǎn)子每層葉片個(gè)數(shù)不同，所以加工完一片葉片后，分度盤旋轉(zhuǎn)至下一加工位置的旋轉(zhuǎn)角度也不同，基于已知條件，可以計(jì)算出分度盤每次旋轉(zhuǎn)的角度

式中，α為分度盤旋轉(zhuǎn)角度；m為分度盤旋轉(zhuǎn)次數(shù)；n為加工層轉(zhuǎn)子葉片數(shù)。

利用之前所述方法可求出旋轉(zhuǎn)變換矩陣

根據(jù)式（3）可求出第1層加工平面圓心經(jīng)一次旋轉(zhuǎn)的計(jì)算過程為

由計(jì)算結(jié)果可知，渦輪轉(zhuǎn)子第1加工層圓心經(jīng)過分度盤一次旋轉(zhuǎn)后在XOZ平面上的坐標(biāo)為（20，48），應(yīng)用此種坐標(biāo)變換算法可求出各加工平面上任一加工位置的平面圓心坐標(biāo)。

圖6所示為第1加工層面各加工位置x軸坐標(biāo)及z軸坐標(biāo)與機(jī)床分度盤旋轉(zhuǎn)角度的曲線關(guān)系，橫軸為分度盤旋轉(zhuǎn)角度，縱軸為偏移距離。

轉(zhuǎn)子第6層加工面有50片葉片，即加工時(shí)分度盤需旋轉(zhuǎn)50次。圖7所示為第6層各加工位置圓心x軸及z軸坐標(biāo)與機(jī)床分度盤旋轉(zhuǎn)角度的曲線關(guān)系。

基于上述偏移圓心的坐標(biāo)，利用編制的中間轉(zhuǎn)換器，一次性計(jì)算各加工位置的偏移量并修正原有數(shù)控加工程序，最終實(shí)現(xiàn)自尋位數(shù)控加工的目的。

4. 結(jié)語

硬鋁合金整體渦輪轉(zhuǎn)子是影響分子泵性能的關(guān)鍵部件，基于上述測(cè)量及坐標(biāo)變換方法并配合中間轉(zhuǎn)換器可實(shí)現(xiàn)渦輪轉(zhuǎn)子的自尋位數(shù)控加工，從而減少工人操作經(jīng)驗(yàn)對(duì)轉(zhuǎn)子加工精度的影響，提高轉(zhuǎn)子產(chǎn)品的生產(chǎn)效率及批量穩(wěn)定性，在生產(chǎn)中具有一定的實(shí)際意義。

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圖6　第1層面圓心XOZ平面偏移分量曲線

收稿日期：（20140915）