胡瑢華 羅 偉 劉國平 宋紅滾

(南昌大學(xué)機電工程學(xué)院，江西南昌 330031)

渦旋壓縮機是一種容積式壓縮機，利用渦旋轉(zhuǎn)子與渦旋定子的嚙合形成了多個壓縮室。隨著渦旋轉(zhuǎn)子的平移轉(zhuǎn)動，各壓縮室內(nèi)容積不斷發(fā)生變化，實現(xiàn)對氣體的吸入與壓縮。渦旋壓縮機具有結(jié)構(gòu)簡單、運動部件少、體積小、重量輕、容積效率高、運行噪聲低等特有優(yōu)點［1］，但其加工精度要求較高成為目前渦旋壓縮機市場化的最大制約因素，零部件裝配的好壞直接決定產(chǎn)品的合格率，亦使得對零部件裝配精度越來越重視。

渦旋壓縮機動盤通過偏心主軸與機架連接，為提升穩(wěn)固性，動盤裝有3個偏心小軸和機架通過軸承連接，連接的理想狀態(tài)是3個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行測量，然后手動算出墊片厚度。此方法精度較低，工人勞動強度較大，效率低下，而且長時間計算容易出現(xiàn)錯誤。三坐標(biāo)測量機具有精度高、自動化程度高的優(yōu)點，但是其對環(huán)境要求較高、造價高、對員工技能要求較高等缺點，不適合用于此處。對此，本文針對渦旋壓縮機裝配工藝，設(shè)計了兩臺專門檢測裝置，使用數(shù)顯千分表、PLC、觸摸屏等設(shè)備構(gòu)成檢測系統(tǒng)，檢測數(shù)據(jù)并自動計算墊片厚度，最終在觸摸屏上進行數(shù)據(jù)顯示。

1 檢測系統(tǒng)的組成

檢測系統(tǒng)主要由專門工裝裝置、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)于檢測中常用的接觸觸發(fā)式測頭。觸發(fā)式測頭具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小巧、安裝操作方便、精度高和靈活等優(yōu)點，數(shù)字千分表同樣具備這種優(yōu)點。不同的是千分表的讀數(shù)操作是通過人為控制的，而觸發(fā)式測頭是通過觸發(fā)力信號控制數(shù)控系統(tǒng)進行的，另外一點區(qū)別是千分表僅能做單向測量，而大多數(shù)觸發(fā)式測頭都可以進行多向測量。多路轉(zhuǎn)換器是將若干臺數(shù)顯千分表的輸出信號轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的RS232信號以與PLC進行通信的設(shè)備［2］。數(shù)字千分表利用夾具安裝于檢測裝置上。其檢測系統(tǒng)的構(gòu)成框圖如圖1所示。

本檢測系統(tǒng)采用日本三豐某型號數(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PLC、歐姆龍某型號觸摸屏。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格式測量數(shù)據(jù)通過SPC數(shù)據(jù)線傳輸?shù)蕉嗦忿D(zhuǎn)換器，多路轉(zhuǎn)換器通過標(biāo)準(zhǔn)接口RS232將ASCII格式數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇LC，PLC運用HEX(162)指令將ASCII→16進制代碼在PLC內(nèi)進行存貯和數(shù)據(jù)處理，此時PLC共有6個千分表測量數(shù)據(jù)，按相應(yīng)位置分為三組數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)單獨完成墊片厚度的計算。最后將3個墊片的厚度數(shù)據(jù)輸入到觸摸屏進行顯示。

2 檢測裝置的設(shè)計

2.1 機架檢測裝置的設(shè)計

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

為簡化，現(xiàn)對一臺數(shù)顯千分表進行討論。千分表豎直朝下，如圖3所示。檢測時，開啟氣缸和千分表，氣缸帶動測桿和千分表接觸機架，千分表測得數(shù)據(jù)S1。

根據(jù)圖3，可知:

其中，Lm為千分表到測桿底面的距離，已知。

2.2 動盤距離檢測裝置的設(shè)計

動盤放置在特定支座平臺上，此平臺同時作為測量基準(zhǔn)，同機架檢測專機一樣，3臺數(shù)顯千分表利用夾具固定于氣缸連接的測桿上，其位置亦呈120°平均分布。如圖4示。

同樣，為簡化，現(xiàn)對一臺數(shù)顯千分表進行討論。千分表豎直朝下，如圖5所示。

檢測時，開啟氣缸和千分表，氣缸帶動測桿接觸支座平臺，千分表接觸動盤。千分表測得距離 S2，故可知:

其中，Ln為千分表到測桿底面的距離，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)顯千分表測量值。

3 檢測系統(tǒng)的校準(zhǔn)與誤差分析

3.1 檢測系統(tǒng)的校準(zhǔn)

將數(shù)顯千分表安裝在專門工裝裝置上后，需要對數(shù)顯千分表進行位置調(diào)整，消除誤差，進行誤差補償，以提高精度［4］。具體操作步驟如下:

(1)千分表長度測量。將千分表利用夾具固定于氣缸連接的測桿上，利用對刀儀或者另外一支千分表測出測量表的工作長度，可測量多次取平均值。測量時應(yīng)將測量表的示數(shù)考慮進去，測量完成后將此表長度值D作為誤差補償量輸入到檢測系統(tǒng)中。

(2)取精度較高的機架和動盤零部件，其已用三坐標(biāo)測量儀進行精密測量，并分別記錄各位置數(shù)據(jù)。分別放置在相應(yīng)的支座平臺上。開啟氣缸及千分表，手動控制氣缸運行狀況，手動調(diào)整千分表位置，使千分表接觸機架或動盤在其量程范圍內(nèi)，固定千分表。根據(jù)式(1)、(2)，已知千分表測量數(shù)據(jù)及L1、L2數(shù)據(jù)(此數(shù)據(jù)為三坐標(biāo)測量儀精密測量所得)，可得出Lm、Ln值，可測量多次取平均值。

3.2 誤差分析

此檢測系統(tǒng)的檢測誤差主要來源于:檢測裝置和儀器本身產(chǎn)生的誤差，檢測中產(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。日本三豐某型號數(shù)顯千分表分辨率為0.001 mm，由于氣缸帶動千分表運動導(dǎo)致千分表測力偏大，會有一定的影響，在此可認(rèn)為數(shù)顯千分表引入的誤差為m1=±0.001 mm。

(2)檢測裝置引入的誤差。氣缸帶動測桿接觸機架動盤，測桿接觸面經(jīng)過多次接觸后，會有一定的物理磨損，即會產(chǎn)生一定的誤差。這項誤差會隨檢測次數(shù)增加而線性增大，即千分表測量值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)為檢測裝置磨損引入的誤差m2=±0.001 mm。

3.2.2 檢測中產(chǎn)生的誤差

這里主要指的是操作者引入的誤差，主要是待測平面不清潔及測桿接觸面等引入的誤差。對于此項目誤差，只要在檢測中嚴(yán)格控制，是微乎其微的。在此我們認(rèn)為檢測中引入的誤差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值會隨溫度變化而變化。但根據(jù)式(3)可知，Lm和Ln的相對變化會抵消一部分，故此誤差取值L=∣Lm－Ln∣。在我國南方，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為膨脹長度;L為工件長度，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，即最大誤差為:m=m1 +m2+m3+m4=0.008 mm，滿足檢測裝置設(shè)計要求。

4 檢測系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理及顯示

檢測系統(tǒng)共使用兩臺多路轉(zhuǎn)化器，分別采集機架、動盤檢測裝置中數(shù)顯千分表測量的數(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)換器傳輸過來的數(shù)據(jù)，需進行處理，得出3個墊片厚度數(shù)據(jù)，其流程圖如圖6所示，最后將3個墊片厚度數(shù)據(jù)傳輸?shù)接|摸屏進行實時顯示。

根據(jù)圖6可知，PLC計算出的3個墊片厚度數(shù)據(jù)通過RS232接口傳輸?shù)接|摸屏，使用觸摸屏專用軟件開發(fā)設(shè)計人機交換界面，在界面的特定位置，實時顯示3個墊片厚度數(shù)據(jù)。圖7為墊片厚度數(shù)據(jù)顯示界面。

5 結(jié)語

本文針對渦旋空氣壓縮機墊片厚度自動檢測為例，利用數(shù)字千分表對零部件型面進行距離測量并自動計算墊片厚度的方法。該方法針對性強，自動化程度較高，能夠滿足零部件的精度要求，具有一定的應(yīng)用價值。

［1］李海生.無油潤滑渦旋壓縮機的研究［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中的應(yīng)用［J］.機床與液壓，2008(5):116－118.

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

［4］李桂花.加工中心在線檢測中機床誤差的補償研究［J］.機電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2006，19(4):158.

［5］魏樂林，戴書華，楊大弘.大型機械平面度激光檢測儀及精度分析［J］.長春光學(xué)精密機械學(xué)院學(xué)報，1999，22(2):33 －36.

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