单螺杆泵型线拟合方法及相关CAM系统研究

摘要

随着科学技术的发展，泵在石油化工等行业中的应用逐渐受到重视，采用螺杆泵来输送各种非牛顿介质的方法越来越普及。很多高粘度的介质如石油、沥青、糖浆等的输送作业进一步拓广了螺杆泵的结构形式。就石油钻采领域所用的单螺杆泵而言，泵体主要运动构件是与橡胶衬套相配合的螺杆转子，其加工质量对泵体性能十分重要，因此受到诸多学者的广泛关注。本论文的研究内容来源于某数控机床企业的委托项目，文中提出了一种基于分段Newton插值法的型线拟合方法，并以此作为程序内核，结合目前较为成熟的空间距离求解算法，制定了相关CAM软件的开发方案。
　　由于在螺杆加工时，螺杆截面尤其是螺杆模芯型线往往不是以理论参数方程形式给出的，而是通过测量、修正或实验等方法得到的一系列离散的坐标点集所构成的实际曲线。所以螺杆加工机床配套的CAM软件系统的输入参数，往往是一系列离散的数据点。
　　本文首先从单螺杆泵的啮合原理与型线理论研究出发，以2/3螺杆泵为例，研究了螺杆型线的设计方法，探讨了设计参数对泵性能的影响，并针对于螺杆模芯的加工，提出了一种基于分段Newton插值法的型线拟合方法，利用Matlab软件建立了螺杆截面Newton插值函数的数学模型，并论证了该方法在螺杆截型拟合中的适用性。
　　然后，研究了刀位轨迹求解算法，深入分析了空间曲面间距离求解的相关方法，将近几年领域内学者所提出的最小有向距离原理、距离函数求优算法与本文所提出的分段Newton拟合法相结合，并设计了一种便于程序编制的刀具曲面离散矩阵(3×3)元素的编码方法。
　　最后，将该套方法应用于CAM软件开发中，即采用VB6.0开发了某螺杆数控铣床的CAM系统。使用所开发的CAM软件时，用户可以通过输入螺杆设计参数来生成FANUC系统的转子加工代码，也可以通过输入离散点来生成螺杆模芯的加工代码。系统开发完成后在该机床上进行了试切，其加工误差满足设计要求。
　　本文的研究成果提出了一种螺杆型线拟合方法，对开发螺杆加工CAM系统具有较好的指导意义。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 单螺杆泵的研究现状

1．1．1 单螺杆泵简介

1．1．2 国内外螺杆加工的研究现状

1．1．3 刀具轨迹求解算法研究现状

1．2 课题来源

1．3 本课题研究背景与意义

1．4 本课题研究内容与方法

第二章 型线理论及推导

2．1 啮合原理

2．2 型线理论及推导

2．2．1 骨线的形成

2．2．2 定子理论型线推导

2．2．3 双头共轭转子型线推导

2．3 型线设计参数的工程意义

2．3．1 设计参数间的关系

2．3．2 型线设计参数与泵体相关性能的关系

2．4 本章小结

第三章 螺杆截面型线拟合方法研究

3．1 数值拟合方法研究

3．2 常用拟合方法分析

3．2．1 最小二乘法

3．2．2 三次样条插值法

3．3 分段的Newton插值法

3．3．1 Newton插值法原理及特性研究

3．3．2 Newton插值法适用性分析

3．3．3 分段Newton插值法应用分析

3．4 本章小结

第四章 刀位轨迹求解

4．1 刀位轨迹求解原理

4．2 曲面离散化及刀位轨迹搜索

4．2．1 曲面离散化

4．2．2 刀位轨迹求解算法

4．3 螺旋曲面方程

4．4 本章小结

第五章 螺杆CAM系统实现及应用分析

5．1 系统功能模块

5．2 数据处理的实现

5．2．1 刀具轨迹求解主流程

5．2．2 刀具曲面离散化

5．2．3 最小有向距离算法的程序化

5．3 螺杆加工工艺

5．3．1 螺杆加工设备

5．3．2 加工代码的工艺性分析

5．3．3 夹持机构改进

5．4 切削实验

5．5 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文

附录

致谢