涡旋压缩机快速精密测量及加工误差补偿技术的研究

摘要

涡旋压缩机中的涡旋体精密测量和精密加工是其产业化应用的关键技术，其加工制造和测量水平直接决定涡旋压缩机的压缩效率和整体性能。论文针对国内外在涡旋体加工和测量方面研究的不足，结合涡旋压缩机制造企业的实际需求，从工程应用实际角度出发，对涡旋齿高、侧面型线快速精密测量和补偿修正加工进行了系统的研究。论文的主要研究工作及成果如下：
　　 论述了涡旋压缩机的基本工作原理，指出了涡旋齿高和涡旋型线加工精度对涡旋压缩机啮合间隙的影响。推导了涡旋压缩机中涡旋体啮合关系及其必须满足的条件，在满足啮合条件的基础上推导了涡旋压缩机啮合间隙计算方法。通过仿真得出加工位置误差和对刀起始点偏置误差所引起的涡旋型线径向误差和涡旋角误差计算方法。
　　 考虑到涡旋体加工现场测量空间狭小、测量温度变化和测量速度快等要求，基于展成法加工原理构建了涡旋体快速测量硬件平台和软件系统，对测量系统坐标系运动精度进行了测量和校正。基于Heidenhai MT-60M开发了涡旋齿高快速精密测量系统。基于Renishaw SP-600三坐标精密测量头开发了涡旋型线快速精密测量系统。该系统更换测头后能自动实现涡旋齿高和涡旋型线的快速精密测量。提出了相位差法计算测量球形状误差，通过在涡旋体定位误差测量程序中嵌入测量球形状误差补偿程序，提高涡旋体定位误差测量精度。新开发的测量系统能满足加工现场在线测量的要求，从而提高了涡旋体的加工精度。
　　 基于新开发的涡旋齿高快速精密测量系统分别对转动涡旋体、固定涡旋体、转动台阶齿高（简称B型）涡旋体、固定台阶齿高B型涡旋体进行重复性、再现性对比测量实验研究。提出了基于最小二乘平面为初始平面的涡旋齿高最优评定算法。在恒温洁净室中采用三坐标测量机CMMs（Coordinate Measuring Machines）对相同的涡旋体进行对比实验研究，结果表明：测量定位倾角误差补偿后快速测量系统测量结果和CMMs测量结果基本一致，快速测量系统重复性误差和再现性误差小于1μm，但是涡旋齿高总的测量时间比CMMs减少了一半，涡旋齿高快速测量系统的测量速度和测量精度能满足加工现场的测量要求。
　　 提出测量球偏置误差分离方法，并分离出四种测量误差。分析并提出了涡旋中心过渡型线B样条曲线快速测量方法，采用分割逼近法得到了过渡型线法向误差。对涡旋体渐开线部分涡旋型线进行了对比实验研究，通过对定位基准的测量和滤除定位误差。测量结果表明：在保证测量精度和CMMs基本一致的前提下，快速测量系统对涡旋型线总的测量时间由原来20min减少到330s，快速测量系统的测量速度和测量环境能满足涡旋型线在线测量的要求。
　　 以定位倾角误差为变量，建立了最小涡旋齿高误差适应度函数。以涡旋中心位置误差和坐标系转角误差为变量建立了最小涡旋型线径向误差适应度函数。提出既能提高优化计算效率和避免局部收敛的自适应混沌粒子群算法，将自适应混沌粒子群算法应用到涡旋齿高加工倾角误差、涡旋型线中心位置误差和转角误差的计算。滤除测量定位误差后得到涡旋齿高加工倾角误差、型线加工位置误差和转角误差。对比计算表明，快速测量系统能满足涡旋体加工误差的快速、精密测量，能用于涡旋体在线补偿修正加工。
　　 通过回归分析方法分析了涡旋齿高加工误差对涡旋压缩机压缩效率的影响。对加工倾角误差补偿前后涡旋齿高加工精度进行对比实验研究，倾角误差补偿修正加工后，涡旋齿高加工精度得到了明显的提高，同时提高了涡旋压缩机的压缩效率。对补偿前后的涡旋型线加工精度进行对比测量研究，补偿修正加工提高了涡旋型线的加工精度。最后提出涡旋体在线测量、补偿修正加工的方法。
　　 综上所述，论文主要创新点为：
　　 （1）论文基于展成法原理开发了涡旋体快速测量系统开发的快速测量系统，既能作为涡旋体专用计量设备，又能作为涡旋体辅助加工设备，提高涡旋体的加工质量，因此具有很好的工程应用价值；（2）在对比实验研究的基础上，提出并推导了测量系统误差计算和分离方法，全文中的测量误差分离方法和加工误差的计算方法对涡旋体的测量和加工具有重要的理论和工程意义；（3）提出采用相位差法计算测量球形状误差的方法，通过对测量球形状误差的补偿，测量系统能完成涡旋体定位误差的精密测量；（4）在基本粒子群优化算法的基础上，提出能快速得到全局最优的加工误差自适应混沌粒子群算法，为涡旋体加工误差计算提供了系统的方法，通过对涡旋体加工误差补偿和修正加工，其加工精度得到了明显的提高。