一種雙螺桿壓縮機轉子型線檢測裝置的設計*

程 亮，薛銘軒，竇天赤，敬小宇

（衢州學院機械工程學院，浙江衢州 324000）

0 引言

雙螺桿壓縮機廣泛應用于化工、礦山、冶金、動力、機械、制冷、建筑等工業領域，其銷量占所有容積式壓縮機的80%以上[1]，隨著工業技術的發展，社會對螺桿壓縮機整體性能的要求也越來越高[2]。機頭是雙螺桿壓縮機的執行機構，其中相互嚙合的陰陽螺桿轉子是壓縮機最核心的機械零件，壓縮機整體性能的提高主要取決于轉子型線的精度與設計[3]。研究表明，轉子型線的加工精度和表面質量要求極高，機械加工非常困難、效率低，加工成本占設備總成本的30%～50%[4-5]，故轉子型線加工誤差檢測與加工精度控制對行業發展有著非常重要的戰略意義。

1 國內外研究現狀

1.1 國外研究現狀

國外關于螺桿壓縮機轉子型線檢測技術研究方面，英國的HOLRODY[6]和德國的KAPP[7]都在自產的轉子磨床上開發了在線檢測功能，在轉子型線加工過程中實時將檢測數據反饋到加工系統中，在線對加工誤差進行補償，這種檢測方式由于熱變形、污染等因素只能對加工誤差進行補償控制，不能用于成品的高精度合格檢測，且存在一定程度的技術保密。瑞典HEXAGON[8]集團旗下的LEITZ系列[9]超高精度坐標測量機可在不裝載轉臺的情況下實現轉子型線自動測量，其優點是安裝方式簡單，缺點是多探針測量、機械結構復雜、調試繁瑣，增加了檢測時間和累積誤差，只能得到關鍵特征數據，不合適企業大批量高精度檢測需求。

1.2 國內研究現狀

國內目前對螺桿壓縮機轉子型線檢測開展的研究工作多處于理論研究階段，較少有針對實際應用開展的檢測技術研究。其中，張正華等[10]主要研究了螺桿轉子型線的數字化測量和數據處理等問題，提出了基于迭代法測量轉子型線的新方法。周正卿等[11]研究了轉子型線接觸式和非接觸式測量的方法，研制了螺旋轉子型線測量儀，可以完成型線輪廓掃描測量。王小明等[12]結合MATLAB 和C++軟件開發出了能夠計算6 種典型型線的轉子檢測模塊。

綜上所述，國內外在螺桿壓縮機轉子型線檢測、加工方面都有一定的研究，但相對而言國內研究技術還不成熟，主要偏重于探索性理論研究，實際應用較少。國外研究公開的具體技術細節較少，存在一定程度的技術保密。為此，設計一種基于多自由度電動轉臺與直角坐標臂單探針聯動的接觸式轉子型線檢測裝置，能夠獲得轉子型線加工尺寸與目標尺寸之間的差值，實現雙螺桿壓縮機轉子型線高精度、高效率的檢測，減少高品質轉子型線的加工誤差，提高加工精度，為自主研發高端螺桿壓縮機產品提供核心技術支持。

2 總體設計分析

2.1 檢測分析

如圖1 所示，雙螺桿壓縮機轉子是斜嚙合的正齒輪[13]，表面形狀是螺旋形曲面，截面型線構成復雜，其精加工通常采用微量磨削的方法，磨削誤差是影響轉子加工精度的關鍵因素。因此，對影響磨削量的加工誤差進行精確檢測是首先要解決的問題。

圖1 雙螺桿壓縮機機頭剖視圖[14]

傳統的單軸固定多探針檢測方法，轉子簡單固定在三爪卡盤上方，轉子的橫向自由度很難精準確定；多探針組合結構復雜、連接點多、累積誤差高。鑒于此，本裝置采用自動轉臺與單探針聯動的方法，在機械結構方面涉及高精度自動轉臺設計、位移傳感器與自動轉臺信號同步設計，慢速回轉運動狀態下恒定準確傳輸位移信號控制，最終實現連接點少、結構簡單的單探針與自動轉臺組合快速、準確的檢測。

2.2 工作原理

如圖2 所示，本裝置主要組成部分為電動卡盤、分度轉臺、移動平臺、工作臺、控制系統、直角坐標臂和檢測探針等。整套裝置的工作原理：根據控制系統發出的指令，利用外接電源驅動移動平臺和直角坐標臂電機旋轉，帶動傳動絲桿和同步帶作直線位移，使檢測探針和轉子移動到適合檢測的位置，然后驅動安裝有探針的直角坐標臂和安裝有轉子的電動轉臺根據檢測要求作相應的姿態和位移變換，使探針和轉子接觸，實現轉子型線檢測；通過安裝在直角坐標臂內的光柵尺和電機上的旋轉編碼器保證檢測精度。

圖2 雙螺桿壓縮機轉子型線檢測裝置示意

3 檢測平臺設計

如圖3所示，檢測平臺采用笛卡爾直角坐標型結構設計，主要包括安裝在基座上的縱向移動平臺以及安裝有吸盤、檢測探針、傳感器等檢測模塊的立柱和橫臂。

圖3 檢測平臺

3.1 移動模塊

檢測探針的移動模塊是一個直角坐標型3T 移動機構，基座采用電機、聯軸器、滾珠絲桿的傳動方式進行縱向移動；垂直方向和橫向十字臂采用電機、聯軸器、同步帶輪的方式進行垂直和橫向移動，通過電機后端的光電編碼器實現粗校準；其中探針通過磁吸的方式安裝在橫臂末端法蘭盤上。

3.2 檢測模塊

檢測模塊主要由檢測探針、吸盤、光柵尺及信號傳輸裝置等組成，探針通過末端外螺紋和吸盤中心螺紋孔剛性連結，吸盤通過電磁吸的方式和橫向機械臂末端的法蘭盤連結；基座平臺的縱向軸、垂直軸及安裝探針的橫向軸都帶有高精度光柵尺，保證檢測精度。

4 轉子平臺設計

轉子平臺的結構主要包括兩部分：（1）帶有1 個橫向移動平臺、1 個平面旋轉平臺和1 個翻轉平臺的2R1T移動機構；（2）1 個根據特定型號螺桿壓縮機轉子定制的四爪電動卡盤（安裝模塊）。

4.1 移動模塊

圖4 所示為轉子平臺的移動模塊，其主要作用是驅動雙螺桿壓縮機轉子移動到探針能夠檢測的位置和姿態。該模塊工作過程：電機驅動移動平臺作橫向運動，利用傳動絲桿的高轉速、大導程快速接近檢測探針；通過帶有分度臺的旋轉平臺和安裝磁吸卡盤的翻轉平臺使壓縮機轉子旋轉到轉子型線可檢測的位置和姿態；通過檢測探針的直角坐標3T 機構和轉子平臺2R1T 機構聯動實現轉子型線檢測。

圖4 轉子移動模塊

4.2 安裝模塊

圖5 所示為轉子的安裝模塊，其主要作用是通過四爪電動卡盤連結轉子和翻轉平臺。該模塊工作過程：卡盤殼體內部中心位置的伺服電機驅動正方形聯動機構作旋轉運動；聯動機構帶動連接在機構四角位置的L 形聯動曲軸做旋轉運動；曲軸將聯動機構傳遞的旋轉運動，通過曲柄幾何形狀的改變，轉換成直線運動，傳遞給連接在曲軸末端的4 個卡爪，從而帶動卡爪在卡盤殼體上部的H形導槽內向轉子移動合攏，達到固定轉子的目的。

圖5 轉子安裝模塊

5 控制系統設計

控制系統是整套裝置運動控制和信息傳輸的基礎，是實現檢測過程和保證檢測精度的核心部件。由于涉及的零部件眾多，含有各種微小的電子元器件，把控制系統集成在一個定制的亞克力控制盒內，主要包括驅動模塊和控制模塊兩部分。

5.1 驅動模塊

驅動模塊主要分為兩部分，第一部分是整套裝置的供電驅動，采用220 V外接通用電源；第二部分是控制系統的離線編程模塊，采用鋰電池作為動力源。本次設計采用的鋰電池具有過流、過壓、低壓、短路等保護功能，容量為11 200 mAh，電壓為12 V，電芯組合方式為12S1P，質量為590 g，尺寸為75 mm×58 mm×67 mm。由于體積較小，可直接安裝在控制系統內部。在控制系統表面，制作了電池充電接口和充電指示燈，根據不同的顏色顯示，確定電池充電狀態。為了滿足控制板、電機、信號指示燈、開關等不同電子元器件對電壓的要求，在控制系統中還配置了調壓模塊。

5.2 控制模塊

如圖6 所示，控制模塊采用樹莓派4B 控制板作為主控制，通過板載的USB 接口連接傳感器、電機控制板、調壓模塊、操縱桿、鼠標鍵盤等，實現樹莓派控制板對整套裝置驅動系統、傳感系統的控制，并將檢測數據存儲于板載內存或SD 卡中，通過HDMI 接口連接7 寸觸摸屏，可以在觸摸屏中更改操作方式，實現操縱桿控制模式、語音輔助模式、手機APP 虛擬操縱桿控制模式。

圖6 樹莓派示意圖[14]

根據MODBUS 通信協議進行電機控制，采用USBRS485轉接口，以樹莓派控制板為主機，檢測探針平臺3個電機及轉子移動平臺4個電機作為從機進行主從機通信，控制單個或多個電機轉動，實現位移和姿態的精確定位[15]。

其中，操縱桿控制模式是基礎模式，通過操縱桿手動驅動電機，可實現檢測平臺和轉子平臺快速定位到檢測范圍之內，通過操縱桿微調可確定探針和轉子之間的相對位置關系（建立坐標系）。手機APP 虛擬操縱桿控制模式是一種遠程控制模式，通過安裝在手機端的輔助檢測軟件，在物理操縱桿失靈和檢測過程需急停時使用。語音輔助模式是一種通過語音交互技術實現檢測狀態的遠程控制功能[16]，在一些不需要發生物理硬件接觸和定位精度控制的場合，采用語音輔助，可有效提高檢測效率。其工作原理：將功能所需的語音通過移動電話錄音功能錄入為MP3文件；將MP3文件轉為無損的WAV文件上傳至與樹莓派連接的智能語音識別控制模塊[17]；點擊觸摸屏上事先編輯好的“語音模式”按鈕，開啟語音輔助模式，通過智能語音識別控制模塊解析語音、提煉關鍵字與預設字詞進行比對，完成識別[18]，并對所需的功能進行控制。

6 實驗測試

圖7 所示為轉子型線檢測控制軟件。通過樹莓派控制板內的檢測控制軟件及直角坐標（三坐標）檢測軟件PC-DMIS[19]，控制轉子型線檢測裝置的運動和檢測。

圖7 轉子型線檢測控制軟件

實驗測試過程主要分為以下幾個步驟。

步驟1：打開電源，啟動樹莓派控制板，打開觸摸屏，通過觸摸屏或者鼠標打開檢測控制軟件，控制PCDMIS檢測軟件，驅動直角坐標檢測平臺回參考點；通過檢測控制軟件，驅動轉子移動平臺回參考點。

步驟2：轉子安裝，通過觸摸屏或者鼠標，對檢測控制軟件進行控制，點擊“卡盤開合”按鈕驅動電動四爪卡盤鎖緊，將需檢測的螺桿轉子固定在安裝平臺上。

步驟3：建立坐標系，首先，通過物理操縱桿或者語言輔助模式，驅動移動平臺，使探針和轉子快速移動到檢測位置附近；然后，通過檢測控制軟件和物理操縱桿（或虛擬操縱桿）微調建立探針和轉子之間的坐標系，確定相互位置關系。

步驟4：轉子檢測，首先，在PC-DMIS 檢測軟件中調用預先編輯好的檢測程序，進行轉子型線自動檢測；檢測結束后，通過物理操縱桿或者語言輔助模式，使檢測探針和轉子平臺移動到安全位置；最后，生成檢測報告、保存并評價檢測數據。

7 結束語

本文設計了一種雙螺桿壓縮機轉子型線檢測裝置，通過單探針直角坐標機構和多軸轉子平臺聯動的方式進行檢測，有效解決了目前轉子型線檢測過程中，需要多探針固定測量而造成的機械結構復雜、安裝調試繁瑣、檢測時間長和累積誤差大等問題；通過樹莓派控制板、語音識別模塊等智能輔助技術，有效降低了檢測人員的勞動強度，提高檢測精度和效率；并可在轉子不同方位靈活調整檢測要素，除了轉子型線以外，也可用于轉子截面輪廓、螺旋升角等元素的檢測。同時，本裝置通過傳動和執行機構的調整，也適用于其他壓縮機核心零部件幾何要素的檢測，具有廣闊的市場價值和應用前景。