整體渦輪轉子空間尋位數控加工技術研究

■太重（天津）濱海重型機械有限公司 （300450） 楊實禹 張風祥 張 超

整體渦輪轉子空間尋位數控加工技術研究

■太重（天津）濱海重型機械有限公司 （300450） 楊實禹 張風祥 張 超

摘要：整體渦輪轉子是影響分子泵抽真空性能的關鍵零件。針對分子泵整體渦輪轉子的結構特征如多層旋轉葉片、對稱性要求高以及裝夾找正困難等，將空間尋位數控加工技術應用于其多層葉片銑削加工中。加工時首先確定轉子毛坯各層葉片軸線所在空間位置，再經空間矩陣變換得到轉子1至6層葉片的裝夾偏差在X/Y/Z向的偏移分量，在此基礎上利用編制的中間轉換器一次性修正轉子數控加工程序，實現分子泵整體渦輪轉子多層葉片的精密銑削加工。

分子泵是利用高速旋轉的轉子把動能傳輸給氣體分子，使之獲得定向速度從而被壓縮驅至排氣口抽走的機械式真空泵。近30年半導體產業的飛速發展，使分子泵越來越受到重視，并得到快速發展。

由于分子泵渦輪轉子是高速旋轉（轉速為70 000r/min）的回轉體零件，加工裝夾誤差要求保證在20μm以下。使用傳統“定位-加工”運行模式的數控加工方法加工分子泵渦輪轉子時，裝夾找正過程依賴操作工人經驗，生產批次不穩定，嚴重影響整體加工周期，阻礙生產效率的提高。因此探索應用新型的自尋位數控加工模式加工此部件。

空間尋位方法是通過測量的手段，得到工件毛坯相對于理想加工位置的偏移量，根據此偏移量修正數控程序，實現精確加工的目的。此方法與傳統加工模式的不同之處在于不是努力地“擺正”工件后再對其進行加工，而是對裝夾后的工件進行位置測量，得到裝夾后沒有“擺正”的工件相對于理想位置的偏移量及偏斜角，在承認其位移及角度偏差的基礎上直接對數控代碼進行修正，最后保證加工出符合圖樣要求的工件。由于轉子毛坯的實際位置與理想位置存在偏移量與偏角，修正數控程序時要根據轉子毛坯的空間裝夾位置實施坐標變換。本文提出使用直線位移傳感器測量轉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子中心軸線偏差在三維空間內的分量，最后給出了應用實例。

圖1　渦輪轉子毛坯、裝夾工位及零件

1. 渦輪轉子各葉片層圓心空間位置檢測原理

分子泵渦輪轉子毛坯、裝夾方式及最終零件如圖1所示。由于分子泵渦輪轉子是具有多層葉片的回轉類零件，所以出現的相對于理想位置的偏角與偏移量都屬于空間位置變化，使用傳統測量工具無法對其空間位置進行準確測量，且要求操作工人有較強的工作經驗。

現階段使用傳統“定位-加工”模式加工渦輪轉子，在裝夾定位轉子毛坯時，使用機械式百分表測量轉子外圓，觀察百分表位移變化再進行手工調整。受此啟發，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子空間位置的方法。

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

傳感器測量頭與轉子外圓直接接觸，控制分度盤緩慢勻速旋轉一周，當轉子實際位置與理想位置存在偏差時，測量頭產生位移，傳感器輸出位移信號，將提取到的位移信息存儲在寄存器中，經過信號處理擬合成位移曲線（見圖3）。位移曲線波谷α0位置處為轉子毛坯最大偏心位置，所對應M軸上l0位置的值為最大偏心距離。

2. 轉子圓心空間位置坐標變換

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

（1）確定轉子軸線空間位置坐標：由于渦輪轉子安裝時產生偏心，所以轉子的實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投影到機床坐標系XOZ平面上 （見圖4）。

圖2　渦輪轉子毛坯測量位置簡圖

圖3　轉子中心偏移量曲線

圖4　XOZ平面轉子軸線位置示意圖

設第1層葉片圓心A0與第6層葉片圓心F0在XOZ平面內坐標為A0（x1，z1）、F0（x6，z6）。因為點A0、F0為第1、第6加工層圓心，所以線段A0F0為轉子實際軸線，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機床刀具沿轉子軸線方向行程較小，與裝夾造成的偏差相比較，加工時刀具沿轉子軸線方向移動造成X軸及Z軸方向的分量偏差變化較小，在此忽略不計。

計算圓心A0坐標，應用之前所述測量方法可得到轉子最大偏心距y0及偏移角度x0，可得方程組

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

（2）各葉片層圓心的空間坐標變換：建立轉子軸線在XOZ平面投影的數學模型

由此轉子軸線數學模型可求出在線段A0F0上其他各加工層面圓心的坐標值，并可以矩陣形式表示。以第1層加工面圓心A0點為例，在XOZ平面的矩陣形式為

用T來表示二維齊次變換矩陣

對于渦輪轉子，有平移和旋轉兩種變換。

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

旋轉變換矩陣

式中，α為轉子毛坯旋轉角度。

渦輪轉子的空間坐標變換矩陣

設點A'為經平移旋轉變換后轉子加工平面圓心的坐標，由式（2）可知其計算過程為

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

圖5所示為上述轉子測量及坐標變換計算流程，利用傳感器輸出的位移信號擬合位移曲線，至少測量兩處加工層圓心，根據其位移曲線建立轉子軸線的數學模型，確定轉子空間位置，由于每一加工層圓心都在轉子軸線上，所以可通過變換矩陣計算出每層圓心偏差。

圖5　測量及計算流程圖

3. 實際加工算例

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

應用上述方法測量轉子裝夾偏差。在第1加工層A測量位置得到結果為：α0=56o，l0=52μm；在第2加工層B測量位置得到結果為：α0=300o，l0=52μm。

求第1層加工面圓心A0點坐標，將測量結果代入方程組

可確定第1層圓心A0點坐標為

A00：（x1z1）=（29.143.1）

同理可求出第6層圓心F0點坐標為

將兩加工面圓心A0、F0連接，A0F0為轉子的實際軸線，投影到機床的XOZ平面上（見圖4），轉子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。根據式（1）建立軸線A0F0在XOZ平面的數學模型

基于以上數學模型，轉子2、 3、4、5層加工面：圓心B0、C0、D0、E0初始坐標均可求出

B0點坐標b：（x2z2）=（28.4 22.4）

C0點坐標c：（x3z3）=（27.6 -0.4）

D0點坐標d：（x4z4）=（26.9 -16.7）

E0點坐標e：（x5z5）=（26.4 -33.1）

基于已求出的各圓心坐標可確定各加工平面的平移變換矩陣。由于機床定位精度為2μm，所以各加工平面圓心坐標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

求旋轉變換矩陣，由于渦輪轉子每層葉片個數不同，所以加工完一片葉片后，分度盤旋轉至下一加工位置的旋轉角度也不同，基于已知條件，可以計算出分度盤每次旋轉的角度

式中，α為分度盤旋轉角度；m為分度盤旋轉次數；n為加工層轉子葉片數。

利用之前所述方法可求出旋轉變換矩陣

根據式（3）可求出第1層加工平面圓心經一次旋轉的計算過程為

由計算結果可知，渦輪轉子第1加工層圓心經過分度盤一次旋轉后在XOZ平面上的坐標為（20，48），應用此種坐標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。

圖6所示為第1加工層面各加工位置x軸坐標及z軸坐標與機床分度盤旋轉角度的曲線關系，橫軸為分度盤旋轉角度，縱軸為偏移距離。

轉子第6層加工面有50片葉片，即加工時分度盤需旋轉50次。圖7所示為第6層各加工位置圓心x軸及z軸坐標與機床分度盤旋轉角度的曲線關系。

基于上述偏移圓心的坐標，利用編制的中間轉換器，一次性計算各加工位置的偏移量并修正原有數控加工程序，最終實現自尋位數控加工的目的。

4. 結語

硬鋁合金整體渦輪轉子是影響分子泵性能的關鍵部件，基于上述測量及坐標變換方法并配合中間轉換器可實現渦輪轉子的自尋位數控加工，從而減少工人操作經驗對轉子加工精度的影響，提高轉子產品的生產效率及批量穩定性，在生產中具有一定的實際意義。

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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）