一种激光检测螺杆转子端截形的方法
【专利摘要】一种激光检测螺杆转子端截形的方法，涉及螺杆转子的检测。利用激光位移传感器高精度、非接触式、寿命长的测量优势，使其沿着转子理论端截形运动以保持等距测量。建立螺杆转子转动坐标系与激光位移传感器移动平台所在坐标系的运动关系，计算出转子端截形各型值点的法向矢量，通过旋转螺杆转子避免了测量过程中被测点被其它轮廓遮挡的干涉现象以及被测点法向矢量与激光射出方向的夹角超出激光位移传感器可精确测量的角度范围的问题。可有效提高检测精度，获得螺杆转子端截形的高精度检测，亦可实用于螺旋面相对开阔产品的端截形测量。
【专利说明】一种激光检测螺杆转子端截形的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及螺杆转子的检测，尤其是涉及一种激光检测螺杆转子端截形的方法。【背景技术】
[0002]螺杆转子端面型线是螺杆转子的主要特征线，是螺杆制造的基础，因而对螺杆转子端面型线的测量是螺杆产品质量控制的关键。随着螺杆及其研究的发展，其转子端截面型线组成也越来越复杂，在保证精度的条件下对型线测量的难度也越来越大。对转子型线的检测方法之一是机械靠模([I]张正华.螺杆转子型线检测技术研究[D].江南大学.2008年6月)，其测量的关键取决于标准螺杆转子的制造精度，该方法适用于测量精度较低的螺杆转子。目前普遍采用三坐标测量仪(CMM)进行检测([2]石国荣，隋连香，查继红.螺旋曲面的数字化测量及数据处理技术[J].沈阳工业学院学报.2004,23(2):80-82)，按其接触方式可分为接触式和非接触式两类。接触式测量是采用测头直接接触转子表面获得转子型线坐标的方法，该检测方法可使螺杆在回转状态下，测量其全部尺寸、型线等的几何形状精度([3]叶晶.双螺杆压缩机转子型线检测与表达的研究[D].江南大学.2011年6月)。但与CMM设备相配套的检测软件操作复杂，对工作人员的操作技能要求很高；测头使用中易磨损导致测量精度降低、寿命低，针对大曲率型线的测量运动加速度变化大影响测量精度、故此检测精度方面也有待提高。而非接触式测量因为机械运动为三个直线轴，运动计算复杂，效率低，测量精度难以满足产品需求，以TDV-900为例其测量精度在0.02mm?
0.05mm，而螺杆转子属于精密制造产品，其精度要求上下偏差不超过0.01mm，因此目前企业普遍采用的是接触式测量设备。
【发明内容】
[0003]本发明的目的在于提供可满足丝级精度检测要求，能够精确获得螺杆转子端截面型线的精度，并且可通过沿Z轴移动和转动转子平台获得螺杆转子几何尺寸和任意其它位置端截形型线的精度，精确评估加工误差，测量结果为指导和提高螺杆转子加工精度提供可靠数据的一种激光检测螺杆转子端截形的方法。
[0004]本发明包括以下步骤:
[0005](I)建立螺杆转子坐标系，根据螺杆转子端截形方程计算出螺杆转子端面轮廓上的各型值点法向矢量，将理论型线的X坐标加上激光位移传感器的最佳测量距离L，得到螺杆转子端截形理论型线的平行曲线；
[0006](2)将激光位移传感器固定在可沿X、Y、Z三个方向移动的平台上，建立转子转动坐标系与激光位移传感器移动平台所在坐标系的运动关系，调整激光位移传感器使其相对被测螺杆处于最佳测量位置，并对测量起始位置进行归零标定；
[0007](3)对下一个被测型值点的法向矢量与激光射出方向(X方向)的夹角是否在激光位移传感器可准确测量角度范围(一 α, α)内以及是否会发生干涉进行判断，在夹角合理且无干涉的情况下移动，再通过Χ、Υ轴的联动，使激光位移传感器沿步骤(I)中预先计算好的螺杆转子端截形理论型线的平行曲线移动，且激光射出方向(记为X方向)与转子被测型值点法向矢量的夹角在激光位移传感器可准确测量角度范围(一 α，α )内；
[0008](4)当被测型值点法向矢量与X方向的夹角超出(一 α，α )，或者激光位移传感器发射的激光被其它轮廓挡住而发生干涉现象时，旋转螺杆转子使其转过角度α或一 α，保证两个激光射出方向与被测型值点法向矢量的夹角在角度(一 α, α)内且无干涉现象，再根据坐标变换原理计算旋转后的螺杆转子端面型线各型值点法向矢量，并相应地移动激光位移传感器，使激光位移传感器与被测点处于理论的标定距离继续进行检测，直到螺杆转子端面型线测量完成；
[0009](5 )将激光位移传感器沿Z轴移动到下一个需要检测的位置，重复步骤(3 )和(4 );
[0010](6)通过数据采集模块读取螺杆转子不同位置端面型线的测量值，将计算结果保存为可处理的数据；测量的最大值与最小值做差即为螺杆转子端截形的精度。
[0011 ] 在步骤(I)中，所述螺杆转子端截形方程包括各型值点参数和螺旋参数。
[0012]在步骤(2)中，所述激光位移传感器的激光射出方向平行于X轴；所述平台沿Χ、Υ方向联动用于检测螺杆转子端截形轮廓，平台沿Z方向移动用于检测螺杆转子不同位置的端面型线，所述移动的平台的移动精度高于Iym;所述起始位置的要求如下:激光位移传感器与被测型值点的距离为激光位移传感器的最佳测量长度L，并使被测点的法向矢量与激光射出方向(X方向)的夹角在激光位移传感器可准确测量的角度范围(一 α，α )内。
[0013]在步骤(4)中，所述坐标变换包括:a)螺杆转子端截形坐标系绕Ζ’做旋转α角度的旋转变换、b)移动平台上的激光位移传感器坐标做相应的平移变换、c)根据图形变换理论，计算出旋转后的剩余理论截形及各型值点的法向矢量。
[0014]本发明用于检测三维直角坐标系下螺杆转子端截形的加工精度，利用激光位移传感器高精度、非接触式、寿命长的测量优势，使其沿着转子理论端截形运动以保持等距测量。建立螺杆转子转动坐标系与激光位移传感器移动平台所在坐标系的运动关系，计算出转子端截形各型值点的法向矢量，通过旋转螺杆转子避免了测量过程中被测点被其它轮廓遮挡的干涉现象以及被测点法向矢量与激光射出方向的夹角超出激光位移传感器可精确测量的角度范围的问题。本发明可有效提高检测精度，获得螺杆转子端截形的高精度检测，亦可实用于螺旋面相对开阔产品的端截形测量。
[0015]本发明的有益效果如下:
[0016]1.测量面广。应用本发明可以有效并准确地获得螺杆转子任意端截面型线的加工精度，即可实现转子的节距、螺旋角或导程等几何尺寸加工精度的检测。该检测方法可以推广于螺旋面截形相对开阔产品的端截形测量。
[0017]2.测量精度高。由于测量过程中激光位移传感器与被测型值点的距离始终保持在丝级的变化范围内，激光位移传感器的测量精度可认为是测量的重复精度，一般都是高于微米级，其测量误差可忽略不计。本发明的测量误差主要来源于系统的控制误差，包括移动平台的移动误差、光栅误差等，这些误差在检测过程中无法避免，但可以有效控制在
0.0Olmm以下。在整个测量过程中，避免了要求螺杆转子与移动平台联动所造成的联动误差，避免了在后处理过程中要求对测量数据进行拼接处理而引起的拼接误差。故本发明具有极高的测量精度，理论上可达0.003?0.005mm。
[0018]3.精度评价方法简单。将测量值与标定O值进行比较，即可获得被测型值点的偏差，根据偏差的数值范围评定螺杆转子端截形的加工精度。
[0019]4.使用寿命长。由于采用了非接触式的激光位移传感器测量，使用寿命一般高于10年，避免了采用接触式测量时激光位移传感器易磨损、使用寿命低的缺陷。
【专利附图】
【附图说明】
[0020]图1为螺杆转子端截形检测模型。
[0021]图2为螺杆转子端截形测量原理。
[0022]在图1和2中，各标记为:
[0023]11-移动平台，12-激光位移传感器；
[0024]21-激光位移传感器，22-理论端截形的平行曲线，23-旋转后传感器移动轨迹，24-旋转后的理论端截形的平行曲线，25-调整前的端截形，26-调整后的端截形；
[0025]Θ-参变量。
【具体实施方式】
[0026]以下实施例将结合附图对本发明作详细说明。
[0027]本发明的直接应用方式是进行螺杆转子端面截形型线的检测。
[0028]步骤(I):如某已经加工完成的螺杆转子，建立螺杆转子坐标系，给出它的任意端截形方程为:
T0 = [X0(S)COS Θ -y0(s) sin θ ] i+[x0(s) sin Θ +y0(s)cos Θ ] j 土p Θ k或用坐标式表示为::)cos v?(s)sin
【权利要求】
1.一种激光检测螺杆转子端截形的方法，其特征在于包括以下步骤:(1)建立螺杆转子坐标系，根据螺杆转子端截形方程计算出螺杆转子端面轮廓上的各型值点法向矢量，将理论型线的X坐标加上激光位移传感器的最佳测量距离L，得到螺杆转子端截形理论型线的平行曲线；(2)将激光位移传感器固定在可沿X、Y、Z三个方向移动的平台上，建立转子转动坐标系与激光位移传感器移动平台所在坐标系的运动关系，调整激光位移传感器使其相对被测螺杆处于最佳测量位置，并对测量起始位置进行归零标定；(3)对下一个被测型值点的法向矢量与激光射出方向(X方向)的夹角是否在激光位移传感器可准确测量角度范围(一 α, α)内以及是否会发生干涉进行判断，在夹角合理且无干涉的情况下移动，再通过Χ、Υ轴的联动，使激光位移传感器沿步骤(I)中预先计算好的螺杆转子端截形理论型线的平行曲线移动，且激光射出方向(记为X方向)与转子被测型值点法向矢量的夹角在激光位移传感器可准确测量角度范围(一 α，α )内；(4)当被测型值点法向矢量与X方向的夹角超出(一α，α )，或者激光位移传感器发射的激光被其它轮廓挡住而发生干涉现象时，旋转螺杆转子使其转过角度α或一 α，保证两个激光射出方向与被测型值点法向矢量的夹角在角度(一 α, α)内且无干涉现象，再根据坐标变换原理计算旋转后的螺杆转子端面型线各型值点法向矢量，并相应地移动激光位移传感器，使激光位移传感器与被测点处于理论的标定距离继续进行检测，直到螺杆转子端面型线测量完成；(5)将激光位移传感器沿Z轴移动到下一个需要检测的位置，重复步骤(3)和(4)；(6)通过数据采集模块读取螺杆转子不同位置端面型线的测量值，将计算结果保存为可处理的数据；测量的最大值与最小值做差即为螺杆转子端截形的精度。
2.如权利要求1所述一种激光检测螺杆转子端截形的方法，其特征在于在步骤(I)中，所述螺杆转子端截形方程包括各型值点参数和螺旋参数。
3.如权利要求1一种激光检测螺杆转子端截形的方法，其特征在于在步骤(2)中，所述激光位移传感器的激光射出方向平行于X轴；所述平台沿X、Y方向联动用于检测螺杆转子端截形轮廓，平台沿Z方向移动用于检测螺杆转子不同位置的端面型线，所述移动的平台的移动精度高于I μ m。
4.如权利要求1一种激光检测螺杆转子端截形的方法，其特征在于在步骤(2)中，所述起始位置的要求如下:激光位移传感器与被测型值点的距离为激光位移传感器的最佳测量长度L，并使被测点的法向矢量与激光射出方向即X方向的夹角在激光位移传感器可准确测量的角度范围(一 α，α )内。
5.如权利要求1一种激光检测螺杆转子端截形的方法，其特征在于在步骤(4)中，所述坐标变换包括:a)螺杆转子端截形坐标系绕Ζ’做旋转α角度的旋转变换；b)移动平台上的激光位移传感器坐标做相应的平移变换；c)根据图形变换理论，计算出旋转后的剩余理论截形及各型值点的法向矢量。
【文档编号】G01B11/24GK103438828SQ201310365949
【公开日】2013年12月11日 申请日期:2013年8月20日 优先权日:2013年8月20日
【发明者】姚斌, 张祥雷, 张凌, 沈志煌 申请人:厦门大学