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螺杆空压机转子轮廓坐标测量与仿真研究

作　者: 陆长友
导　师: 赵前程；李鹏南
学　校: 湖南科技大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 转子型线 NURBS拟合补偿测头三坐标测量机
分类号: TH721
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

转子是螺杆空压机中的关键部件,转子质量的优劣直接决定了螺杆空压机的性能。转子型线是转子重要的几何参数,转子设计主要就是转子型线的设计,目前国内转子的设计水平与国际先进水平还有一定的差距,所以对高性能转子进行测量,并进行逆向设计对于快速提升我国的转子设计水平尤显重要。在加工制造领域,转子的质量检测也主要是针对转子型线的检测。目前在设计和制造领域,对转子型线的测量主要在三坐标测量机(CMM)上完成,由于转子型面是一个复杂的三维曲面,如何保证测量精度是一直都在研究的重要课题。对于三维曲面的测量可以采用非接触式坐标测量,避免接触式测量的测头半径补偿问题,但是目前非接触式测量精度仍然不高,无法满足转子测量要求。接触式高精度三维坐标测量的关键技术是测头半径补偿技术,这涉及到测量过程的参数选取、测头补偿算法等问题。针对这个问题,本论文阐述了转子型线坐标测量过程,论述了四点共球半径补偿方法的基本原理,仿真研究了测头半径、采样曲线间距和截面采样密度等参数对测量结果的影响。主要研究内容如下:(1)转子轮廓坐标数据的获取:采用接触式触发点动和扫描测量方式对转子轮廓进行了实际采样;运用滤波方法对采样数据进行预处理;采用商用的半径补偿软件对测头半径进行补偿,大致获得了转子离散化的型线坐标点。实际测量的型线将作为后续研究的参考型线来优化选取测量参数,并对所设计的半径补偿算法等进行精度评价。(2)转子型线坐标的NURBS曲线拟合:阐述了NURBS曲线拟合的基本原理和方法,编写了NURBS曲线拟合程序,获得了参考型线和仿真测量型线的NURBS曲线,并计算了曲线的法矢量。(3)仿真测量与评价:由参考型线坐标仿真计算了测量时的测头球心坐标,基于四点共球法进行了测头的半径补偿,获得了仿真测量型线的坐标点,并进行了型线坐标点的NURBS曲线拟合。将仿真测量得到的NURBS曲线与参考NURBS曲线进行最佳匹配,对测量过程的参数选取的合理性和补偿算法的可行性进行了评价。本论文通过仿真测量和数据处理对测量精度进行评价的思路和方法为转子高精度测量的精度分析提供了一个有价值的参考。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-10
第一章绪论  10-16
  1.1 引言  10-11
  1.2 三坐标测量机(CMM)高精度测量技术  11-12
  1.3 三坐标测量机测头半径补偿的国内外研究动态  12-14
    1.3.1 二维补偿方法  13-14
    1.3.2 三维补偿方法  14
  1.4 课题来源与主要研究内容  14-16
第二章螺杆空压机转子型线坐标值的获取及数据处理  16-27
  2.1 转子的几何参数  16-18
  2.2 转子型线坐标测量实验方案  18-24
    2.2.1 转子型线坐标测量需注意的若干问题  18-19
    2.2.2 转子型线坐标测量的坐标系建立  19-20
    2.2.3 转子型线坐标测量的参数选取  20-21
    2.2.4 转子型线坐标测量过程  21-24
  2.3 转子测量数据处理  24-26
    2.3.1 异常点处理  24-25
    2.3.2 数据平滑滤波  25-26
    2.3.3 确定一个转子齿曲型线  26
  2.4 本章小结  26-27
第三章转子型线的 NURBS 拟合  27-37
  3.1 螺杆空压机转子型线的 NURBS 曲线拟合的优缺点  27-28
  3.2 NURBS 曲线拟合算法  28-32
    3.2.1 NURBS 曲线定义  29
    3.2.2 权因子的几何意义  29-30
    3.2.3 节点矢量的确定  30-31
    3.2.4 控制顶点权因子的反算  31
    3.2.5 控制顶点的反算  31-32
  3.3 NURBS 曲线的导矢及等距曲线  32-35
    3.3.1 NURBS 导矢计算  33-34
    3.3.2 NURBS 曲线的等距曲线  34-35
  3.4 转子型线坐标的NURBS 算法仿真  35-36
    3.4.1 型线坐标的NURBS 插值拟合  35-36
    3.4.2 转子型线的NURBS 一阶求导及等距曲线计算  36
  3.5 本章小结  36-37
第四章转子测量测头补偿理论分析  37-44
  4.1 三坐标测量机测头半径补偿常用方法  37-40
  4.2 四点共球测头半径补偿  40-43
    4.2.1 四点共球测头半径补偿过程  40-41
    4.2.2 四点共球测头半径补偿方向的确定  41-43
  4.3 本章小结  43-44
第五章转子型线仿真测量与评价研究  44-64
  5.1 仿真及评价过程  44-45
  5.2 转子型线仿真测量  45-55
    5.2.1 转子表面的网格化  45-47
    5.2.2 测头球心坐标获取  47-49
    5.2.3 测头半径补偿  49-54
    5.2.4 接触点的共z 处理  54-55
  5.3 仿真测量的评价  55-63
    5.3.1 仿真测量评价理论  55-61
    5.3.2 转子型线仿真测量误差评价  61-63
  5.4 本章小结  63-64
第六章总结和展望  64-66
  6.1 总结  64
  6.2 展望  64-66
参考文献  66-68
致谢  68-70
附录 A：实验数据  70-74
附录 B：仿真与评价程序  74-93
附录 C：实验现场  93-94
附录 D：攻读硕士学位期间发表的学术论文  94

螺杆空压机转子轮廓坐标测量与仿真研究

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