羅茨轉子的數(shù)字化加工裝備及其工藝研究

劉超英，黃 鵬，董克權，成紅英，李廷洪

（肇慶學院 電子信息與機電工程學院，廣東 肇慶 526061）

羅茨轉子的數(shù)字化加工裝備及其工藝研究

劉超英，黃 鵬，董克權，成紅英，李廷洪

（肇慶學院 電子信息與機電工程學院，廣東 肇慶 526061）

通過將普通絲杠改造為滾珠絲杠，以及加裝必要的數(shù)控電氣系統(tǒng)，實現(xiàn)了普通刨床到數(shù)控刨床的改造．改造后的刨床在加工羅茨真空轉子時，具有型線生成簡便、修改靈活的特點，并且可以在一臺刨床上完成羅茨轉子的粗加工和精加工工藝．系統(tǒng)在Windows環(huán)境下工作，整個設備操作簡單方便．

刨床；數(shù)字化改造；羅茨轉子；加工

0 引言

真空設備是現(xiàn)代電子器件、電鍍等制造行業(yè)的必備設備，真空設備的真空度對于提高后級產(chǎn)品的技術指標影響很大．羅茨真空泵得名于羅茨兄弟（Francis M．Roots和Philand H．Roots），而羅茨真空泵轉子是羅茨泵的關鍵零部件，其表面由幾條漸開線和幾個圓弧組成．轉子的弧面精度和光潔度直接影響羅茨真空泵的抽真空級等主要技術指標，因此這種轉子的弧面加工精度和表面光潔度都要求嚴格，用手工操作機床無法完成該零件的加工．鑒于此，有必要開發(fā)一種數(shù)字化控制的羅茨真空泵轉子加工系統(tǒng)[1]．

隨著機電一體化技術的發(fā)展，機械加工機床逐步實現(xiàn)了數(shù)控化．車、鏜、銑、鉆、磨、沖等加工機床目前都被現(xiàn)成的數(shù)控系統(tǒng)選用，而集多種加工功能于一體的加工中心也在廣泛使用上述機床．令人遺憾的是專用于刨床曲線加工的數(shù)控系統(tǒng)尚不多見，而具有CAD圖形識別和工藝自動編程的數(shù)控刨床系統(tǒng)尚未有報道．

1 系統(tǒng)硬件組成與改造

1．1 機械結構的改造

一般刨床的工作臺和刀架均由普通絲桿進行機械傳動，只能滿足普通刨削加工要求．由于其傳動精度較低，微量進給時存在爬行現(xiàn)象，機械結構改造的內(nèi)容主要是將普通絲杠改為高精度的滾珠絲杠．2個滾珠絲杠與減速器連接，通過減速器再與2個驅動電機連接．經(jīng)過這樣的改造，利用電機的正、反旋轉就可以控制工件的左、右運動及刀具的上、下運動．減速器除了具有提高控制運動精度的作用外，還具有增加驅動力的作用[2－3]．

工件運動精度的計算：絲杠采用直徑35 mm、螺距為5 mm的滾珠絲杠，絲杠長度為2 500 mm，減速器選用10:1的齒輪減速器，相當于電機每旋轉36°，工件移動0．05 mm，見圖1a．

刀具運動精度的計算：絲杠采用直徑25 mm、螺距為3 mm的滾珠絲杠，絲杠長度為500 mm,減速器選用10:1的齒輪減速器，相當于電機每旋轉36°，刀具移動0．03 mm，見圖1b．

圖1 改造后的水平驅動系統(tǒng)和垂直驅動系統(tǒng)

1．2 電氣子系統(tǒng)的構成

在普通機械刨床的基礎上，經(jīng)過對2個絲杠的改造，再加裝一定的數(shù)字化電氣控制系統(tǒng)，從硬件上就完成了整個系統(tǒng)的改造．目前比較成熟的數(shù)字控制系統(tǒng)可以采用PLC（可編程邏輯控制器），也可以采用工業(yè)控制計算機（簡稱工控機）．由于本系統(tǒng)對應的羅斯真空轉子加工數(shù)字的計算比較復雜，計算量也大，故選擇工控機為數(shù)控的主要部件．工控機屬于系統(tǒng)計算機，其操作界面友好，各種成熟的操作系統(tǒng)(如Windows)及科學計算軟件均可以安裝使用．

工控機并不能直接驅動電機，必須通過一定的電機驅動電路才能控制工件運動電機和刀具運動電機．在工控機內(nèi)部插入專用電機運動控制卡，控制卡選用研華科技公司的PCL－839＋，該卡具有2個獨立的控制通道，廣泛用于步進電機控制系統(tǒng)．從控制卡的2個通道各自輸出到對應的步進電機驅動器，電機驅動器再驅動電機．其中的一個電機M1用于水平方向的絲杠控制，另一個電機M2用于垂直方向的絲杠控制．

2 型線生成與加工

2．1 羅茨轉子型線

羅茨泵的關鍵零件是轉子，而轉子的關鍵是其型線．轉子橫截面的外輪廓線即為轉子的型線．泵工作時，轉子的表面之間不接觸．在不接觸的前提下，轉子之間的間隙要保持盡量小，因此，轉子的型線直接影響羅茨真空泵的市場競爭力．轉子的型線必須做成共軛曲線，在實際設計中選用轉子型線時，還應考慮如下條件：

1)泵轉子的容積利用系數(shù)要盡可能大，即轉子占的體積要小；

2)轉子應有良好的幾何對稱性，保證運轉平穩(wěn)、互換性好；

3)保證轉子要有足夠的強度；

如圖3所示，在9月的調(diào)查中，221名解戒人員，保持跟進（目前仍能持續(xù)聯(lián)絡以及知曉情況）為103人，失聯(lián)、拒絕跟進或親屬不清楚情況的有75人，43人已確定出現(xiàn)復吸。總體操守率為46.60%，其中實驗組共59人，29人遵操守，失聯(lián)14人，拒絕跟進1人，復吸15人，操守率為49%；對照組共162人，74人遵操守，失聯(lián)或親屬不清楚情況50人，拒絕跟進10人，復吸28人，操守率為45.68%。從數(shù)據(jù)可以看出，隨著解戒時間的推移，實驗組與對照組操守率較上次調(diào)查均有所下降，數(shù)據(jù)從原本差距較大變?yōu)榛鞠喈敗?/p>

4)轉子應容易加工，易得到較高的精度．

通常使用的轉子型線有圓弧齒形、漸開線齒形和擺線齒型等．近年來，由東北大學研究人員提出的“圓弧→漸開線→擺線”型轉子，其型線氣阻大，改善了泵在低壓下的性能，提高了泵的抽氣效率，得到較為廣泛的應用．隨著科技的發(fā)展，今后還會出現(xiàn)更新、更好的羅茨泵轉子型線，使羅茨泵的工作性能進一步提高．

典型的羅茨泵轉子截面如圖2所示．其型線在水平、豎直2個方向均對稱，其中AB、EF是以O為中心的2段圓弧，BC是以O1為中心的圓弧，DE是以O2為中心的圓弧，而CD是一段漸開線，其基圓圓心為O．型線上BB′段在刨床上完成加工．因為垂直對稱的關系，兩面的加工刀具軌跡相同．

圖2 羅茨泵轉子截面

2．2 型線代碼的生成

自動生成加工代碼實際上是代表刀尖位置的兩維（X與Y）數(shù)據(jù)組,單位為mm．按照設計型線再加上每次的刨削進給偏移量，就可以生成如表1所示（數(shù)組部分內(nèi)容）的刀具加工軌跡代碼．有2點需要說明：加工進給偏移量可以由人工設定；根據(jù)粗加工或精加工的不同，刀具切削的步長不同，生成的數(shù)組長度是不同的．粗加工對精度要求不高，步長可以大些，這時生成的數(shù)組長度短；精加工的步長則小些，生成的數(shù)組長度長．

2．3 轉子的加工

如果直接按照上面生成的刀具軌跡進行加工，在轉子加工的起始階段和結尾階段會出現(xiàn)較大的誤差．其主要原因是工件加工面幾乎與刀具成平行位置，由此出現(xiàn)刀具側面切削的情況．為此，有必要對加工軌跡進行補償，同時要求刀尖成圓弧形狀，同時還要對刀具形狀進行規(guī)定．圖4a是加工過程中刀具的行走軌跡，圖4b是實際加工過程中刀具與工件的位置圖．

表1 刀具加工軌跡（部分）

圖4 加工過程中工件與刀具相對位置圖

3 結束語

在傳統(tǒng)刨床的基礎上，經(jīng)過絲杠的改造和加裝數(shù)字化電氣系統(tǒng)，實現(xiàn)了刨床的數(shù)字化改造．通過羅茨真空轉子的加工，證明改造后的刨床具有如下特點：

1）自動化程度高，加工型線生成和改變靈活；

2）具有AutoCAD的圖形識別和工藝自動編程功能，操作簡單；

3）通過程序設定，可在一臺機器上同時完成粗加工和精加工過程．

[1] 劉坤,巴德純,常學森,等.圓弧包絡線在羅茨轉子型線設計中的應用[J].真空,2007（1）：14-17.

[2] 王鳳蘭,沙玉章.雙向刨削牛頭刨床的機構創(chuàng)新設計[J].機械設計,2007（1）：48-50.

[3] 賈兆誠.羅茨真空泵圓弧短幅外擺線等移距線型轉子的工藝性[J].真空科學與技術學報，1981（4）：38-40.

Study on the Numerical Manufacture Equipment and Manufacture Techenology of Roots Type Rotor

LIU Chaoying,HUANG Peng,DONG Kequan,CHENG Hongying，LI Tinghong

(College of Electronic Information and Mechantronic Engineering,Zhaoqing University,Zhaoqing,Guangdong 526001,China)

With replacing screw by ball screw and adding some essential numerical electric control subsystem,a numerical controlled planer was remolded from a normal planer.The processing profile was easily created and flexible for revising in this numerical planer when it was used for a roots type rotor manufacture.And it could finish the rough process and the fine process in one planer.The operation was simple and convenient under the Windows System.

planer;numerical remolding;roots type rotor;manufacture

TH112； TB752

A

1009－8445（2011）02－0028－04

（責任編輯：陳 靜）

2010－08－29

肇慶市產(chǎn)、學、研合作研究項目(2007G006)

劉超英（1960－），男，陜西三原人，肇慶學院電子信息與機電工程學院教授．