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题 目： 涡旋压缩机定盘平面度测量系统设计
学 院： 机电学院 系 机械系
专 业： 机械设计制造及自动化
班 级： 机制085
学 号：
姓 名：
指导教师：
填表日期： 2012 年 1 月 18 日
目录
三、本课题研究内容 10
一、 选题的依据及意义：
1.1 课题的依据
课题来自导师的横向课题。
1.2 课题的意义
作为涡旋压缩机整体的一部分，涡旋压缩机定盘平面度的精度直接影响到涡旋压缩机的工作寿命、工作环境和效能。目前对平面度的检测所采取的一些传统检测手段存在着一定的问题,例如,测量时综合误差大,由于测量时数据的采点是手动完成的,必然带入一定的测量重复性误差;人工输入,检测精度低;计算多数采用手工计算,计算量比较繁琐,并且容易出现计算错误等;而最主要的问题是现在的平面度检测通常采用的是离线检测,在加工工序之间、加工完成后,将工件从加工中心上取下,利用其它检测设备进行检测,即加工与检测不在同一设备上进行,且二者不同步,先加工,后测量,这样会带来多次装卡、重复定位误差及增加辅助时间等问题。因此，设计一种系统能够在线测量涡旋压缩机定盘平面度已经成为涡旋压缩机发展必不可少的重要环节。
二、 国内外研究现状及发展趋势（含文献综述）：
测量方法：
根据要求所要达到的精度，选取几种常见且测量精度要求符合的测量方法，并进行比较。测量平面度的方法较多，传统的方法通常分为直接法和间接法两大类。直接法测量平面度，可直接获得被测面相对于测量基准的坐标值，主要有平板测微仪法、间隙法和液面法等。间接法实际上是通过测量被测平面上一系列特定截面的直线度，经过数据处理换算成同一评定标准上的平面度误差，常见的间接法有水平仪法和自准直仪法。
液面法测量平面度误差是基于连通器原理的测量方法。两个装满液体的金属容器相连即构成了连通器，把其中一个容器固定，作为参考液面，另一个容器按测量顺序依次放置在各测量点上，用测微仪测量固定容器液面的变化，即可得到各被测点相对基准水平面的高度差，继而拟合出平面度误差。水平仪和自准直仪法属于间接测量，测量过程分为两步，首先用水平仪、自准直仪以节距法测量被测表面预先拟定的若干截面上的直线度,然后再经数据处理转变为平面度误差。
以上三种方法由于测量仪器本身体积较大，不适合定盘等中小工件平面度的检测。
适用于测量中小工件平面度的检测方法主要有以下几种：
（1） 平板测微仪法。该法使用标准平板和测微仪进行测量，是工厂常用的工件平面度检测方法。被测表面向上,用三个可调支承将被测件支承在标准平板上,用测微仪(千分表或百分表)指示。调整可调支承,用三点法或四点法进行测量。三点法是在被测表面上选取相距尽量远的三个点,调整可调支承使这三点与标准平板等高；四点法是调整可调支承使两对角线与标准平板平行。然后由测微仪的指示表读出被测表面上各点的最大与最小读数的差值作为平面度误差值的测量结果。这种测量方法的优点是成本低廉，量具结构简单，便于携带。缺点则是对平面度的评定不符合最小条件,手工操作效率低，精度不高，工人长时间工作易疲劳。
（2） 电动量仪法。电动量仪可将被测几何量转换电信号再进行测量评定。常用的电动量仪主要有电感式，电容式等。电感测微仪法测工件平面度其实是对平板测微仪法的一种改进。它的先进之处在于用电感测微仪代替百分表、千分表等机械式指示表，并为测头配置保持架。这样方法相对于平板测微仪法精度有了很大的提高，且电感测微仪配合保持架使用提高了定位精度，工人的操作也较为方便。但是由于和百分表法采用相同的平面度评定原理，所以对平面度的评定也不够科学。电动量仪还存在测量精度易受材料性质和外界干扰等问题。
（3） 坐标测量机法。坐标测量机可分为传统的正交坐标测量机和近年来发展迅速的非正交坐标测量机。坐标测量机可实现平面度、圆度、直线度等多种形位误差的评定，被称为“几何量测量中心”。测量精度高且操作方便，但坐标测量机测平面度属于离线测量，不适用于定盘的在线检测。
（4） 光学方法。基于机器视觉原理的光学检测方法如激光准直扫射法是使一稳定的准直激光束沿一轴射向五角棱镜,当五角棱镜跟随回转轴系转动时,经棱镜折射后的光线扫射出一个基准光面。在被测平面上放置光电接收系统，它在被测面上以一定的测量顺序移动, 比较被测点与基准光面,得被测面上测点的高度变化量。此外，还有激光双光束扫描法，衍射平面基准法等测量方法。光学法具有非接触、精度高、速度快的特点，比较适合平面度的检测。但是光学测量系统价格昂贵、制造和维护的成本较高，并且对测量环境的要求较为苛刻。
（5） 气动测量方法。气动测量是以空气作为测量介质，利用空气流动时的特性进行几何量测量的测量方法。它属于非接触测量，具有测量精度高，抗电磁干扰能力强，应用范围广，测量效率高等优点，气动喷嘴可吹去被测工件表面油污和碎屑，有一定的自洁作用。气动测量方法成本较低，仅需更换不同结构尺寸的测头就能满足多种测量对象的测量需要，但对压缩空气的清洁度和气源压力的稳定程度要求较高，否则会引起气流参数的变化，影响到测量精度。
（6） 平晶干涉法。干涉法测量平面度误差,是把平晶放在它所能覆盖的整个被测平面上,用平晶工作面体现理想平面,根据测量时出现的干涉条纹形状和数目,由计算所得的结果作为平面度误差值。这种测量方法只适用于测量精研小平面及小光学元件。平晶干涉法测量小平面平面度误差，虽然符合GBll83一80定义的最小条件，但测定时较麻烦。而且这种测定一般要在计量室条件下才能进行。
（7） 机械用尺。机械用尺是直接使用千分表测量定盘平面度，根据千分表的工作原理，通过设计的测量系统移动千分表，可以直接对工件进行在线测量。该方法操作简单，可重复性大，测量迅速。
误差的分析及处理：
无论测量仪器多么精密，观测进行的多么仔细，测量结果总是存在着差异，彼此不相等。测量误差的来源与下列因素有关：基准件的误差、测量方法的误差、计量器具的误差、测量环境以及测量人员引起的误差。
任何基准都不可避免存在误差，当它作为基准时，其误差会带入测量值中。因此，在选择基准件时，一般都希望基准件的精度选高一些。但是，基准件的精度太高也不经济，在生产实践中一般取基准件的误差占总测量误差的1/5~1/3.
方法误差是指测量时选用的测量方法不完善而引起的误差。测量时，采用的测量方法不同，产生的测量误差也不一样。
计量器具的误差包括：1.理论误差；2.仪器制造和装配调整误差。
测量力引起的误差即在接触测量中，由于有测量力的存在，引起弹性变形。这种变形量不大，在普通测量中可以忽略不计，但在精密测量中就应当考虑。
对准误差对于接触测量，对准工件的工作主要决定于测量头的正确选择。对被测件为平面时，一般选球型侧头。
环境条件引起的误差包括温度、湿度、气压、振动以及灰尘等。这些因素中，温度最为主要，其余因素仅在精密测量时才考虑。温度变化造成机械加工的误差超过占全部加工误差的50%。因此在精密加工中,都要求采用补偿方式以最大限度地降低这种影响。
按照测量设备误差小于1/3倍的被测零件公差要求的设备能力基本原则,零件热变形量与设备系统误差之和必须小于1/3倍的被测零件要求公差 ,即( E变形+E设备)<1/3
原则一:当使用高精度测量机对公差要求很严格的零件进行测量时,如果零件尺寸超过300mm,必须将测量间温度严格控制在20±2℃范围内。否则必须对零件进行温度补偿。
原 则 二 :当 使 用 中 低 精 度 测 量 机 (如ROMER1024便携式测量机)对公差要求一般的零件进行测量时,如果零件尺寸超过1000mm,必须将时刻考虑温度补偿;如果温度高于28℃,则无论零件尺寸如何,必须进行温度补偿。
原则三:当使用很低精度的测量机(如ROMER1036便携式测量机)对公差要求很低的零件进行测量时,如果零件尺寸小于500mm而温度不是很高时,可以不考虑温度补偿。
温度补偿的方法
可以选择的两种补偿方式:
（1）标准长度杆方法
首先,在温度控制环境下使用标准的CMM测量机检测一个标准长度杆 ,长度杆的材料应该和被测零件的材料一致。检测完成后的长度杆的长度作为标准长度。在检查零件前,长度杆应在测量零件的环境中放置至少半小时。
(2)直接系数补偿方法
该方法可以使操作者按照温度补偿系数对被测零件进行补偿。选择X、Y和Z轴的比例系数。在键入三个相应的比例系数后,当前坐标系按照新的比例系数重新生成。这种方法操作相对比较简单,因此在实际测量中主要采用此种方法。
下面举例说明直接系数补偿方法的操作 :
假设:尺寸为1000mm×300mm×30mm的零件,测量环境温度为25℃
首先计算温度补偿系数,因为环境温度大于标准温度20℃,因此系数要大于1。
系数=1+(环境温度 标准温度)×膨胀
系 数=1+(25-20)× 0.00002351=1.00011755
分别键入对于X、Y、Z坐标轴的比例系数,完成了坐标系的温度补偿。
实施温度补偿时的注意事项
无论在何种条件下进行补偿或者不补偿,要保证在整个测量过程中的环境温度的相对恒定。尤其对于尺寸比较大的零件,其测量时间比较长,而测量结果对温度变化又比较敏感。因此,尺寸较大的零件测量时更应该注意测量过程中温度的相对恒定。根据零件尺寸和形状的不同,在零件内部可能存在明显的温度梯度差别,因此在测量之前必须彻底消除零件内部的这种温度差。对于从不同环境中运输来的零件,在零件进行测量前,要有最短半小时的温度适应期,使其温度恒定后再进行测量。在测量前对零件进行温度测定时,要在零件上最少3个不同的位置进行测量,以这3个温度值的平均值作为环境温度的最终值。
为确保温度在测量前后的恒定,对于环境、零件等温度的测量,应在测量前和测量后分别进行两次。在不能保证测量环境温度恒定的情况下,任何测量是没有意义的。
减小测量误差的途径：
1.弥补仪器缺陷是减小测量误差的重要途径。
由于仪器本身的缺陷带来测量误差,如零点偏离、刻度盘中心偏离、电阻丝不均匀等。为了减小测量误差,首先就得考虑弥补仪器的缺陷。以下有几种方法可供考虑，替代法、对称观测法、差值法、补偿法。
2. 减小测量不确定度的计算值是减小测量误差的有效途径。
三、 本课题研究内容
本课题研究对象是涡旋压缩机定盘，检测对象是定盘平面度，为了能实现在线检测的目的，应该做到：
1.对涡旋压缩机检测对象（即定盘）的分析及检测目标（即平面度）的细化。
2.拟定测量方案并进行比较，定出可行性测量。
3.设计电路以及检测机构。
4.对测量的数据进行数据处理并传出，对测量过程的控制。
四、 本课题研究方案
4.1涡旋压缩机的检测对象
我们对与本课题有关的涡旋压缩机检测对象进行下简单的介绍：
涡旋压缩机的定盘 检测定盘平面度就是为了让定盘和动盘契合的更好，减小涡旋压缩机的噪音，提高它工作的性能。设计要求中提到定盘平面度公差带为0.02，即定盘必须位于距离为公差值0.02mm的两平行平面内。
4.2 测量工具的选择
方法 | 测量速度 | 精确度 | 可重复性 | 是否易受干扰 | 是否在线 | 价格 |
平板测微仪法 | 慢 | 低 | 高 | 是 | 是 | 低 |
电动量仪法 | 中 | 中 | 高 | 是 | 是 | 中 |
坐标测量方法 | 快 | 高 | 高 | 否 | 否 | 高 |
光学方法 | 快 | 高 | 高 | 是 | 是 | 高 |
气动测量方法 | 快 | 高 | 高 | 是 | 是 | 中 |
平晶干涉法 | 慢 | 中 | 低 | 是 | 否 | 中 |
机械用尺 | 慢 | 中 | 高 | 否 | 是 | 低 |
方法的选取：
基于我们这个测量需要测量的值较多，如果需要传感器测量，传感器的总价比较昂贵，且生产流水线不需要过快的测量速度，所以我们以机械用尺使用千分表测量优选。
千分表的选择：
瑞士SYLVAC千分表选型
根据项目要求在瑞士这款产品中我们选择S-229。
S-229系列：
根据我们的要求我们选择S-229系列中的905.1303.其参数为：
其通信方面的资料如下：
数据传输参数：
数据传输格式：
通过这段话我们可以判定其数据是以ASCII码形式进行传输。
其数据连接线为OPTO转RS232或USB形式，数据以ASCII码形式传输。
多路器资料在附件中。
4.3 测量方案
方案一
方案一的装夹定位方案
如下图所示
1 两接触的侧面及底面定位
2 中心孔及底面定位
或中心孔及中心孔轴承端面定位
方案二
装夹定位方案：
方案的确定：
方案1中需要多次调整测量工件，累加误差较大，所以选用方案2。方案2定位方便，不需要重复定位，累加误差较少，测得的数据较多，有利于数据的运算。
4.4 检测系统，数据传输及运算处理
由单片机控制的测量原理图：
图3.4.1 单片机控制的测量原理图
用单片机将从测量元件传输过来的数据进行存贮、运算。
控制系统：
用单片机对气浮导轨测量时的顺序动作进行控制。
控制动作流程：
定盘置于检测台上准确定位；正确放置将工件进行装夹，摆放好后，按下测量按钮，气浮导轨带动
千分表运动，使测量元件与千分表接触。视读数稳
定后，按下数据输出按钮，将数据传给单片机进行运算，
数据传输完后按下结束按钮，各元件恢复到初始位置并
做好下一步的测量准备工作。
4.5 误差分析，计算及处理
用水平面法测量并评定平面度误差值的方法有四种:
1) 三点法 以实际被测要素上任意选定的三点所形成的平面作为评定基准,并以平行于基准平面的两包容平面之间的最小距离作为平面度误差值f .
2) 对角线法 以通过实际被测要素的一条对角线的两端点的连线,且平行于另一条对角线的两端点连线的平面作为评定基准,并以平行于此基准平面的两包容平面之间的最小距离作为平面度误差值f' .
3) 最小包容区域法 两平行包容平面与实际被测要素的接触状态,符合平面度误差判别法□中的三角形准则或交叉准则或直线准则时,此两平行平面之间的距离即为平面度误差值f'。
4) 最小二乘法 平面度误差的最小二乘评定法原理是测量结果的最可信赖值应在残余误差平方和为最小的条件下求出。平面度误差最小二乘法评定的关键在于根据测量采样点的数据拟合出最小二乘平面。取各测点相对于它的偏离值中的最大值
和最小值
之差
作为平面度的误差值。如果测点在理想平面之上，那么偏离值取正，反之，偏离值取负值，即
= 
-
。
1、交叉准则：被测平面上有两点与两个平行包容平面中的一个平面接触，还有两点与另一个平面接触，且前两点的连线与后两点的连线在空间交叉。
2、三角形准则：被测平面上有三点与两个平行包容平面中的一个平面接触，另外还有一个点与另一个平面接触，并且这个点的投影在上述三点构成的三角形内部或在这个三角形的一条边上。
3、直线准则：被测平面上有两点与两个平行包容平面中的一个平面接触，还有一点与另一平面接触，并且这个点可以投影在前两点连成的直线上。
三点法比较简单，但是不够精确而且结果不唯一。对角线法评定平面度误差具有唯一性，经济实用且较为方便，所以仍被实际测量所采用。用最小区域法评定的平面度误差值最小且唯一,它是最准确的评定结果。当平面度误差的评定结果有异议或精度要求较高时，应以最小区域法的评定结果为准。但最小区域法的数据处理较为繁琐，并且并不是所有测点坐标值经线性变换后都能满足交叉准则、三角形准则或直线准则。最小二乘法评定平面度误差其数据处理属于线性问题，从数理统计分析观点来看,能够准确地和充分地处理原始观测数据所提供的信息，较客观地评定平面度误差,可以方便地进行计算机编程，实现数据处理。
五.研究目标、主要特色及工作进度：
测量系统可完成流水线在线测量平面度的要求，主要包括：自动测量、测量数据自动显示和存储、平面度自动计算和显示，测量系统技术水平符合国家标准。
通过初步阅读涡旋压缩机、公差与测量、传感器技术、数据采集处理、人机工程学等相关资料，重点掌握涡旋压缩机装配生产各部件的关系，对定盘的尺寸进行数据的准确采集并做到智能化运算处理。
工作进度 共计十二周的时间
序号 | 各阶段工作内容 | 起讫日期 | 备注 |
1 | 阅读文献 | 2012.3.15 — 2012.3.21 | 1周 |
2 | 撰写文献综述 | 2012.3.22 — 2012.3.28 | 1周 |
3 | 撰写开题报告 | 2012.3.29 — 2012.4.04 | 1周 |
4 | 检测方案设计 | 2012.4.05 — 2012.5.02 | 4周 |
5 | 实验 | 2012.5.03 — 2012.5.16 | 2周 |
6 | 撰写学位论文 | 2012.5.17 — 2012.6.06 | 3周 |
六、参考文献：
[1]刘丽华，张琢，张善锺等 几种大平面平面度测量方法比较[J].
[2] 柴光远,周炯,田满洲等 平面度误差检测方法的研究[J].
[3]董晶晶 刹车片钢背产品平面度检测系统[J].
[4]刘荫青,郝晓明等 平面度误差测量的研究与实践[J].
[5]张俊玲 减小测量误差的测量方法研究[J].
