大型转子空间位置测量及自定位加工方法的研究

胡志勇，杨实禹，周文杰

（内蒙古工业大学 机械学院，内蒙古 呼和浩特 010051）

许多大型机电设备，如大型发电设备、重型机械、大型燃气轮机与航空设备等，其中转子类或大型回转类零件占有很大比重。此类设备关系到国防、能源、交通、环保等国计民生，是具有巨大发展前景的高技术领域[1]。

由于多数大型转子的结构复杂，形式多样，而且尺寸精度和位置精度要求很高，传统的加工工艺在前期加工装夹及找正，比较困难且用时较长，严重影响整体加工周期，阻碍了生产效率的提高。

本文提出一种适用于大型转子加工装夹精度检测及自定位加工方法。使用拉杆式直线位移传感器测量转子外圆，当转子实际装夹位置不与理想位置重合时，传感器探头产生位移，输出位移信号。将位移信号进行处理拟合成位移曲线，再很据曲线建立转子实际轴线位置数学模型，并计算转子各加工位置坐标[2]。当转子结构较为复杂、机床卡盘需多次旋转对转子多个面进行加工时，可用变换矩阵法计算转子旋转后各实际加工位置坐标[3]。再根据计算结果，修正原有数控程序，加工出符合图纸要求的工件，实现自动定位加工的目的。

1 大型转子的传统加工方法

目前大型转子数控加工的总工艺流程是：转子装夹→找正→基准加工→转子掉头找正→基准设置→转子余量检查→转子加工→转子掉头找正→剩余部分加工→轴颈加工。

以上列出的是大型转子数控加工的工艺流程，具体到每根转子，又因为结构与用途不同，而工艺细节有异。多数大型转子在数控机床上采用一夹一托方式，采用的找正方式与普通机床有较大差异，且难度较大[4]。

大型转子在机床上的找正过程为：先找正转子的中心高，再找转子外圆跳动，最后找转子左右偏斜，此过程要反复进行，最终达到找正目的。

2 大型转子测量及位置坐标计算

2.1 大型转子测量方法

由于转子是回转类零件，所以装夹时出现的相对于理想位置的偏斜角及偏移量，都属于空间位置变化，且大型转子的重量大体积大，一次装夹后不易对其进行找正调整（如图1）。现阶段采用传统加工模式加工大型转子时，用于装夹及找正的生产准备时间，在总生产时间中所占比例很大。

图1 大型转子加工装夹工位

结合实际条件及加工环境，笔者提出一种应用拉杆式直线位移传感器测量转子实际轴线位置的方法。将转子装夹在机床上，保持托架与卡盘水平。在转子两端选择距机床坐标系原点距离分别为L1与L2的A、B 两点为测量点并安装直线位移传感器（如图2）。

图2 转子毛坯测量位置简图

传感器测量头与转子外圆直接接触，控制卡盘带动转子缓慢匀速旋转一周，当转子实际位置与理想位置存在偏差时，测量头产生位移，传感器输出位移信号，将提取到的位移信息存储在寄存器中，再进行信号处理拟合成位移曲线（如图3）。

图3 位移曲线示意图

图3坐标系中，M轴表示传感器的位移距离，N轴表示大型转子毛坯旋转角度。由图可知，位移曲线波谷α0位置处，为转子毛坯最大偏心位置，所对应M轴上l0处的值，为转子实际装夹位置相对于转子理想装夹位置最大偏心距离。

2.2 转子位置坐标算法

转子是回转类零件，对转子进行铣削或车铣加工时，由于装夹不同心产生的加工误差，可看作在该位置转子实际轴线相对于理想轴线的偏心距。通过上述测量结果，可以建立转子轴线数学模型。

为方便观察，将A、B 两测量位置的转子横截面圆心a，b 投影至机床坐标系xz平面上。

图4 xz平面转子轴线位置示意图

设a，b 在机床坐标系中的坐标为

a：(x1，y1，z1)，

b：(x2，y2，z2)。

计算圆心a坐标，应用之前所述测量方法，可得到转子最大偏心距l0及偏移角度α0，可得方程组

解方程可求出(x1，z1)，并根据之前测量结果可知a点坐标为（x1，L1，z1）

同理，可求出测量点B 处圆心坐标b:（x2，L2，z2）通过a、b 两点的坐标，建立大型转子轴线数学模型

由此转子轴线数学模型，可求出转子实际轴线上任意一点坐标，即转子任意横截面圆心坐标。当转子机构比较复杂，需对多个平面进行加工时，机床卡盘需进行多次旋转。此时可通过初始坐标与变换矩阵相乘的算法，计算旋转后的各圆心坐标。以A 测量点圆心a为例，以矩阵形式表示a点坐标

用T 来表示三维变换矩阵

对于大型转子而言，存在平移与旋转两种变换。以A点测量位置为例，设T1表示平移变换矩阵，T2表示旋转变换矩阵。利用转子轴线数学模型求出A点位置横截面圆心坐标，可确定平移变换矩阵。

旋转变换分为绕坐标轴旋转变换和绕任意轴旋转变换，可分解成绕x轴旋转α角度的变换矩阵为T2x，绕y轴旋转β角度的变换矩阵为T2y，绕z轴旋转γ角度的变换矩阵为T2z，由于大型转子轴线较长，角α 与角γ 相对与卡盘绕y轴旋转角度β 较小，可忽略不计，所以可确定旋转变换矩阵为

设点a'为经平移旋转变换后转子加工平面圆心的坐标，其计算过程为

经计算，可求出此测量位置转子横截面圆心坐标。同理，可以基于此变换矩阵算法，求出转子毛坯实际轴线上任意点坐标。

根据计算结果，修正原有数控程序

x'，y'，z'为修正后转子数控加工代码坐标值。

3 大型转子自动定位加工流程

图5为大型转子装夹精度测量及自定位加工流程。针对大型转子加工环境及不易找正的现状，本文提出采用位移传感器安装后不动，控制卡盘旋转，测量转子外圆，当转子不处于理想加工位置时，测量头产生位移传感器输出位移信号。根据输出的信号拟合位移曲线，确定最大偏移角度及最大偏移量，并建立转子轴线数学模型。

图5 大型转子装夹精度测量及自定位加工流程图

由轴线数学模型确定平移变换矩阵，由旋转角度确定旋转变换矩阵，利用变换矩阵算法，计算转子轴线上任意点坐标，此坐标即是转子相对于理想位置的偏移坐标。将此结果直接输入计算机，修正原数控代码坐标值，加工出符合要求的工件，实现自定位加工效果[6]。

当转子结构复杂时，可反复计算多个平面及多个加工位置的偏移坐标。此过程可基于VB 或C++等高级编程语言，编写转换器实现计算偏移坐标及修正数控代码的自动运行。

4 计算实例

现有大型转子长L=9 742 mm，总质量t =100 t。

在转子毛坯上选择A、B 两测量点，L1=9 800 mm，L2=920 mm。

应用上述方法对其进行测量，得

yA0=82 μm，yB0=61 μm，xA0=56°，xB0=312°。

经过计算，可求出A、B 两测量点转子横截面圆心坐标

由a、b 两点坐标，建立转子轴线数学模型

在转子A 测量点位置需加工52个转子叶片槽，此加工过程转子卡盘需旋转52次，每次旋转6.9°。利用之前所述变换矩阵算法，可计算出转子每次旋转后A 处横截面圆心坐标，如：经过一次旋转后转子圆心坐标为

由于转子轴线方向偏差忽略，所以y轴坐标不变，根据此计算结果，可知卡盘经过一次旋转后原有数控坐标应修正为

图6为A点处x轴、z轴坐标与机床卡盘旋转角度的曲线关系，横轴为卡盘旋转角度，纵轴为偏移距离。利用此算法可求出转子任意位置偏移坐标，最终实现自定位加工。

图6 x轴y轴坐标变换曲线

5 结束语

本文提出了以加工工件为基准，通过测量转子位置，计算转子轴线坐标，修正原有数控程序，最终实现自动定位加工的新型数控加工方法，该方法可降低对大型转子的装夹要求，无需进行找正，简便易行，可大大节省加工准备时间，对提高生产效率具有一定实际意义。

[1]韩 雷.重型燃气轮机转子切削加工工艺与变形控制[D].上海:上海交通大学,2009.

[2]毛德柱，周 凯，张伯鹏，等.智能寻位加工技术应用研究[J].制造技术与机床，2000，（4）：42-44.

[3]周 凯，毛德柱，张伯鹏.自寻位数控机床的研究[J].机械工程学报，2001，37(5)：48-52.

[4]桂启志.转子数控加工方法分析[J].重型机械科技，2003，（4）：22-25.

[5]谭光宇，隋天中，于凤琴.机械CAD技术基础[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2005.

[6]杨 莉，胡占齐.数控加工中工件的自动定位[J].制造技术与机床，2001，（4）：23-25.