介紹了羅茨真空泵轉(zhuǎn)子型線的設(shè)計(jì)及其對(duì)羅茨真空泵性能的影響，并介紹了羅茨真空泵轉(zhuǎn)子型線的三坐標(biāo)測(cè)量方法，在此基礎(chǔ)上詳細(xì)說明如何結(jié)合計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件AutoCAD對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行處理。

　　羅茨真空泵屬于高效節(jié)能的機(jī)電產(chǎn)品， 在國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)部門得到了日益廣泛的應(yīng)用。由于具有無油、節(jié)能、振動(dòng)小、體積小、起動(dòng)快、維護(hù)費(fèi)用低等突出優(yōu)點(diǎn)，羅茨真空泵在未來仍將具有相當(dāng)強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)能力。隨著基礎(chǔ)工業(yè)的發(fā)展及設(shè)計(jì)理念的不斷創(chuàng)新， 羅茨真空泵的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工作性能均取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。早期的羅茨真空泵必須依賴前級(jí)真空泵運(yùn)行， 而如今已制造出能夠直接排大氣運(yùn)行的氣冷式羅茨真空泵和濕式羅茨真空泵，級(jí)數(shù)也由單級(jí)發(fā)展成為雙級(jí)、多級(jí)，轉(zhuǎn)子型線也由雙葉發(fā)展成為寬頭雙葉、多葉，羅茨真空泵產(chǎn)品正朝著高性能、多樣化的方向發(fā)展。

　　在羅茨真空泵的整體設(shè)計(jì)中， 轉(zhuǎn)子型線設(shè)計(jì)是關(guān)鍵，其決定了泵的零流量壓縮比、最大允許壓差、容積利用系數(shù)等重要指標(biāo)。中真空羅茨真空泵由于工作壓力較低，分子平均自由程較長(zhǎng)，分子返流較少，因此密封設(shè)計(jì)要求相對(duì)較低，一般采用雙葉形轉(zhuǎn)子型線；氣冷式及濕式羅茨真空泵由于工作壓力較高， 分子平均自由程較短，分子返流較多，密封設(shè)計(jì)要求較高，一般采用寬頭雙葉形及多葉形轉(zhuǎn)子型線， 其原理均是改變羅茨真空泵相鄰兩葉間密封角h 為180°的情況，以獲得較佳的密封效果及返冷氣相位。為獲得更低的噪聲及振動(dòng)性能， 羅茨真空泵的轉(zhuǎn)子也被設(shè)計(jì)成軸向扭轉(zhuǎn)的形式。

1、羅茨真空泵轉(zhuǎn)子型線設(shè)計(jì)

　　隨著設(shè)計(jì)理念的不斷更新， 羅茨真空泵型線設(shè)計(jì)的重點(diǎn)轉(zhuǎn)向了如下幾個(gè)方面：

　　1) 獲取更大的容積利用系數(shù)；

　　2) 獲得更有效的密封效果，采用盡量小的嚙合間隙；

　　3) 降低噪聲，尤其是直接排大氣工作時(shí)的噪聲。

　　隨著先進(jìn)的加工中心、多軸聯(lián)動(dòng)(5 軸以上)數(shù)控機(jī)床、數(shù)控刀具的逐漸普及，轉(zhuǎn)子的可加工性設(shè)計(jì)要求已經(jīng)大大降低。隨著伺服控制和傳感器技術(shù)的進(jìn)步，在數(shù)控系統(tǒng)的控制下，機(jī)床可以執(zhí)行亞微米級(jí)的精確運(yùn)動(dòng)，在加工精度方面，近10 年來，普通級(jí)數(shù)控機(jī)床已由10μm 提高到5 μm，轉(zhuǎn)子的加工難度已經(jīng)大大降低。

　　羅茨真空泵轉(zhuǎn)子型線一般由數(shù)段線條組合而成，理論上可以是直線或者任何曲線， 目前的設(shè)計(jì)方案一般采用圓弧、漸開線及擺線作為曲線段相互配合構(gòu)成共軛曲線，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子的正常嚙合，為了尋求較大的性能突破，正在研究開發(fā)更多的曲線種類及曲線組合。容積利用系數(shù)是轉(zhuǎn)子型線設(shè)計(jì)的重要指標(biāo)，容積利用系數(shù)值與泵理論抽速值成正比關(guān)系， 即在中心距和頂圓直徑相同的情況下，轉(zhuǎn)子本身所占體積越小，容積利用系數(shù)值就越大， 從而泵理論抽速值成正比提高。相較而言，容積利用系數(shù)高的轉(zhuǎn)子頂圓直徑齒寬比高，轉(zhuǎn)子顯得較為“狹長(zhǎng)”。容積利用系數(shù)值與型線構(gòu)成樣式及型線頂圓直徑節(jié)圓比息息相關(guān)， 在所有的型線構(gòu)成樣式中， 圓弧齒型及漸開線型轉(zhuǎn)子容積利用系數(shù)較高。受制于材料強(qiáng)度，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方案中常犧牲一定的容積利用系數(shù)值來保證轉(zhuǎn)子強(qiáng)度。隨著材料科學(xué)的不斷進(jìn)步和設(shè)計(jì)理念的更新， 轉(zhuǎn)子的容積利用系數(shù)將會(huì)逐漸提高， 一方面材料強(qiáng)度的提高會(huì)允許減少轉(zhuǎn)子最小斷面厚度， 另一方面提高容積利用系數(shù)可以顯著縮短轉(zhuǎn)子軸向長(zhǎng)度，從而減輕轉(zhuǎn)子重量，增加軸向剛度，節(jié)省材料。

　　嚙合間隙是轉(zhuǎn)子型線設(shè)計(jì)的主要指標(biāo)， 由于加工誤差、作用力引起的變形及轉(zhuǎn)子運(yùn)行時(shí)熱膨脹的存在，羅茨真空泵必須選取一定的轉(zhuǎn)子嚙合間隙以避免工作時(shí)發(fā)生轉(zhuǎn)子干涉。嚙合間隙的大小對(duì)羅茨真空泵的零流量壓縮比、最大允許壓差指標(biāo)影響極大，羅茨真空泵存在一定的“內(nèi)泄漏”現(xiàn)象，由于間隙的存在，造成氣體通過嚙合間隙從高壓側(cè)往低壓側(cè)“返流”，且返流流量隨著間隙、壓力及壓力比的增加而增加。由于返流氣體壓力較高，返流后與羅茨泵入口氣體混合，導(dǎo)致羅茨泵入口壓力升高，根據(jù)容積真空泵抽氣速率計(jì)算公式：S=Q/P(式中S 為抽速，Q 為氣體流量，P 為泵入口壓力)，抽速S 與入口壓力P 成反比關(guān)系，因此測(cè)得的羅茨真空泵的實(shí)際抽速會(huì)降低，同理，返流氣體對(duì)羅茨真空泵的零流量壓縮比指標(biāo)也有很大的影響。根據(jù)實(shí)際測(cè)試， 僅僅將一個(gè)轉(zhuǎn)子的頂圓直徑減少0.1mm，ZJP2500 羅茨真空泵在中真空段的抽氣速率就下降了7%。經(jīng)過我公司對(duì)用戶返修泵的實(shí)際測(cè)試，由于磨損及腐蝕造成間隙變大后， 測(cè)得的實(shí)際抽速甚至只有理論抽速的50%，將此泵裝配成機(jī)組后，極限壓力只能達(dá)到130 Pa，而在同樣的工藝系統(tǒng)中，新的同樣配置的機(jī)組極限壓力就可以達(dá)到6 Pa。

　　嚙合間隙決定了內(nèi)泄漏的大小， 因此羅茨真空泵的嚙合間隙控制非常關(guān)鍵， 如何保持泵運(yùn)行過程中嚙合間隙合理、均勻成為型線設(shè)計(jì)的重要任務(wù)。羅茨真空泵的嚙合間隙不能過于放大或者縮小， 如果嚙合間隙放得過大，會(huì)造成零流量壓縮比指標(biāo)、抽氣速率急劇下降；如果嚙合間隙過于縮小，雖然零流量壓縮比、抽氣速率指標(biāo)較好，但是最大允許壓差指標(biāo)會(huì)嚴(yán)重惡化，轉(zhuǎn)子在實(shí)際運(yùn)行時(shí)會(huì)很容易卡死。

　　除增減嚙合間隙的方法外， 型線設(shè)計(jì)時(shí)也努力將密封形式由線密封轉(zhuǎn)為面密封從而改善密封效果，或者設(shè)法將密封距離延長(zhǎng)。如圖1 所示，圖(a)示意的是早期設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)子頭部，采用了圓弧與泵體配合密封，為線密封，圖(b)示意的是改進(jìn)設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)子頭部與泵體的密封，它在圖(a)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上增加了與泵腔內(nèi)徑一致的一段圓弧與泵體配合密封， 為面密封， 使密封效果改善。設(shè)計(jì)師也努力尋求合適的方式降低排氣氣流溫度或者降低轉(zhuǎn)子的熱膨脹伸長(zhǎng)量，減小所需的補(bǔ)償間隙。轉(zhuǎn)子型線設(shè)計(jì)對(duì)噪聲指標(biāo)的影響也較大， 羅茨真空泵直接排大氣工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大的噪聲， 其特性與羅茨鼓風(fēng)機(jī)的噪聲特性非常類似， 在高壓差條件運(yùn)行時(shí)， 出口側(cè)的氣體必然會(huì)通過嚙合間隙向進(jìn)口側(cè)返流并不斷撞擊高速運(yùn)轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子，產(chǎn)生逆流壓縮，根據(jù)聲波的“堆集”理論，由于真空狀態(tài)下的排出氣體較少，聲波來不及傳播出去而形成聲波的堆集， 聲能很快加強(qiáng)成強(qiáng)噪聲，所以噪聲很高。氣體逆流壓縮與壓力脈動(dòng)產(chǎn)生強(qiáng)烈的空氣沖擊動(dòng)力噪聲，氣體動(dòng)力噪聲很大，排氣氣動(dòng)噪聲、進(jìn)排氣氣體渦流噪聲再加上泵進(jìn)氣容積的亥姆霍茲共鳴三者結(jié)合疊加后造成噪聲值很高。根據(jù)實(shí)測(cè)， 氣冷式羅茨真空泵直排大氣時(shí)不帶消聲器的噪聲值可達(dá)120~140dB(A)。三葉型型線與二葉型型線相比，在噪聲指標(biāo)方面有優(yōu)勢(shì)，一方面三葉型型線將有效容積從兩等分變?yōu)槿�等分�?減少了單位氣流量及氣流壓力的脈動(dòng)， 另一方面排氣腔部分體積通過葉輪間隙回流到進(jìn)氣腔的氣體流量減少， 氣體的擾動(dòng)和氣體的脈動(dòng)壓力減小，從而降低噪聲強(qiáng)度。

　　為減少羅茨真空泵的本體噪聲， 設(shè)計(jì)師設(shè)計(jì)了扭葉型的轉(zhuǎn)子，圖2 為扭葉三葉型轉(zhuǎn)子的示意圖。這種結(jié)構(gòu)不僅可以進(jìn)一步擴(kuò)大真空泵的基元容積， 而且可以進(jìn)一步減小羅茨真空泵的噪聲。直葉型轉(zhuǎn)子的理論嚙合點(diǎn)曲線為一直線， 扭葉型轉(zhuǎn)子的理論嚙合點(diǎn)曲線為一空間曲線，扭葉型轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)子嚙合線距離較長(zhǎng)，可以加強(qiáng)密封，延緩回流過程，降低排氣脈動(dòng)的幅度及不均勻度；另一方面，由于扭葉形轉(zhuǎn)子的噪聲點(diǎn)排布曲線也同樣為一空間曲線，因此疊加后的噪聲頻譜也相對(duì)“雜亂” ，從而改善了噪聲特性。

2、羅茨真空泵轉(zhuǎn)子型線的三坐標(biāo)測(cè)量

　　在羅茨真空泵制造領(lǐng)域， 正在越來越多地設(shè)計(jì)出各種形式的轉(zhuǎn)子型線， 可是對(duì)應(yīng)的測(cè)量方法卻始終沒有很大改進(jìn)， 很多企業(yè)還在使用落后的靠模檢驗(yàn)法或特征點(diǎn)測(cè)量法，對(duì)轉(zhuǎn)子型線的制造質(zhì)量存在嚴(yán)重誤判、漏判。眾所周知，三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x具有測(cè)量速度快、測(cè)量精度高、測(cè)量結(jié)果直觀可視、一次編程多次測(cè)量、大大減輕操作人員工作強(qiáng)度的優(yōu)點(diǎn)。隨著市場(chǎng)對(duì)真空泵性能需求的提高， 生產(chǎn)企業(yè)對(duì)自身產(chǎn)品加工精度和測(cè)量精度要求的提高， 以及生產(chǎn)企業(yè)的技術(shù)力量和資金實(shí)力的不斷提升，三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x的使用勢(shì)在必然。對(duì)一個(gè)轉(zhuǎn)子必須先考慮如何測(cè)量， 對(duì)于不同形狀的轉(zhuǎn)子，應(yīng)該使用不同的安裝方法及不同的測(cè)量程序�，F(xiàn)以羅茨真空泵的轉(zhuǎn)子為例介紹三坐標(biāo)測(cè)量的方法與過程。

　　2.1、前期準(zhǔn)備工作

　　2.1.1、零件的固定

　　零件在測(cè)量之前必須先固定在測(cè)量臺(tái)上， 這樣既可以保證測(cè)量時(shí)，不會(huì)因振動(dòng)影響測(cè)量數(shù)據(jù)，也能保證每次測(cè)量時(shí)，不需要重新定位，讓程序自動(dòng)執(zhí)行，方便操作，節(jié)約時(shí)間。

　　1) 理想的固定方法。如圖3 所示，理想的情況下肯定會(huì)考慮將轉(zhuǎn)子按照下面的方向固定在三坐標(biāo)上，測(cè)量的曲面與測(cè)量桿成90°夾角。測(cè)量時(shí)測(cè)頭在同一個(gè)水平面內(nèi)移動(dòng)觸測(cè)零件。使用這種方法，可以很方便地測(cè)量轉(zhuǎn)子上全部的測(cè)量點(diǎn)。

　　2) 實(shí)際的固定方法。如圖4 所示，實(shí)際上轉(zhuǎn)子的加工工藝決定了必須安裝上轉(zhuǎn)子軸才能加工轉(zhuǎn)子，如果按照理想的轉(zhuǎn)子固定方法， 整個(gè)轉(zhuǎn)子的高度就可能超出三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x所能測(cè)量的范圍。所以只能將轉(zhuǎn)子平放在測(cè)量平面上，凹面朝上，防止測(cè)量頭與零件干涉碰撞。雖然轉(zhuǎn)子能夠放到測(cè)量平臺(tái)上，但是只能測(cè)量一半的曲線，在后期的數(shù)據(jù)處理時(shí)必須考慮這一點(diǎn)。

　　2.1.2、坐標(biāo)系的確立

　　直角坐標(biāo)系的Z 軸沿著轉(zhuǎn)子軸的方向， 坐標(biāo)原點(diǎn)落在轉(zhuǎn)子軸中心。X 軸為兩個(gè)平衡孔孔中心的連線。為了保證加工和測(cè)量使用相同的定位點(diǎn)， 平衡孔應(yīng)該是經(jīng)過仔細(xì)加工的定位孔。Y 軸為豎直向上。確定坐標(biāo)系是為了編程時(shí)有一個(gè)固定的方向，以及測(cè)量完畢后，可以得到一組便于處理的數(shù)據(jù)。

　　2.2、編程思路

　　可按以下流程編制程序：手動(dòng)選取定位特征→手動(dòng)建立坐標(biāo)系→自動(dòng)執(zhí)行→自動(dòng)選取定位特征→重新建立坐標(biāo)系→設(shè)定起始測(cè)量點(diǎn)坐標(biāo)、起始測(cè)量法向量、數(shù)據(jù)點(diǎn)的保存位置→(循環(huán)判斷開始→計(jì)算下一個(gè)點(diǎn)坐標(biāo)和法向量→根據(jù)計(jì)算出的點(diǎn)坐標(biāo)和法向量測(cè)量一次→根據(jù)測(cè)量出的點(diǎn)坐標(biāo)和法向量重新測(cè)量點(diǎn)坐標(biāo)和法向量→保存測(cè)量的點(diǎn)數(shù)據(jù)→如果沒有超出測(cè)量范圍繼續(xù)循環(huán))。注意保存成"x,y,z" 的格式， 以方便接下來用AutoCAD 調(diào)用顯示。

　　上述括號(hào)中的內(nèi)容用來測(cè)量曲線點(diǎn)， 有些軟件會(huì)將曲線掃描的功能集成為模塊賣給使用者， 這樣對(duì)于使用者來說編程會(huì)輕松一些。如何正確計(jì)算下一個(gè)點(diǎn)坐標(biāo)和法向量， 防止測(cè)頭與零件的無效碰撞是整段測(cè)量程序的關(guān)鍵。因?yàn)槭褂玫能浖�不同，測(cè)量程序也會(huì)不同。

　　2.3、測(cè)量方法

　　一旦測(cè)量程序調(diào)試正確后，就可以開始測(cè)量。因?yàn)闇y(cè)量過程是自動(dòng)的， 所以只需要測(cè)量人員先將零件按照預(yù)先安排好的位置固定好，手動(dòng)建立一個(gè)坐標(biāo)以后，三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x就會(huì)自動(dòng)測(cè)量并且將結(jié)果保存到相應(yīng)的文件中。有些測(cè)量軟件還會(huì)將測(cè)量的結(jié)果以圖形的形式顯示出來。另外，實(shí)際的安裝位置決定了只能測(cè)量一半的曲線數(shù)據(jù)，如果需要另一半的數(shù)據(jù)，就要將零件翻轉(zhuǎn)后再測(cè)量一遍。

　　2.4、測(cè)量結(jié)果的處理

　　測(cè)量結(jié)束以后還需要將測(cè)量所得的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，才能知道零件的加工誤差是多少。為了直觀顯示獲得的測(cè)量數(shù)據(jù)， 這里使用AutoCAD 附帶的AutoLISP 語(yǔ)言編寫一個(gè)簡(jiǎn)單的程序讀取點(diǎn)并且顯示。將下面的代碼保存為后綴名為lsp的文件。

　　然后將這個(gè)lsp 文件載入到AutoCAD 里， 在命令行里執(zhí)行l(wèi)oadpoints 命令，根據(jù)提示打開一個(gè)以dat 為后綴的數(shù)據(jù)點(diǎn)文件，數(shù)據(jù)點(diǎn)的保存格式應(yīng)該為：

　　x1,y1,z1

　　x2,y2,z2

　　x3,y3,z3

　　x4,y4,z4

　　...

　　所有的測(cè)量數(shù)據(jù)就顯示出來, 然后將理論值與測(cè)量值進(jìn)行比較即可得到任意一點(diǎn)的實(shí)際加工誤差。