CN108036758A - 一种适用于航空发动机机匣同轴度检测和调整方法 - Google Patents
一种适用于航空发动机机匣同轴度检测和调整方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种适用于航空发动机机匣的同轴度检测和调整的方法，属于制造质量预测与控制领域。本方法先测量机匣各点相对于转台回转中心的位置坐标，再通过最小二乘法拟合与计算得到机匣位姿信息，以此测量和调整发动机机匣上各部件的同轴度。与一般回转轴线测量法不同，本方法允许机匣装夹存在偏移和倾斜，仅需不超出检测极限即可，以此减免人工的精确装夹和调整环节，降低了对工人的技术要求，提高效率。同时本方法简化了人工装表、多次装表。本方法在实施过程中通过计算机编程辅助，减免人工读表、记录、计算等工作，减少工人工作量，提高自动化程度，提升测量效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种适用于航空发动机机匣同轴度检测和调整的方法，属于制造质量预测与控制技术领域。
背景技术
大量科研和生产实践表明，航空发动机常常会因为同轴度不合格会引起发动机静、转子碰撞摩擦，从而引起振动，影响发动机工作。因此，同轴度测量对于保证发动机正常工作，提高发动机可靠性具有重要意义。
结合生产实际，在量产航空发动机装配流水线的环节中，需要对发动机机匣一端的轴承架进行同轴度检测和调整，现在采用的是回转轴线测量法。调整轴承架的方法是先测量并调整使机匣底端中心与旋转中心重合，再测量并调整使机匣基准轴线和转台表面垂直，最后测量并调整使轴承架与机匣同轴。
但现行方法存在许多问题需要解决，其主要问题是手动测量导致耗时久，效率低，影响后续装配，降低生产效率。尤其调整零件相对于测量转台的同心和垂直步骤，对工人技术水平要求高，耗时久。同时装表，读表，记录，计算均人工完成，自动化程度低，费人费力且效率低下。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种适用于航空发动机机匣的同轴度检测和调整方法，该方法能够解决现有技术中检测效率低下的问题，提高机匣同轴度调整和测量自动化程度和测量效率。
一种适用于航空发动机机匣的同轴度检测和调整方法，该检测和调整方法包括以下步骤：
步骤一：测量和采集机匣各被测点相对于转台回转中心的位置坐标数据；
步骤二：通过最小二乘法对位置坐标数据拟合并计算得到机匣各零件位姿信息；
步骤三：根据步骤二的零件位姿信息进行同轴度调整。
进一步地，所述步骤一中位置坐标数据的测量和采集过程如下：
将机匣装夹在回转测量台上，将三个以上的数字千分表(根据实际情况不同，表的数量可变，位移传感器类型可换)安装在固定位置后转动转台，当旋转到固定角度时(根据实际情况不同，圆拟合可用4个及以上测量角度，椭圆拟合可用5个及以上测量角度)记录数字千分表的数据；在一次数据采集过程中，共得到多个数字千分表在多个方向上采集的数据。
进一步地，所述步骤二中机匣各零件位姿信息包括：机匣上各测量截面中心点的坐标信息和拟合机匣基准轴线的位姿信息，通过判定各个被测截面中心点与基准轴线的位置关系，判断机匣和各零部件是否满足同轴度要求，如果不满足，给出偏移量信息。
进一步地，假定数字千分表为4个，千分表在水平面上对准转台中心轴线，并且假定一次测量中转台转到A、B、C、D、E、F这6个角度时记录千分表数据。4个数字千分表的高度分别为Z1、Z2、Z3、Z4，不装夹机匣时表压缩量为0时表头到基准轴线的距离分别为R1、R2、R3、R4。将机匣装夹在转台上，并将转台转动到E方向即240°方向时，4个表压缩量R1E′、R2E′、R3E′、R4E′，其它方向同理。4个表在6方向总计测得24个压缩量数据。
以转台面上旋转中心点为原点，A方向即0°方向为X轴，B和C方向中间的90°方向为Y轴，旋转中心轴线即过原点垂直于转台面的轴为Z轴。建立XYZ坐标系后，根据已知的Z1、Z2、Z3、Z4、R1、R2、R3、R4和测得的24个压缩量转化为分别求出24个被测点在该坐标系中的坐标值，E4到坐标系Z轴距离
R4E＝R4+R′4E
E4的X坐标值
X4E＝R4E×cos 240°
E4的Y坐标值
Y4E＝R4E×sin 240°
E4的Z坐标值即为Z4，可得E4(X4E,Y4E,Z4)，并以相同方法求出其他23个测量点坐标。
在得到24个点坐标后，需要用最小二乘法分别拟合4个截面的轮廓并求出中心坐标，以表4所测的截面4为例，取该截面上六个测点A4(X4A,Y4A,Z4)、B4(X4B,Y4B,Z4)、C4(X4C,Y4C,Z4)、D4(X4D,Y4D,Z4)、E4(X4E,Y4E,Z4)、F4(X4F,Y4F,Z4)。因六点在同一高度上，所以被测面中心Z坐标是Z4；可设平面椭圆方程
a4x2+b4xy+c4y2+d4x+e4y+f4＝0
根据通用的最小二乘法，可以根据六点坐标求出椭圆方程中a4、b4、c4、d4、e4、f4的值，再根据公式求出该截面中心坐标
可得中心坐标T4(X4,Y4,Z4)，同法可求所有被测截面中心坐标T1(X1,Y1,Z1)、T2(X2,Y2,Z2)、T3(X3,Y3,Z3)、T4(X4,Y4,Z4)；接着选择该四点对当机匣基准轴线进行拟合，同样使用最小二乘法。根据不同发动机的设计要求，可选择其中2个及2个以上中心点来拟合基准轴线，特别说明如果选择2点，计算所得是2点连线所在直线，设空间直线方程
设
求偏导
即求
解方程可得机匣基准轴线参数方程系数，根据空间点到直线距离公式可求出4点到直线距离r1、r2、r3、r4。当r1、r2、r3、r4分别小于同轴度要求值的一半d1、d2、d3、d4时，即4点在同轴度最小包容区域内，机匣及其零部件同轴度满足要求；
当某一ri大于同轴度要求值的一半时，即该点在同轴度最小包容区域外。令Z＝Zi带入直线方程求解直线上点Qi(Xqi,Yqi,Zi),比较Qi和被测面中心坐标Ti(Xi,Yi,Zi)，根据
可知在Z＝Zi的水平面上，Ti在Qi的θ方向上r0i处，至此，根据24个表压缩量经数据处理后得到各被测截面中心坐标、机匣基准轴线方程，从而判断同轴度是否合格，并在不合格时计算出装配不合格的被测零件的偏移量和偏移方向。
进一步地，所述步骤三中进行零件同轴度调整的过程如下：
机匣同轴度不满足要求时，旋转转台，使表打在数据处理结果显示的偏移方向上，一边使用工具在此方向上调整被测零件，一边观察表的数据变化；当压缩量变化约等于偏移方向时，调整完毕；为确保调整结果准确，应在调整后重新测量一次；根据实际情况，有时同轴度不合格且被测件无法继续调整时，应将机匣重新装配。
有益效果：
1)本发明公开的一种适用于航空发动机机匣的同轴度检测和调整的方法表位置固定，简化了人工装表、多次装表。若使用数字千分表，并与计算机连接，则免去了人工读表、记录、计算，减少了工人操作，提高了自动化程度。
2)本发明的测量方法可以得到装配体各零部件位姿信息，极大减小装夹误差对装配体同轴度检测的影响。此处装夹误差指将机匣装夹在转台上时，基准轴线和旋转轴线不重合引起的误差。与一般回转轴线测量法不同，本方法允许装夹时底面中心偏移，不需要精确地调机匣底面和转台旋转轴线同心。本方法允许装夹时机匣基准轴线有较大倾斜，不需要精确地调机匣基准轴线和转台底面垂直。本方法仅需通过工装装夹使得机匣偏移和倾斜不超出检测极限即可(即测量过程中，测量表不会超量程)，如此可简化甚至跳过每次装夹机匣的基准轴线调整环节，降低了对工人的技术要求，节省了时间，提高了效率。
3)本方法表位置固定，数据采集精确。本方法通过使用数学计算和最小二乘法拟合保证每个测量截面轮廓拟合的准确性和基准轴线拟合的准确性以及截面中心点与拟合直线空间位置关系的准确性，能够精确地提供同轴度判定和零部件调整参考，保证测量精度，达到测量目的。
附图说明
图1为本发明实施例的检测装置组成示意图。
图2为本发明的测量原理主视图；
图3为本发明的测量原理俯视图；
图4为被测机匣截面中心点和拟合基准轴线空间关系满足要求示意图；
图5为被测机匣截面中心点和拟合基准轴线空间关系不满足要求示意图。
其中，1-转台、2-夹具、3-被测机匣、4-横表架、5-加固表头、6-数字千分表、7-滑块、8-滑轨、9-可调横表架、10-定位盘、11-上套筒、12-竖表架、13-下套筒、14-立柱、15-回转测量台。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本发明提供了一种适用于航空发动机机匣的同轴度检测和调整的方法与一般回转轴线测量法不同，一般回转测量先通过测量和调整保证机匣基准轴线与转台旋转中心轴线重合，再通过测量零件跳动并进行数据处理判断发动机机匣各部件同轴度是否合格。而本方法是先在转台上建立坐标系，测量得到机匣各被测点在此坐标系中的坐标，再通过最小二乘法拟合计算得到机匣轮廓和位姿信息，以达到测量和调整同轴度的目的。而得到各点坐标需要在每次测量时表都处于固定位置，如此便可在拟合和计算中直接带入千分表的坐标和表压缩量。为了实现检测，可以用一套机械装置保证表的定位精度。为描述具体实施方式，本发明提供一种可行但非唯一的机械装置模型。同时为了体现该方法的自动化程度，采用数字千分表和光电开关与电脑相连的方法实现采集数据、处理数据、显示结果等工作。此计算机编程基于MATLAB的DAQ数据采集工作箱、GUI界面及其它相关模块。
本方法提供的机械装置如图1，将立柱14安装在回转测量台15上，将数字千分表6安装在表架上，竖表架12与立柱14通过轴承和上套筒11、下套筒13相连接，竖表架12通过上套筒11和下套筒13绕立柱14旋转，立柱顶端用圆柱销和螺钉固连一个布有一圈定位孔的定位盘10。测量时可用自锁式弹簧分度销使其与上套筒11定位锁紧，装夹、拆除机匣3时，可拔开销子，移开表架防止损伤表头。且表架的横表架4与竖表架12间用压盖和螺钉紧固，中间两孔为调整用的压紧螺钉孔，连接处内部用垫片微调表的位置，保证加固表头5对准转台旋转中心；竖表架的最上端安装可调横表架9，可调横表架9的前端安装滑轨8，滑块7与滑轨8配合并固定,。在测量设备投入使用前可用标准件进行严格要求安装来调整表的位置。除此之外，在转台附近安装U型槽光电开关，在回转测量台15边缘固定六个挡片并标明角度，用来在特定角度触发光电开关使电脑记录此位置各数字千分表的压缩量。
同时为模拟测量过程中的最小二乘拟合过程，现给出一组模拟测量数据，包含了由24个表压缩量转化成三坐标后的坐标数组。该组数据的获得方法是，先设一条空间直线
并取四个点作为被测截面中心，分别以4点画4个形状位姿均不同的椭圆或者圆，再在0°、60°、120°、180°、240°、300°六个方向取4个截面的24个点坐标如表1。
表1被测点坐标
本方法具体为：
步骤一，机匣装夹和准备工作：
松开定位销，转动表架移开数字千分表，再将机匣装夹在转台上的工装夹具上，再次转动表架将表移动到固定位置，使表头打在机匣被测面上并有一定压缩量，锁紧定位销使表架与立柱固连，最后操作计算机程序准备测量。
步骤二，数据采集和数据存储：
转台边缘上6个标明角度的挡片伸出一定距离，保证转台旋转过程中挡片能够遮住U型槽光电开关对射光线。数据采集开始，转动转台，6个挡片在转动过程中依次通过U型槽触发光电开关，光电开关总共发出6个开关量信号用数据采集卡转化为数字量被电脑接收，MATLAB程序收到信号后立即读取并读取记录此时4个数字千分表传输至电脑的表头压缩量数据。4个数字千分表，6次触发光电开关，总共得到24个跳动量，并以Excel表格形式存储。
如附图2和3所示，其中OO′是转台旋转中心线，O2O2′是机匣基准轴线。图中左侧黑点是表压缩量为0时的表头位置，右侧黑点是装夹机匣后有一定压缩量时的表头位置，即机匣上被测点。表高度为Z1、Z2、Z3、Z4，不装夹机匣时表压缩量为0时表头到OO′的距离分别为R1、R2、R3、R4，转到E方向即240°方向时表压缩量R1E′、R2E′、R3E′、R4E′。转动转台，当转台转到0°、60°、120°、180°、240°、300°时(根据实际情况不同，圆拟合可用4个及以上测量角度，椭圆拟合可用5个及以上测量角度)分别记录此时四个表压缩量。因转台旋转中心线固定，表位置固定，所以Z1、Z2、Z3、Z4以及R1、R2、R3、R4均固定且已知。在一次数据采集过程中，共得到四个表在六个方向上共24个表压缩量数据(压缩量数据数量＝表的数量×测量角度数量)。
步骤三，数据处理和结果显示：
数据处理的目的是计算机匣中各零部件测量截面中心点的坐标和拟合机匣基准轴线O2O2′的位姿，并且通过判定各中心点与机匣基准轴线O2O2′的位置关系，来判断机匣和各零部件是否满足同轴度要求，如果不满足，给出偏移量信息。
进行数据处理前需要建立XYZ坐标系，该坐标系以转台上旋转中心为原点，Z轴沿转台旋转中心OO′方向向上，X轴沿A方向即0°方向，根据右手坐标系特征可得Y轴方向。
建立坐标系后，根据已知的Z1、Z2、Z3、Z4、R11、R12、R13、R14和测得的24个压缩量转化为分别求出24个被测点在该坐标系中的坐标值，24点坐标值如表1。
在得到24个点坐标后，下一步需要用最小二乘法分别拟合4个截面的轮廓求出中心坐标T1(0.24000,0.620,40)、T2(0.280,0.740,80)、T3(0.600,1.700400)、T4(0.800,2.300,600)。
求出4个截面中心坐标后，对当机匣基准轴线O2O2′进行拟合，同样使用最小二乘法。求得空间直线方程
解方程可得机匣基准轴线参数方程。根据空间点到直线距离公式可求出4点到直线距离r1＝0.0000107、r2＝0.0000063、r3＝0.0000258、r4＝0.0000166。r1、r2、r3、r4均小于各被测面同轴度要求值d1＝0.02、d2＝0.15、d3＝0.03、d4＝0.02的一半(为了体现测量的灵活性，不同的被测面设定不同的同轴度要求。),机匣及其零部件同轴度满足要求,结果显示如图4所示。
当机匣及其零部件同轴度满足要求时，测量结束。当不满足时，例如图5所示,则进入下一步骤进行调整。其中图5的坐标数据是在图4所用的坐标数据基础上，利用计算机软件MATLAB给24个坐标每个坐标的X和Y值分别加上一个-0.05到0.05的随机数得来的，用来模拟实际生产中机匣装配或加工误差。
步骤四，实时显示和调整零件：
如果不满足同轴度要求，如图5所示，计算机会根据上一步计算出的各截面中心点和拟合基准轴线空间关系，显示出该不合格点相对于直线的距离和偏转角，以此作为调整机匣及其内部轴承架、轴承等零件的参考。根据计算机显示的偏移方向，旋转转台，使测量表打在需要调整零件的偏移方向上，如本例中截面3的304°，一边用工具沿着偏移方向微调，一边观察数字千分表显示屏上压缩量变化，当压缩量变化达到计算机给出的偏移量：
Δr＝0.0121-0.010＝0.0021mm
此次调整完毕。为保证调整后机匣及其内部零件同轴，此时应从步骤二开始重新测量，如此循环直到某次步骤三中计算机显示“合格”，此时测量结束。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种适用于航空发动机机匣的同轴度检测和调整方法，其特征在于，该检测和调整方法包括以下步骤：
步骤一：测量和采集机匣各被测点相对于转台回转中心的位置坐标数据；
步骤二：通过最小二乘法对位置坐标数据拟合并计算得到机匣各零件位姿信息；
步骤三：根据步骤二的零件位姿信息进行同轴度调整。
2.如权利要求1所述的适用于航空发动机机匣的同轴度检测和调整方法，其特征在于，所述步骤一中位置坐标数据的测量和采集过程如下：
将机匣装夹在回转测量台上，将三个以上的数字千分表安装在固定位置后转动转台，当旋转到固定角度时记录数字千分表的数据；在一次数据采集过程中，共得到多个数字千分表在多个方向上采集的数据。
3.如权利要求1所述的适用于航空发动机机匣的同轴度检测和调整方法，其特征在于，所述步骤二中机匣各零件位姿信息包括：机匣上各测量截面中心点的坐标信息和拟合机匣基准轴线的位姿信息，通过判定各个被测截面中心点与基准轴线的位置关系，判断机匣和各零部件是否满足同轴度要求，如果不满足，给出偏移量信息。
4.如权利要求2所述的适用于航空发动机机匣的同轴度检测和调整方法，其特征在于，假定数字千分表为4个，千分表在水平面上对准转台中心轴线，并且假定一次测量中转台转到A、B、C、D、E、F这6个角度时记录千分表数据。4个数字千分表的高度分别为Z1、Z2、Z3、Z4，不装夹机匣时表压缩量为0时表头到基准轴线的距离分别为R1、R2、R3、R4。将机匣装夹在转台上，并将转台转动到E方向即240°方向时，4个表压缩量分别为R1E′、R2E′、R3E′、R4E′，其它方向同理。4个表在6方向总计测得24个压缩量数据。
以转台面上旋转中心点为原点，A方向即0°方向为X轴，B和C方向中间的90°方向为Y轴，旋转中心轴线即过原点垂直于转台面的轴为Z轴。建立XYZ坐标系后，根据已知的Z1、Z2、Z3、Z4、R1、R2、R3、R4和测得的24个压缩量转化为分别求出24个被测点在该坐标系中的坐标值，E4到坐标系Z轴距离
R4E＝R4+R′4E
E4的X坐标值
X4E＝R4E×cos240°
E4的Y坐标值
Y4E＝R4E×sin240°
E4的Z坐标值即为Z4，可得E4(X4E，Y4E，Z4)，并以相同方法求出其他23个测量点坐标；
在得到24个点坐标后，需要用最小二乘法分别拟合4个截面的轮廓并求出中心坐标，以表4所测的截面4为例，取该截面上六个测点A4(X4A，Y4A，Z4)、B4(X4B，Y4B，Z4)、C4(X4C，Y4C，Z4)、D4(X4D，Y4D，Z4)、E4(X4E，Y4E，Z4)、F4(X4F，Y4F，Z4)；因六点在同一高度上，所以被测面中心Z坐标是Z4；可设平面椭圆方程
a4x2+b4xy+c4y2+d4x+e4y+f4＝0
根据通用的最小二乘法，可以根据六点坐标求出椭圆方程中α4、b4、c4、d4、e4、f4的值，再根据公式求出该截面中心坐标
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解方程可得机匣基准轴线参数方程系数，根据空间点到直线距离公式可求出4点到直线距离r1、r2、r3、r4，当r1、r2、r3、r4分别小于同轴度要求值的一半d1、d2、d3、d4时，即4点在同轴度最小包容区域内，机匣及其零部件同轴度满足要求；
当某一ri大于同轴度要求值的一半时，即该点在同轴度最小包容区域外。令Z＝Zi带入直线方程求解直线上点Qi(Xqi,Yqi,Zi),比较Qi和被测面中心坐标Ti(Xi,Yi,Zi)，根据
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5.如权利要求1所述的适用于航空发动机机匣的同轴度检测和调整方法，其特征在于，所述步骤三中进行零件同轴度调整的过程如下：
机匣同轴度不满足要求时，旋转转台，使表打在数据处理结果显示的偏移方向上，一边使用工具在此方向上调整被测零件，一边观察表的数据变化；当压缩量变化约等于偏移方向时，调整完毕；为确保调整结果准确，应在调整后重新测量一次；根据实际情况，有时同轴度不合格且被测件无法继续调整时，应将机匣重新装配。
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| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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