CN105423876B - 基于公差调控的大型高速回转装备装配测量方法及装置 - Google Patents

基于公差调控的大型高速回转装备装配测量方法及装置 Download PDF

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Abstract

基于公差调控的大型高速回转装备装配测量方法及装置属于机械装配技术；大型高速回转装备固定在气浮转台上，下侧的下、上径向基准电感传感器测量大型高速回转装备径向基准面，确定两基准面的拟合圆心，以此为大型高速回转装备的几何轴线，调节大型高速回转装备使几何轴线与气浮转台轴线重合，上侧的径向测量和轴向测量电感传感器提取大型高速回转装备测量面轮廓数据，基于矩阵的平移与旋转实现对装配后同轴度的控制；本发明可有效的实现装配指导功能，提高大型高速回转装备装配质量，减轻振动，改善大型高速回转装备性能。

Description

基于公差调控的大型高速回转装备装配测量方法及装置
技术领域
本发明属于机械装配技术，主要涉及一种基于公差调控的大型高速回转装备装配测量方法。
背景技术
大型高速回转装备为机械领域中重要的特征部件，在各种领域中均有广泛应用，如随着航空事业的不断发展，各种军用、民用飞机研发技术水平不断提升，对涡轮发动机性能的要求也不断提高。发动机在追求更高推重比的同时，也需尽量减小自身振动对发动机性能和飞行安全的影响。
发动机振动是影响飞机安全的一个重要因素，也是反映发动机性能的一项重要指标。发动机涡轮部件转速高、质量大，是发动机的一个主要振源。为了降低此影响，除了在发动机动平衡测试过程中加以消除，还必须严格控制其装配过程，因为发动机装配是动平衡的前一步骤，由装配不合理，主要是装配后多级转子的同轴度误差较大，导致振动在高速运转时会放大100至1000倍，装配时消除偏摆可以很大程度上减小动平衡的压力。所以，作为提升航空发动机性能的关键技术，航空发动机装配测试技术越来越受到重视，并且成为研究的热点。
普惠公司提出一种方案(Axial balancing clip weight for rotor assemblyand method for balancing a rotor assembly。美国专利公开号：US2011027085A1)，主要通过调节安装平衡配重夹解决燃气涡轮发动机的装配平衡问题，该安装平衡配重夹主要包括配重部分、第一级法兰接合部分和第二级法兰接合部分。该方法存在的问题在于：通过施加配重来调节转子平衡，并未改善转子初始的不平衡量。
西安航空动力股份有限公司提出一种航空发动机燃烧室机匣轴承座同轴度测量装置(航空发动机燃烧室机匣轴承座同轴度测量装置。公开号：CN102865802A)。该装置主要包括定位套筒、前滚针轴承、前挡环、后滚针轴承、后挡环、端盖、端盖螺钉、支架、支架螺钉和百分表组成。解决了机匣试验中机匣结构件轴承座、安装边等直径尺寸与发动机转子的同轴度和跳动量的测量难题，保证了发动机转子的动平衡精度。该装置存在的问题在于：测量精度较低，而且未从发动机转子出发解决转子装配平衡问题。
西安交通大学提出一种判定可拆卸盘鼓型转子装配可靠度的方法(一种判定可拆卸盘鼓型转子装配可靠度的方法，公开号：CN102967452A)。首先对可拆卸盘鼓型转子进行台架敲击试验，采集其动态响应信号并进行特征提取，构造每种装配状态的特征矩阵，然后建立各状态特征矩阵的正交子空间，计算基准状态与未知状态正交子空间基向量的主夹角，并定义一种判定可拆卸盘鼓型转子装配质量的指标——主夹角余弦值，作为可拆卸盘鼓型转子装配质量的可靠度。该方法存在的问题在于：只提出一种检测装配质量可靠度的方法，但并没有解决转子指导装配问题。
中国南方航空工业(集团)有限公司提出一种发动机装配装置及装配方法(发动机装配装置及装配方法，公开号：CN103591878A)。发动机装配装置包括底座，底座上设置有在水平面内可转动的转盘；固定杆，沿竖直方向设置在底座上；测量杆，与固定杆相连接并与底座平行设置。发动机前机匣与转盘同轴固定，然后沿竖直方向依次安装压气机、燃烧室、涡轮、后支撑；通过测量杆测量压气机、燃烧室、涡轮、后支撑与所述转盘的同轴度。沿竖直方向装配两端支撑结构的发动机，使其所有零件的中心轴线与转盘中心轴线同轴，保证两端支撑结构的发动机装配时零件中心轴线可检测并且同轴。该装置及方法存在的问题：只能在装配的时候进行检测，未能在装配前进行检测，进而提高装配效率。
发明内容
针对上述现有技术存在的不足，提出一种基于公差调控的大型高速回转装备装配测量方法，以解决大型高速回转装备装配同轴度低、装配质量差，振动大的问题，改善大型高速回转装备的性能。
本发明的目的是这样实现的：
一种基于公差调控的大型高速回转装备装配测量方法，基于公差调控的大型高速回转装备装配测量方法，其特征在于：
大型高速回转装备固定在气浮转台上，气浮转台提供回转测量基准，气浮转台径向回转误差为0.1μm-0.2μm，倾角回转误差为0.1″-0.2″；测量装置包括气浮转台及配装在气浮转台上端部上的大型高速回转装备，在大型高速回转装备的径向外侧部上从上至下依次配置径向测量电感传感器和上径向基准电感传感器，在大型高速回转装备的上端面上配置轴向测量电感传感器，在大型高速回转装备的径向外侧部上还配装下径向基准电感传感器，所述下径向基准电感传感器与上径向基准电感传感器相对于大型高速回转装备相差180°配置，且所述下径向基准电感传感器与上径向基准电感传感器的测量方向相互平行；在大型高速回转装备的高度位置上，所述下径向基准电感传感器位于上径向基准电感传感器的下方。
下径向基准电感传感器测量大型高速回转装备的下径向基准面用以确定圆心坐标，气浮转台转速为4-6r/min，采样点数为1000-1500个，记录数据及直角坐标图形，横坐标为角度，纵坐标为采样数据，依据下径向基准面的直角坐标图形调整被测装备的下径向基准面的偏心，上径向基准电感传感器测量大型高速回转装备的上径向基准面用以确定圆心坐标，气浮转台转速为4-6r/min，采样点数为1000-1500个，记录数据及直角坐标图形，横坐标为角度，纵坐标为采样数据，依据上径向基准面的直角坐标图形调整被测装备的上径向基准面的偏心，分别调节上和下径向基准面的圆心使其轴线与仪器主轴的回转轴线同轴；
径向测量电感传感器测量大型高速回转装备的径向测量面，记录数据，气浮转台转速为4-6r/min，采样点数为1000-1500个，采用基于最小条件原则的最小区域法评定拟合圆心；则大型高速回转装备的径向测量面的定位公差在装配中的偏心矩阵为Tecc，则偏心矩阵其中e为大型高速回转装备的径向测量面偏心，θe为大型高速回转装备的径向测量面偏心角，H为大型高速回转装备高度；
轴向测量电感传感器测量大型高速回转装备的轴向测量面，记录数据，气浮转台转速为4-6r/min，采样点数为1000-1500个，采用基于最小二乘法评定拟合平面，各采样点对应的拟合平面Z轴坐标为zi，则max{zi}-min{zi}为大型高速回转装备的轴向测量面垂直度，arctan((max{zi}-min{zi})/(2r))为大型高速回转装备的轴向测量面倾斜角，其中r为大型高速回转装备的轴向测量面半径；大型高速回转装备的轴向测量面的定向公差在装配中的倾斜矩阵为Ttilt，则倾斜矩阵其中θt为大型高速回转装备的轴向测量面倾斜角，θl为大型高速回转装备的轴向测量面的拟合平面最低点所在角度；
则n个装备的装配后圆心坐标的传递关系Tn为其中Tri，Tecci，Ttilti为i级装备的旋转矩阵，偏心矩阵和倾斜矩阵，其中Tr1＝E，Ttiltn＝E，旋转矩阵其中θri为i级大型高速回转装备的旋转角度；则装配后各级装备在X，Y轴方向的分量为其中ei为i级大型高速回转装备的径向测量面偏心，θei为i级大型高速回转装备的径向测量面偏心角，Hm为m级大型高速回转装备的高度，θri为i级大型高速回转装备的旋转角度，θli为大型高速回转装备的轴向测量面的拟合平面最低点所在角度，ri为i级大型高速回转装备的轴向测量面半径，hi为i级大型高速回转装备的轴向测量面垂直度；旋转各级大型高速回转装备的旋转角度，采用遗传算法实现全局搜索，找到最优旋转角度，因此大型高速回转装备装配后的同轴度为
与现有技术相比，本发明的特点是：
本发明采用基于位置公差传递控制，即通过分析单部件形位公差的传递过程，依据矩阵的平移与旋转实现装配后同轴度的预测，下径向基准电感传感器、上径向基准电感传感器、径向测量电感传感器和轴向测量电感传感器四个传感器一次性完成大型高速回转装备的基准与测量面的数据采集，提高了大型高速回转装备的装配质量和装配效率，降低了振动，改善了大型高速回转装备的性能。
附图说明
图1是大型高速回转装备装配同轴度测量装置结构示意图
图中件号：1—气浮转台，2—大型高速回转装备，3—下径向基准电感传感器，4—上径向基准电感传感器，5—径向测量电感传感器，6—轴向测量电感传感器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明实施方案作进一步详细描述：
一种基于公差调控的大型高速回转装备装配测量方法，所述方法是：大型高速回转装备2固定在气浮转台1上，气浮转台1提供回转测量基准，气浮转台径向回转误差为0.1μm-0.2μm，倾角回转误差为0.1″-0.2″；下径向基准电感传感器3测量大型高速回转装备2的下径向基准面用以确定圆心坐标，手动旋转气浮转台1，控制气浮转台1转速，使气浮转台1转速为4-6r/min，采样点数为1000-1500个，记录数据及直角坐标图形，横坐标为角度，纵坐标为采样数据，依据下径向基准面的直角坐标图形调整大型高速回转装备2的下径向基准面的偏心，调节规则是使下径向基准面的直角坐标图形波峰下调，下径向基准面的直角坐标图形波谷上调；上径向基准电感传感器4测量大型高速回转装备2的上径向基准面用以确定圆心坐标，手动旋转气浮转台1，控制气浮转台1转速，气浮转台1转速为4-6r/min，采样点数为1000-1500个，记录数据及直角坐标图形，横坐标为角度，纵坐标为采样数据，依据上径向基准面的直角坐标图形调整大型高速回转装备2的上径向基准面的偏心，调节规则是使上径向基准面的直角坐标图形波峰下调，上径向基准面的直角坐标图形波谷上调；分别调节上和下径向基准面的圆心使其轴线与仪器主轴的回转轴线同轴；径向测量电感传感器5测量大型高速回转装备2的径向测量面，记录数据，手动旋转气浮转台1，控制气浮转台1转速，气浮转台1转速为4-6r/min，采样点数为1000-1500个，采用基于最小条件原则的最小区域法评定拟合圆心，圆心坐标为(a,b)；令最小区域目标函数为F(a,b)，则使目标函数最小即为所求圆心坐标；Rmax，Rmin为从(a,b)到被测轮廓最远点和最近点的半径；xmax，xmax为与Rmax相对应的坐标；xmin，xmin为与Rmin相对应的坐标；则大型高速回转装备2的径向测量面的定位公差在装配中的偏心矩阵为Tecc，则偏心矩阵其中e为大型高速回转装备2的径向测量面偏心，θe为大型高速回转装备2的径向测量面偏心角，H为大型高速回转装备2高度；轴向测量电感传感器6测量大型高速回转装备2的轴向测量面，记录数据，手动旋转气浮转台1，控制气浮转台1转速，气浮转台1转速为4-6r/min，采样点数为1000-1500个，采用基于最小二乘法评定拟合平面，各采样点对应的拟合平面Z轴坐标为zi，则max{zi}-min{zi}为大型高速回转装备2轴向测量面的垂直度，arctan((max{zi}-min{zi})/(2r))为大型高速回转装备2轴向测量面的倾斜角，其中r为大型高速回转装备2轴向测量面的半径；大型高速回转装备2的轴向测量面的定向公差在装配中的倾斜矩阵为Ttilt，则倾斜矩阵其中θt为大型高速回转装备2的轴向测量面倾斜角，θl为大型高速回转装备2的轴向测量面的拟合平面最低点所在角度；则n个装备的装配后圆心坐标的传递关系Tn为其中Tri，Tecci，Ttilti为i级装备的旋转矩阵，偏心矩阵和倾斜矩阵，其中Tr1＝E，Ttiltn＝E，旋转矩阵其中θri为i级大型高速回转装备2的旋转角度；则装配后各级装备在X，Y轴方向的分量为其中ei为i级大型高速回转装备2的径向测量面偏心，θei为i级大型高速回转装备2的径向测量面偏心角，Hm为m级大型高速回转装备2的高度，θri为i级大型高速回转装备2的旋转角度，θli为大型高速回转装备2的轴向测量面的拟合平面最低点所在角度，ri为i级大型高速回转装备2的轴向测量面半径，hi为i级大型高速回转装备2的轴向测量面垂直度；旋转各级大型高速回转装备2的旋转角度，采用遗传算法实现全局搜索，找到最优旋转角度，因此大型高速回转装备2装配后的同轴度为

Claims (1)

1.基于公差调控的大型高速回转装备装配测量方法，其特征在于：
大型高速回转装备固定在气浮转台上，气浮转台提供回转测量基准，气浮转台径向回转误差为0.1μm-0.2μm，倾角回转误差为0.1″-0.2″；测量装置包括气浮转台(1)及配装在气浮转台(1)上端部上的大型高速回转装备(2)，在大型高速回转装备(2)的径向外侧部上从上至下依次配置径向测量电感传感器(5)和上径向基准电感传感器(4)，在大型高速回转装备(2)的上端面上配置轴向测量电感传感器(6)，在大型高速回转装备(2)的径向外侧部上还配装下径向基准电感传感器(3)，所述下径向基准电感传感器(3)与上径向基准电感传感器(4)相对于大型高速回转装备(2)相差180°配置，且所述下径向基准电感传感器(3)与上径向基准电感传感器(4)的测量方向相互平行；在大型高速回转装备(2)的高度位置上，所述下径向基准电感传感器(3)位于上径向基准电感传感器(4)的下方；
下径向基准电感传感器测量大型高速回转装备的下径向基准面用以确定圆心坐标，气浮转台转速为4-6r/min，采样点数为1000-1500个，记录数据及直角坐标图形，横坐标为角度，纵坐标为采样数据，依据下径向基准面的直角坐标图形调整被测装备的下径向基准面的偏心，上径向基准电感传感器测量大型高速回转装备的上径向基准面用以确定圆心坐标，气浮转台转速为4-6r/min，采样点数为1000-1500个，记录数据及直角坐标图形，横坐标为角度，纵坐标为采样数据，依据上径向基准面的直角坐标图形调整被测装备的上径向基准面的偏心，分别调节上和下径向基准面的圆心使其轴线与仪器主轴的回转轴线同轴；
径向测量电感传感器测量大型高速回转装备的径向测量面，记录数据，气浮转台转速为4-6r/min，采样点数为1000-1500个，采用基于最小条件原则的最小区域法评定拟合圆心；则大型高速回转装备的径向测量面的定位公差在装配中的偏心矩阵为Tecc，则偏心矩阵其中e为大型高速回转装备的径向测量面偏心，θe为大型高速回转装备的径向测量面偏心角，H为大型高速回转装备高度；
轴向测量电感传感器测量大型高速回转装备的轴向测量面，记录数据，气浮转台转速为4-6r/min，采样点数为1000-1500个，采用基于最小二乘法评定拟合平面，各采样点对应的拟合平面Z轴坐标为zi，则max{zi}-min{zi}为大型高速回转装备的轴向测量面垂直度，arctan((max{zi}-min{zi})/(2r))为大型高速回转装备的轴向测量面倾斜角，其中r为大型高速回转装备的轴向测量面半径；大型高速回转装备的轴向测量面的定向公差在装配中的倾斜矩阵为Ttilt，则倾斜矩阵其中θt为大型高速回转装备的轴向测量面倾斜角，θl为大型高速回转装备的轴向测量面的拟合平面最低点所在角度；
则n个装备的装配后圆心坐标的传递关系Tn为其中Tri，Tecci，Ttilti为i级装备的旋转矩阵，偏心矩阵和倾斜矩阵，其中Tr1＝E，Ttiltn＝E，旋转矩阵其中θri为i级大型高速回转装备的旋转角度；则装配后各级装备在X，Y轴方向的分量为其中ei为i级大型高速回转装备的径向测量面偏心，θei为i级大型高速回转装备的径向测量面偏心角，Hm为m级大型高速回转装备的高度，θri为i级大型高速回转装备的旋转角度，θli为大型高速回转装备的轴向测量面的拟合平面最低点所在角度，ri为i级大型高速回转装备的轴向测量面半径，hi为i级大型高速回转装备的轴向测量面垂直度；旋转各级大型高速回转装备的旋转角度，采用遗传算法实现全局搜索，找到最优旋转角度，因此大型高速回转装备装配后的同轴度为
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