CN108534969B - 一种柱状弹性元件刚度特性自动检测方法 - Google Patents
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Abstract
一种柱状弹性元件刚度特性自动检测方法,本发明涉及一种端面密封静环组件轴向刚度的检测方法。它解决了人手动按压难以保证压力的稳定均匀加载和无法对氦密封组件的轴向刚度特性检测出量化数值的问题。所用到的设备包括伺服电机、滚珠丝杠机构、执行机构、力传感器、光学测距传感器、定位装夹机构和上位计算机等，执行机构的上端固定在滚珠丝杠机构的滑台侧面上，执行机构的杆状体中部设置为力传感器，光学测距传感器设置在定位装夹机构腔体内的底部且朝向上方以检测执行机构下端面的位移。方法是通过上位计算机发送指令控制伺服电机平稳转动，以推动执行机构对被测工件进行下压，这期间两个传感器对压力和位移进行同步采样和计算。
Description
技术领域
本发明涉及一种柱状弹性元件刚度自动检测方法，具体涉及一种端面密封静环组件轴向刚度的检测方法。
背景技术
氦气端面密封是火箭发动机涡轮泵中的重要组件。它由动环部件和静环组件组成，多采用耐压、耐温、耐腐蚀以及变形量大、力学线性好的金属膜盒型密封。如图1和图2所示，金属膜盒21位于静环外壳22内作为轴向位移补偿元件，通过弹性力使静环与动环能够在任意时刻紧密贴合，以此实现对不同燃料介质的有效隔离和防止泄露。在实际使用中，为减小膜盒振动，增大阻尼，通常在膜盒外圆装配箔片型阻尼带，提供阻尼力。但这同时也给氦密封组件的轴向刚度特性带来了影响，由于生产及装配精度的误差，会导致氦气端面密封组件出现阻尼力异常，甚至出现回弹卡涩现象，导致发动机试车过程中出现局部温升过快、密封泄漏量不稳，给航天发射带来极大的隐患。因此有必要对氦气端面密封组件的轴向灵活性进行检测，剔除不合格产品，以保证发动机的正常运行。
然而，目前对于氦气端面密封静环组件轴向刚度特性的检测，主要靠工作人员对金属膜盒部分进行徒手按压并释放，通过感受阻尼力的大小以及观察是否出现卡涩现象来判断该组件是否合格。此种方法存在以下弊端：
1.由于人手动按压难以保证压力的稳定均匀加载，相当于对密封组件的原有力学特性引入人为误差因素，很容易出现误判。
2.人工检测时无法对氦密封组件的轴向刚度特性检测作出量化，因此检测时会出现因人而异的情况，这些都给后续的使用带来隐患。
由于目前人工检测氦气端面密封轴向刚度特性存在以上两类问题，因此，亟需研制一套基于氦气端面密封组件轴向刚度特性自动检测方法，改善目前人工检测的落后现状。
发明内容
本发明提供一种柱状弹性元件刚度特性自动检测方法，以解决人手动按压难以保证压力的稳定均匀加载和人工检测时无法对氦密封组件的轴向刚度特性检测给出量化数值的问题。
本发明的方法基于自动检测设备实现，所述检测设备包括伺服电机1、滚珠丝杠机构2、执行机构3、力传感器4、光学测距传感器19、定位装夹机构5、系统支撑机构和上位计算机，伺服电机1、滚珠丝杠机构2、执行机构3依次由上到下设置，滚珠丝杠机构2铅垂方向固定在系统支撑机构的侧面上，滚珠丝杠机构2的丝杠上端与伺服电机1的输出轴相连接，伺服电机1设置在系统支撑机构的顶端上，执行机构3的上端固定在滚珠丝杠机构2的滑台侧面上，执行机构3的杆状体中部设置为力传感器4，执行机构3的下端下方为定位装夹机构5，定位装夹机构5为空心的筒状体，光学测距传感器19设置在定位装夹机构5腔体内的底部且朝向上方以检测执行机构3下端面的位移；力传感器4和光学测距传感器19这两路测量结果通过线缆传输到上位计算机；上位计算机的控制信号输出端连接在伺服电机1的控制信号输入端上。
本发明的方法包括下述步骤：
一、上位计算机给伺服电机1发送指令，执行机构3回归到最上端；
二、人工将被测工件放入固定装夹机构中；
三、通过上位计算机发送指令控制伺服电机1平稳转动，以推动执行机构3对被测工件进行下压，到达指定行程后，伺服电机1停止；在这期间力传感器4和光学测距传感器19对压力和位移进行同步采样，采样结果实时反馈到上位计算机；
四、伺服电机1反方向旋转，带动执行机构3对被测工件的压缩进行释放；
五、上位计算机根据实时反馈到的采样结果，对被测工件的轴向刚度特性进行数值化表达。
自动检测设备的工作原理：滚珠丝杠机构将伺服电机1的回转运动转换为往复直线运动，以推动执行机构对被测工件进行压缩与释放。被测工件设置在定位装夹机构5的上端面上。本发明实现的功能是测量两个参数：被测工件的变形大小和弹性力。而变形大小通过测量执行机构3与被测工件接触后，执行机构3向下压缩被测工件时执行机构3向下的位移来产生。力和位移通过布局好的力传感器4和光学测距传感器19进行测量和反馈，其中力传感器4直接安装在执行机构3的推杆与压盘之间，测量由压盘加压后的反作用推力，光学测距传感器19则置于定位装夹机构5内，从中空的被测工件和定位装夹机构5内部对压盘头的压缩位移进行准确测量。通过上位机的计算处理对被测工件的轴向刚度特性进行数值化表达，最终实现工件弹性曲线的自动化测量。
本发明的方法使用了自动检测设备，因此解决了人手动操作可靠性低和无法给出量化数值的问题。
附图说明
图1为被测工件的示意图。图2是图1的A-A剖视图。图3是本发明自动检测设备的总体结构示意图。图4是滚珠丝杠机构2的结构示意图。图5是执行机构3的结构示意图。图6是定位装夹机构5的结构示意图。图7是光学测距传感器19的结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：下面结合图1至图3具体说明本实施方式。
图1和图2为需要进行轴向刚度测量的被测工件模型图，该种被测工件包括金属膜盒21、静环外壳22和石墨环23。被测工件的特点是外表静环外壳22为阶梯圆柱状，静环外壳22内部中空并安装有作为弹性体的金属膜盒21，金属膜盒21可以小范围轴向压缩，金属膜盒21的上端镶嵌石墨环23。此被测工件根据型号不同，其具体尺寸也不尽相同，具体为B值处于32mm～40mm范围内，C值则有57mm、60mm、65mm等值。技术要求为测量的位移精度达到0.01mm，测量的压力精度达到0.1N。以上即为自动检测设备需要进行测量的工件的尺寸及相应的要求，本发明的目标即为实现该被测工件的自动检测。
本实施方式的方法基于自动检测设备实现，所述检测设备包括伺服电机1、滚珠丝杠机构2、执行机构3、力传感器4、光学测距传感器19、定位装夹机构5、系统支撑机构和上位计算机，伺服电机1、滚珠丝杠机构2、执行机构3依次由上到下设置，滚珠丝杠机构2铅垂方向固定在系统支撑机构的侧面上，滚珠丝杠机构2的丝杠上端与伺服电机1的输出轴相连接，伺服电机1设置在系统支撑机构的顶端上，执行机构3的上端固定在滚珠丝杠机构2的滑台侧面上，执行机构3的杆状体中部设置为力传感器4，执行机构3的下端下方为定位装夹机构5，定位装夹机构5为空心的筒状体，光学测距传感器19设置在定位装夹机构5腔体内的底部且朝向上方以检测执行机构3下端面的位移；力传感器4和光学测距传感器19这两路测量结果通过线缆传输到上位计算机；上位计算机的控制信号输出端连接在伺服电机1的控制信号输入端上。
本实施方式的方法包括下述步骤：
一、上位计算机给伺服电机1发送指令，执行机构3回归到最上端；
二、人工将被测工件放入固定装夹机构中；
三、通过上位计算机发送指令控制伺服电机1平稳转动，以推动执行机构3对被测工件进行下压，到达指定行程后，伺服电机1停止；在这期间力传感器4和光学测距传感器19对压力和位移进行同步采样，采样结果实时反馈到上位计算机；
四、伺服电机1反方向旋转，带动执行机构3对被测工件的压缩进行释放；
五、上位计算机根据实时反馈到的采样结果，对被测工件的轴向刚度特性进行数值化表达。
力传感器4的量程为0-200牛顿，线性度小于0.05％.F.S。
所述光学测距传感器19为激光位移传感器，如图7所示所述激光位移传感器包括发射端口19-1和接收端口19-2，发射端口19-1向上发出的激光光束在执行机构3的底端反射回来到接收端口19-2，实时测量出执行机构3的位移变化。这种位移测量方式是三角法测量。
具体实施方式二：下面结合图4具体说明本实施方式。本实施方式与实施方式一的不同之处是所述滚珠丝杠机构2包括挠性联轴器7、方形导轨8、滑台9、固定平台10和滚珠丝杠11，挠性联轴器7连接在伺服电机1的电机轴与滚珠丝杠11之间，挠性联轴器7使用伺服电机的膜片型联轴器。滚珠丝杠具有摩擦阻力小、定位精度高的特点，通过滑动平台9在方形导轨8上往复运动从而带动固定平台10进行移动。此模组具有结构紧凑，传动效率高，噪声低的优良特性。
其它结构和连接方式与实施方式一相同。
具体实施方式三：下面结合图5具体说明本实施方式。本实施方式与实施方式二的不同之处是所述执行机构3包括转换架12、压力推杆13、连接螺柱15和压盘16，转换架12固定在固定平台10上，转换架12一方面为向下对准定位机构18腾出横向空间，另一方面有效的与压力推杆13进行连接。压力推杆13的设计是柱状体经过对称铣削加工，保证与转换架12进行高精度可靠连接。压力推杆13的下端与力传感器4的上端螺纹连接。力传感器4的下端与压盘16的上端通过连接螺柱15连接。
所述压盘16由位于上端的盘体和位于下端的圆柱体组成，所述盘体和圆柱体与力传感器4和压力推杆13同轴心线。
为了压力施加平稳，压盘根据工件承力面进行设计，并通过全螺纹螺杆与力传感器进行连接，传感器两端都有螺母进行锁紧固定，兼具位置微量调控作用。压盘上端的盘体边缘在测量过程中压在石墨环23上，被测工件的压盘底部的圆柱体凸出部分在测量过程中插入被测工件，则是为了激光传感器测量的方便，使压盘的运动始终处于传感器的行程测量范围之内。
其它结构和连接方式与实施方式二相同。
具体实施方式四：下面结合图3具体说明本实施方式。本实施方式与实施方式一的不同之处是所述系统支撑机构包括立柱6-1、下平台6-2和电机支架6-3，立柱6-1固定在下平台6-2边缘的上表面上，电机支架6-3固定在立柱6-1顶端的侧部，伺服电机1安装在电机支架6-3上。
其它结构和连接方式与实施方式一相同。
具体实施方式五：下面结合图6具体说明本实施方式。本实施方式与实施方式四的不同之处是所述定位装夹机构5包括定位环17、定位筒18和定位套5-1，定位套5-1通过螺栓固定在下平台6-2的上表面上，定位筒18固定在定位套5-1的上端面上，定位筒18的内表面开有环形台阶18-1，定位环17设置在定位筒18内并坐落在环形台阶18-1上，定位环17、定位筒18和定位套5-1同轴心线。
定位筒18的上边缘开有两个槽形开口17-1，所述槽形开口17-1相对于定位筒18的中心线对称设置。
该结构主要通过定位环17对不同外径的被测工件进行定位，通过配合精度保证被测工件的定位准确度。定位环置于定位筒18之内，根据被测工件外径
的值来选择不同内径的定位环17，被测工件外圆部分陷入定位环之内，其法兰盘则与定位筒上表面贴合，避免重复定位。定位筒18的两个槽形开口则是为了抓取定位环的方便。该定位装夹方案不仅操作简单，而且可适应多种型号的产品。
对应这样的结构，在本发明方法的第二步骤中，需要人工将根据被测工件型号选择对应的定位环套入固定装夹机构中，再将被测工件放置于定位环内；
为了保证被测工件的轴心与推力杆的轴心相合，定位装夹机构靠安装和加工配合精度保证工件的放置符合要求，减少偏差。
其它结构和连接方式与实施方式四相同。
具体实施方式六：下面结合图7具体说明本实施方式。本实施方式与实施方式四的不同之处是所述光学测距传感器19还包括传感器安装支架20，传感器安装支架20为一个直角弯板，所述传感器安装支架20的一个板体通过螺栓固定在下平台6-2上表面上，激光传感器19通过螺栓固定在传感器安装支架20的另一个板体上。
如此设置，把光学测距传感器19固定在下平台6-2上，在已经标定的前提下能保持和保证检测的精度。由于工件内部中空，故测量光路可在其内完成闭路测量。基于三角测量法，非接触式，能够很好地适应系统结构，而且能够达到很高的精度。
其它结构和连接方式与实施方式四相同。
Claims (5)
1.一种柱状弹性元件刚度特性自动检测方法，其特征在于所述方法基于自动检测设备实现，所述检测设备包括伺服电机(1)、滚珠丝杠机构(2)、执行机构(3)、力传感器(4)、光学测距传感器(19)、定位装夹机构(5)、系统支撑机构和上位计算机，伺服电机(1)、滚珠丝杠机构(2)、执行机构(3)依次由上到下设置，滚珠丝杠机构(2)铅垂方向固定在系统支撑机构的侧面上，滚珠丝杠机构(2)的丝杠上端与伺服电机(1)的输出轴相连接，伺服电机(1)设置在系统支撑机构的顶端上，执行机构(3)的上端固定在滚珠丝杠机构(2)的滑台侧面上，执行机构(3)的杆状体中部设置为力传感器(4)，执行机构(3)的下端下方为定位装夹机构(5)，定位装夹机构(5)为空心的筒状体，光学测距传感器(19)设置在定位装夹机构(5)腔体内的底部且朝向上方以检测执行机构(3)下端面的位移；力传感器(4)和光学测距传感器(19)这两路测量结果通过线缆传输到上位计算机；上位计算机的控制信号输出端连接在伺服电机(1)的控制信号输入端上；
所述方法包括下述步骤：
一、上位计算机给伺服电机(1)发送指令，执行机构(3)回归到最上端；
二、人工将根据被测工件型号选择对应的定位环套入固定装夹机构中，再将被测工件放置于定位环内；
三、通过上位计算机发送指令控制伺服电机(1)平稳转动，以推动执行机构(3)对被测工件进行下压，到达指定行程后，伺服电机(1)停止；在这期间力传感器(4)和光学测距传感器(19)对压力和位移进行同步采样，采样结果实时反馈到上位计算机；
四、伺服电机(1)反方向旋转，带动执行机构(3)对被测工件的压缩进行释放；
五、上位计算机根据实时反馈到的采样结果，对被测工件的轴向刚度特性进行数值化表达：
所述光学测距传感器(19)为激光位移传感器，所述激光位移传感器包括发射端口(19-1)和接收端口(19-2)，发射端口(19-1)向上发出的激光光束在执行机构(3)的底端反射回来到接收端口(19-2)；测量光路在其内基于三角测量法完成闭路测量；
执行机构(3)包括转换架(12)、压力推杆(13)、连接螺柱(15)和压盘(16)，转换架(12)固定在固定平台(10)上，压力推杆(13)的下端与力传感器(4)的上端螺纹连接，力传感器(4)的下端与压盘(16)的上端通过连接螺柱(15)连接，所述压盘(16)由位于上端的盘体和位于下端的圆柱体组成，所述盘体和圆柱体与力传感器(4)和压力推杆(13)同轴心线；
系统支撑机构包括立柱(6-1)、下平台(6-2)和电机支架(6-3)，立柱(6-1)固定在下平台(6-2)边缘的上表面上，电机支架(6-3)固定在立柱(6-1)顶端的侧部，伺服电机(1)安装在电机支架(6-3)上；
所述定位装夹机构(5)包括定位环(17)、定位筒(18)和定位套(5-1)，定位套(5-1)通过螺栓固定在下平台(6-2)的上表面上，定位筒(18)固定在定位套(5-1)的上端面上，定位筒(18)的内表面开有环形台阶(18-1)，定位环(17)设置在定位筒(18)内并坐落在环形台阶(18-1)上，定位环(17)、定位筒(18)和定位套(5-1)同轴心线；
定位筒(18)的上边缘开有两个槽形开口(17-1)，所述槽形开口(17-1)相对于定位筒(18)的中心线对称设置。
2.根据权利要求1所述的一种柱状弹性元件刚度特性自动检测方法，其特征在于在第二步骤中，根据被测工件型号选择对应的定位环套入固定装夹机构中，再将被测工件放置于定位环内。
3.根据权利要求1所述的一种柱状弹性元件刚度特性自动检测方法，其特征在于所述滚珠丝杠机构(2)包括挠性联轴器(7)、方形导轨(8)、滑台(9)、固定平台(10)和滚珠丝杠(11)，挠性联轴器(7)连接在伺服电机(1)的电机轴与滚珠丝杠(11)之间，通过滑台(9)在方形导轨(8)上往复运动从而带动固定平台(10)进行移动。
4.根据权利要求1所述的一种柱状弹性元件刚度特性自动检测方法，其特征在于所述光学测距传感器(19)还包括传感器安装支架(20)，传感器安装支架(20)为一个直角弯板，所述传感器安装支架(20)的一个板体通过螺栓固定在下平台(6-2)上表面上，激光位移传感器通过螺栓固定在传感器安装支架(20)的另一个板体上。
5.根据权利要求3所述的一种柱状弹性元件刚度特性自动检测方法，其特征在于所述挠性联轴器(7)为膜片型联轴器。
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