CN108548839B - 一种高精度零部件热变形测试装置及测试方法 - Google Patents

Abstract

一种高精度零部件热变形测试装置及测试方法，包括气浮平台(1)、分度装置底座(2)、分度装置组件(3)、分度装置转接平台(4)、测试件转接工装(5)、传感器保持架(6)、温箱(7)、轴流风扇(8)、温度传感器(9)、位移传感器(10)，通过两种传感器对装置温度及被测装置形变程度的监控，能够对微米量级的零部件热变形进行测试，同时对测试数据求平均值处理，测试精度高，测试范围大，结构简单，操作性强。

Description

一种高精度零部件热变形测试装置及测试方法

技术领域

本发明涉及一种高精度零部件热变形测试装置及测试方法，属于高精度测试领域。

背景技术

随着我国卫星有效载荷技术的快速发展，对大型高精度可展开伞状天线的需求日益明显，通信卫星、遥感卫星等都提出了相应的需求。可展开伞状天线主要由反射器和馈源两部分组成。目前大型可展开反射器主要分为环形、伞状和构架式等三类反射器。在以上三种主要的可展开反射器方案中，伞状天线能够实现最高的型面精度和结构刚度，特别适用于Ku波段以上的应用场合。

传统的伞状反射器主要由刚性支撑系统、索网结构和柔性金属网等部分组成。刚性支撑系统具有收拢展开功能，展开锁定后形成稳定的结构系统；索网系统主要由柔性的张力索构成，以一定的方式连接于天线结构主体之上，通过设计形成所需要的天线型面；柔性金属网按要求拼接出预定几何形状，悬挂固定于索网系统之上，主要起反射电磁波的作用。

通常，天线支撑座由碳纤维为基体的复合材料加工完成，自身的热变形相对其他同尺寸金属材料零件小很多，在±100℃温变范围内，天线支撑座的热变形一般小于100μm。因此，要求测量系统的热变形测量精度优于5μm。现有高精度变形测量最常用经纬仪和摄影测量系统，一般在1m范围内系统测量精度为0.02mm，但该系统目前无法在高温环境下进行测量。“数字相关全场测量系统”测量精度标称5μm，但该系统测量高温试件变形时，需要对试件用加热片进行加热。加热片会导致试件发生温度不均匀变形，这一变形可能接近或超过试件本身的热变形，因此很难确保标称的5μm测试精度。粘贴加热片也可能对产品造成不可恢复的损伤，不宜在正样产品上应用。

发明内容

本发明解决的技术问题是：针对现有技术中经纬仪和摄影测量系统测量精度有限，无法再高温环境下持续作业的问题，提出了一种高精度零部件热变形测试装置及测试方法，能够对微米量级的零部件热变形进行测试。

本发明解决上述技术问题是通过如下技术方案予以实现的：

一种高精度零部件热变形测试装置，包括气浮平台、分度装置组件、温箱、温度传感器、位移传感器，其中，所述温箱安装于气浮平台上，所述分度装置组件安装于温箱内，所述温度传感器安装于温箱顶端对温箱温度进行监测，分度装置组件上端接口处通过转接装置与位于温箱内部的被测装置相连，位移传感器贯穿温箱侧表面且一端触点与被测装置侧壁紧贴。

所述分度装置组件包括涡轮、蜗杆、分度控制盘，所述蜗杆安装于用于带动被测装置旋转的涡轮侧面，用于显示分度精度的分度控制盘通过平键和轴端挡圈连接于蜗杆一端。

所述涡轮与蜗杆传动比为120。

所述分度控制盘包括刻度盘、分度手轮、刻度指针，所述分度手轮、刻度指针均安装于刻度盘中心，分度手轮使被测装置绕涡轮轴心线转动，刻度指针同时转动于刻度盘上显示当前被测件转过的角度。

还包括分度装置转接平台、测试件转接工装，其中分度装置组件上端通过分度装置转接平台与测试件转接工装相连，被测装置放置于测试件转接工装上。

所述分度装置转接平台、测试件转接工装材料均为殷钢。

所述位移传感器为笔式位移传感器，数量为偶数并对称分布，安装高度相同的位移传感器均为同轴安装，量程为12mm，精度为1μm。

所述温箱为中空双层金属板，温箱外表面粘贴石棉材料保温层。

优选的，所述温度传感器安装间距小于30cm，

一种高精度零部件热变形测试方法，具体步骤如下：

(a)将被测零部件安装于测试件转接工装上，调节测试件转接工装直至测试件转接工装与分度装置转接平台轴心线重合，调节分度手轮使被测装置需要测量的方向正对位移传感器轴心线；

(b)于被测装置上部和下部都应布置一定数量的温度传感器，同时将位移传感器安装于传感器保持架固定位置，使温度传感器、位移传感器测点与被测装置紧密接触，并使位移传感器轴心线重合，位移传感器轴心线与被测方向一致；

(c)启动温箱，根据测量技术要求，通过温度控制器设置温箱温度门限，温箱温度达到技术要求时，进入保温模式；

(d)利用位移传感器测量此时被测装置的热变形位移并通过数据采集设备记录测量数据；

(e)重复进行步骤(d)并对记录的热变形位移求平均值，在给定方向上的热变形ΔD计算公式如下：

ΔD＝(D1+D2)cos(α)

式中，D1、D2分别为同轴安装的一对位移传感器测试到的数据，α为热变形前后被测装置等效热转角。

(f)旋转分度手轮对被测装置的测量位置和测量角度进行调整，调节位移传感器与重复步骤(b)至步骤(e)完成对被测装置另一位置的测量。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明提供了一种高精度零部件热变形测试装置及测试方法，通过温箱在测试过程中控制温度恒定，利用分度手轮调节被测装置，通过分度装置涡轮、蜗杆带动被测装置转动确保了位移传感器与被测装置侧壁的良好接触，同时保证了测量准确性；

(2)本发明提出了整套的工件支撑装置及测试流程、测试数据处理方法，对现有的热变形测量技术进行了优化，可有效避免工装变形或扭转对热变形测试的影响，测试装置综合测试精度优于5μm，满足环境温度大于100℃的温度要求和测量精度要求。

附图说明

图1为发明提供的测试装置结构图；

图2为发明提供的传感器及风扇位置示意图；

图3为发明提供的分度装置组件结构图；

图4为发明提供的热变形前后被测装置支撑工装示意图；

图5为实施例测量热变形瞬时数据图；

具体实施方式

一种高精度零部件热变形测试装置及测试方法，如图1所示，包括气浮平台1、分度装置底座2、分度装置组件3、分度装置转接平台4、测试件转接工装5、传感器保持架6、温箱7、温度传感器9、位移传感器10、轴流风扇8，所述温箱7安装于气浮平台1上，所述分度装置底座2、分度装置组件3、分度装置转接平台4、测试件转接工装5均安装于温箱7内，分度装置底座2设置于气浮平台1表面中心，所述分度装置组件3安装于分度装置底座2内部，分度装置组件3上端与分度装置底座2上端接口处同时通过分度装置转接平台4与用于连接固定被测装置的测试件转接工装5相连，如图2所示，温箱7顶部两侧装有用于监测温度的温度传感器9，所述传感器保持架6设置于温箱7外侧气浮平台1两端，用于监测被测装置形变位移的位移传感器10一端分别固定于两侧传感器保持架6上，贯穿温箱7侧表面且另一端触点与被测装置侧壁紧贴，轴流风扇8均匀分布于温箱7侧壁用于使温箱7内部气温均匀。

如图3所示，其中，所述分度装置组件3包括涡轮11、蜗杆12、分度控制盘13，所述蜗杆12安装于用于带动分度装置转接平台4及测试件转接工装5旋转的涡轮11侧面，用于显示分度精度的分度控制盘13通过平键和轴端挡圈连接于蜗杆12一端，所述分度控制盘13包括刻度盘1301、分度手轮1302、刻度指针1303，所述分度手轮1302、刻度指针1303均安装于刻度盘1301中心，刻度盘1301上，调节分度手轮1302使被测件5绕涡轮11轴心线转动，刻度指针1303在同步转动于刻度盘1301上显示当前被测件转过的角度。涡轮11和蜗杆12的传动比为60，刻度盘1301沿边缘均匀刻画60个刻度，通过调节分度手轮1302可实现0.05度的分度精度；测试件转接工装5采用低膨胀金属材料殷钢4J36进行制作。

所述位移传感器10沿被测件热变形测试方向成对安装在被测件(或被测部位)两侧，成对安装，同高度的位移传感器10轴心线重合，为同轴安装，且轴心线与测试方向平行，所选位移传感器10为笔式位移传感器10，量程为12mm，位移传感器精度为1μm，数量为2n个；同时，位移传感器10通过传感器保持架6保持相对位置不变，传感器保持架6具有足够的刚度且不受温箱温度变化的影响。通过轴流风扇8及温度传感器9测定的实时温度进行空位，温度波动范围小于±1℃。

所述温箱7为中空双层金属板，温箱7外表面粘贴石棉材料保温层。

一种高精度零部件热变形测试方法，具体步骤如下：

(1)将被测零部件安装于测试件转接工装5上，调节测试件转接工装5直至测试件转接工装5与分度装置转接平台4轴心线重合，调节分度手轮1302使被测装置需要测量的方向正对位移传感器10轴心线；

(2)于被测装置上部和下部都应布置一定数量的温度传感器9，各温度传感器9距离小于30cm，同时将位移传感器10安装于传感器保持架固定位置，调节传感器位置，使温度传感器9、位移传感器10测点与被测装置紧密接触，并使位移传感器10轴心线重合，位移传感器10轴心线与被测方向一致；

(3)启动轴流风扇8并启动加热器，根据测量技术要求，通过温度控制器设置温箱7温度门限，温箱7温度达到技术要求时，进入保温模式，温控器通过根据温箱7内温度情况通过控制加热器电流通断控制加热器的启停；

(4)当零部件保温60分钟以上后，关闭轴流风扇8，2分后钟后，轴流风扇8和温箱7气流静止，温控器通过控制加热器启停保持温箱7温度恒定，根据步骤2设定的位移传感器10测量此时被测装置的热变形位移并通过数据采集设备记录测量数据；

(5)如图4所示，重复进行步骤4并对记录的热变形位移求平均值，在给定方向上的热变形ΔD可以按下式计算：

ΔD＝(D1+D2)cos(α)

在上式中，D1、D2分别为同轴安装的一对位移传感器测试到的数据，α为热变形前后被测装置支撑工装系统等效热转角。

(6)旋转分度手轮17对被测装置的测量位置和测量角度进行调整，调节位移传感器与重复步骤2至步骤5完成对被测装置另一位置的测量。

下面结合具体实施例进行进一步说明：

为了验证本发明测试方法的可行性和有效性，对某零部件进行了热变形测试。被测件为尺寸包络为φ260×400mm的碳纤维复合材料圆柱形部件。所用测试仪器、测试流程和数据处理方法与上文相同。温箱内的温度从室温逐步升高到65℃，在升温过程中，随时记录被测部件温度传感器数据和位移传感器数据，并将采集到的瞬时数据，处理成如图5所示的表格。

零部件两个位置径向热变形与温度近似成线性关系，回稳和升温过程的温度-位移曲线基本重合。试验结果表明测试过程稳定，测试方法正确、可行，测试结果可信。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (9)

1.一种高精度零部件热变形测试方法，其特征在于步骤如下：

(a)将被测零部件安装于测试件转接工装(5)上，调节测试件转接工装(5)直至测试件转接工装(5)与分度装置转接平台(4)轴心线重合，调节分度手轮(1302)使被测装置需要测量的方向正对位移传感器(10)轴心线；

(b)于被测装置上部和下部都应布置一定数量的温度传感器(9)，同时将位移传感器(10)安装于传感器保持架固定位置，使温度传感器(9)、位移传感器(10)测点与被测装置紧密接触，并使位移传感器(10)轴心线重合，位移传感器(10)轴心线与被测方向一致；

(c)启动温箱(7)，根据测量技术要求，通过温度控制器设置温箱(7)温度门限，温箱(7)温度达到技术要求时，进入保温模式；

(d)利用位移传感器(10)测量此时被测装置的热变形位移并通过数据采集设备记录测量数据；

(e)重复进行步骤(d)并对记录的热变形位移求平均值，在给定方向上的热变形ΔD计算公式如下：

ΔD＝(D1+D2)cos(α)

式中，D1、D2分别为同轴安装的一对位移传感器测试到的数据，α为热变形前后被测装置等效热转角；

(f)旋转分度手轮(1302)对被测装置的测量位置和测量角度进行调整，调节位移传感器(10)与重复步骤(b)至步骤(e)完成对被测装置另一位置的测量；

上述测试方法步骤中所使用的测试装置，包括气浮平台(1)、分度装置组件(3)、温箱(7)、温度传感器(9)、位移传感器(10)，其中，所述温箱(7)安装于气浮平台(1)上，所述分度装置组件(3)安装于温箱(7)内，所述温度传感器(9)安装于温箱(7)顶端对温箱(7)温度进行监测，分度装置组件(3)上端接口处通过转接装置与位于温箱(7)内部的被测装置相连，位移传感器(10)贯穿温箱(7)侧表面且一端触点与被测装置侧壁紧贴。

2.根据权利要求1所述的一种高精度零部件热变形测试方法，其特征在于：所述分度装置组件(3)包括涡轮(11)、蜗杆(12)、分度控制盘(13)，所述蜗杆(12)安装于用于带动被测装置旋转的涡轮(11)侧面，用于显示分度精度的分度控制盘(13)通过平键和轴端挡圈连接于蜗杆(12)一端。

3.根据权利要求2所述的一种高精度零部件热变形测试方法，其特征在于：所述涡轮(11)与蜗杆(12)传动比为120。

4.根据权利要求3所述的一种高精度零部件热变形测试方法，其特征在于：所述分度控制盘(13)包括刻度盘(1301)、分度手轮(1302)、刻度指针(1303)，所述分度手轮(1302)、刻度指针(1303)均安装于刻度盘(1301)中心，分度手轮(1302)使被测装置绕涡轮(11)轴心线转动，刻度指针(1303)同时转动于刻度盘(1301)上显示当前被测件转过的角度。

5.根据权利要求1所述的一种高精度零部件热变形测试方法，其特征在于：还包括分度装置转接平台(4)、测试件转接工装(5)，其中分度装置组件(3)上端通过分度装置转接平台(4)与测试件转接工装(5)相连，被测装置放置于测试件转接工装(5)上。

6.根据权利要求5所述的一种高精度零部件热变形测试方法，其特征在于：所述分度装置转接平台(4)、测试件转接工装(5)材料均为殷钢。

7.根据权利要求1～5任一所述的一种高精度零部件热变形测试方法，其特征在于：所述位移传感器(10)为笔式位移传感器(10)，数量为偶数并对称分布，安装高度相同的位移传感器(10)均为同轴安装，量程为12mm，精度为1μm。

8.根据权利要求1～5任一所述的一种高精度零部件热变形测试方法，其特征在于：所述温箱(7)为中空双层金属板，温箱(7)外表面粘贴石棉材料保温层。

9.根据权利要求1～5任一所述的一种高精度零部件热变形测试方法，其特征在于：所述温度传感器(9)安装间距小于30cm。

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