CN110530306A - 一种基于实测跳动数据的典型回转体零件表征方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于实测跳动数据的典型回转体零件表征方法，针对包含形貌数据的回转体零件表征，提出了一种综合考虑微观跳动数据和宏观轴向尺寸的矩阵形式表征方法，另外该方法可以应用到装配精度计算过程中，仅采用一个矩阵M即可表征包含形貌特征量的单个零件，简化了精度传递的计算过程，为装配精度的预测提供了一种高效计算模型。

Description

一种基于实测跳动数据的典型回转体零件表征方法

技术领域

本发明涉及一种包含过盈止口的回转体零件的表征方法，特别是针对基于实测配合面跳动数据的回转体零件表征。

背景技术

回转体零件是风电设备，发动机转子等旋转机械中的典型零部件，由于回转体零件配合面不是理想的平面，而是带有一定的形貌特征的表面，对回转体零件进行装配时，如果不考虑配合面形貌特征的影响，将会导致装配体精度的预测值与真实值之间产生一定的偏差，使得产品装配质量无法保证，甚至导致产品失效。因此在装配预测过程中，实现零件特征量的精确表征显得尤为重要。

长期以来，国内外学者对带有配合面形貌零件的表征开展了大量的研究。目前较为普遍的方法是对零件的每个配合面分别采用小位移旋量进行表征，但是一个零件往往具有多个配合表面，需要用多个小位移旋量矩阵才能完整的表征一个零件所有配合面处的微观形貌，另外，该表征方法只能实现配合面微观形貌的表征，忽略了零件本身宏观尺寸，而在装配过程中，零件宏观尺寸与配合面形貌之间的耦合作用将会对装配精度预测产生一定影响。因此，为了实现装配精度的精准高效预测，亟需一种既含有配合面微观形貌特征，又含有宏观关键尺寸的典型回转体零件的表征模型。

为了解决上述问题，本发明从点云拟合技术、齐次坐标变换技术入手，基于实测典型回转体零件配合面跳动数据，采用相应的拟合方法对实测端面跳动数据和径向跳动数据进行拟合，并提取相应的微观形貌特征量，结合零件自身的宏观公称尺寸，建立了用于表征带有止口的典型回转体零件的计算模型。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种基于实测跳动数据的典型回转体零件的表征方法，从而实现后续的装配精度的精准、高效预测。

本发明的技术方案：

一种基于实测跳动数据的典型回转体零件表征方法，步骤如下：

1)采用圆柱度仪对回转体零件的配合面进行测量，获得底部端面跳动数据D_bot，底部止口径向跳动数据dR_bot，顶部端面跳动数据D_top，顶部止口径向跳动数据dR_top；

2)对步骤1)获得的原始跳动数据进行预处理，由于圆柱度仪测量获得的数据只是n行1列的向量矩阵，即端面的数据为轴向的一维跳动值，止口处的数据为径向的一维跳动值；根据实际测量圆端面处的半径值r_bot、r_top，测量止口处的半径值R_bot、R_top，结合实测跳动数据，采用相应方法处理获得配合面处的空间三维坐标数据；

处理方法如下：

对于底部端面数据来说，令底部端面测点位置X向、Y向坐标为：

X_Dbot(i)＝r_bot×cosθ_(i)，i＝1、2…n-1、n

Y_Dbot(i)＝r_bot×sinθ_(i)，i＝1、2…n-1、n

综合底部端面测点位置X向、Y向坐标X_Dbot、Y_Dbot和底部端面跳动数据D_bot，获得处理后的底部端面空间坐标矩阵D′_bot，同理可得顶部端面空间坐标矩阵D′_top。

对于底部止口径向跳动数据来说，根据径向跳动数据dR_bot和测量半径值和R_bot，底部止口测点位置X向、Y向坐标为：

X_Rbot(i)＝(R_bot+dR_bot(i))×cosθ_(i)

Y_Rbot(i)＝(R_bot+dR_bot(i))×sinθ_(i)

由于止口在装配中其定心作用，主要关注它圆心的位置，因此令Z_Rbot＝0n_×1；综合底部止口跳动测量位置X向、Y向、Z向坐标X_Rbot、Y_Rbot、Z_bot，获得处理后的底部止口面空间坐标矩阵dR′_bot，同理可获得顶部止口面空间坐标矩阵dR′_top。

3)对步骤2)获得的数据进行最小二乘法进行拟合，并提取相应的特征量；

提取方法如下：

对处理后的端面数据D′采用最小二乘平面进行拟合，拟合平面方程为：

Ax+By+Cz+D＝0

该平面可看作一个理想平面分别绕X轴和Y轴旋转一定角度产生，相应偏转角度分别为：

一个典型回转体零件可以从处理后的止口面数据中提取4个偏心特征量，分别为：dX_bot,dY_bot,dX_top,dY_top。

对处理后的止口面数据dR′采用最小二乘圆进行拟合，拟合后的圆方程为：

R²＝(x-dX_bot)²+(y-dY_bot)²

一个典型回转体零件可以从处理后的止口面数据中提取4个偏心特征量，分别为：dX_bot,dY_bot,dX_top,dY_top。

因此，对于任意一个带有止口的回转体零件，通过对其配合面的实测跳动数据进行相应的数据处理可获得：回转体零件的上下两端面的偏转角特征量dθ_{x_bot}、dθ_{y_bot}、dθ_{x_top}、dθ_{y_top}，上下端零件止口处的偏心特征量dX_bot、dY_bot、dX_top、dY_top；

4)对步骤3)中提取的零件特征量采用矩阵形式进行表示，由于大部分的止口连接形式为短止口连接，且止口的测点位置与其临近的端面十分接近，与零件的轴向高度Z相比，止口测点位置与临近端面的轴向距离忽略不计，因此将端面形貌特征量与止口形貌特征量耦合为一个空间上的圆平面；对于任何一个带有止口的回转体零件来说，包含底部和顶部两个空间上的圆平面，如图1所示，对应的底部圆平面和顶部圆平面分别表示为：

5)对步骤4)获得的零件底部圆平面进行空间调心调倾处理，整个过程如图2所示，首先将底部圆平面的圆心位置调至绝对坐标原点，然后将底部圆平面的空间倾斜量调为0；即底部平面由一个带有一定偏心量和偏斜量的空间圆平面变为一个圆心位于绝对坐标原点的理想圆平面，理想圆平面可用4阶单位矩阵E来表示，整个变换过程为：

即：

T×P_bot＝E

则顶部圆平面发生同样的变换，变换过程为：

即：

T×P_top＝P′_top

此时，底部圆平面已经变为理想圆平面，已经不包含形貌特征量，底部圆平面的形貌耦合到顶部圆平面上；

令M＝P′_top，用矩阵M来表征一个包含微观形貌特征及宏观轴向高度的典型回转体零件，并用于以后的装配精度计算过程中。

本发明的有益效果：本发明针对包含形貌数据的回转体零件表征，提出了一种综合考虑微观跳动数据和宏观轴向尺寸的矩阵形式表征方法，另外该方法可以应用到装配精度计算过程中，仅采用一个矩阵M即可表征包含形貌特征量的单个零件，简化了精度传递的计算过程，为装配精度的预测提供了一种高效计算模型。

附图说明

图1为典型回转体零件的空间圆平面示意图。

图2为零件底部圆平面的变换过程。

图3a为航空发动机压气机转子零件实测端面跳动数据。

图3b为航空发动机压气机转子零件实测止口径向跳动数据。

图4a为最小二乘拟合平面。

图4b为最小二乘拟合圆。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点描述的更加清楚，下面以一个典型的回转体零件(某型发动机转子零件)为例，结合本发明实例中的附图，对本发明中的技术方案进行完整的描述。

采用某公司现有的iMap4综合测量装配平台对该转子件进行测量，其中每一个端面测量内圈和外圈两组跳动数据，每一个止口只测量一组径向跳动数据，测量的数据如图3所示。

测试过程中的测点位置为：r_bot1＝123，r_bot2＝133，r_top1＝168，r_top2＝178，R_bot＝120,R_top＝165。零件的轴向高度Z＝120。采用步骤2中的方法对实测数据进行处理，可以获得端面处的空间点云数据D_{bot_n×3}、D_{top_n×3}和止口处的空间点云数据dR_{bot_n×3}、dR_{top_n×3}。

对处理后的端面处的空间点云数据进行最小二乘平面拟合，对处理后的止口处的空间点云数据进行最小二乘圆拟合，拟合效果如图4所示。

通过拟合可以提取相应的配合面形貌特征量，如表1所示：

形貌特征量	数值
		dθ<sub>x_bot</sub>(10<sup>-5</sup>rad)	0.5129
dθ<sub>y_bot</sub>(10<sup>-5</sup>rad)	2.0986
		dθ<sub>x_top</sub>(10<sup>-5</sup>rad)	-1.0230
dθ<sub>y_top</sub>(10<sup>-5</sup>rad)	1.5391
		dX<sub>bot</sub>(10<sup>-6</sup>m)	-4.1
dY<sub>bot</sub>(10<sup>-6</sup>m)	-2.7
		dX<sub>top</sub>(10<sup>-6</sup>m)	-2.2
dY<sub>top</sub>(10<sup>-6</sup>m)	3.5

将表1中的形貌特征量数据以及零件轴向高度Z分别代入到矩阵P_bot和P_top中，获得零件底部圆平面矩阵和顶部圆平面矩阵。

采用矩阵变换的方法对底部圆平面矩阵进行调心调倾，采用步骤5所叙述的方法，可以得到底部圆平面的变换矩阵令顶部圆平面矩阵P_top左乘矩阵T，即可获得变换后的顶部圆平面矩阵P′_top。

令M＝P′_top，用矩阵M来表征考虑零件配合面形貌特征及宏观轴向尺寸的发动机转子零件。

Claims (1)

1.一种基于实测跳动数据的典型回转体零件表征方法，其特征在于，步骤如下：

1)采用圆柱度仪对回转体零件的配合面进行测量，获得底部端面跳动数据D_bot，底部止口径向跳动数据dR_bot，顶部端面跳动数据D_top，顶部止口径向跳动数据dR_top；

2)对步骤1)获得的原始跳动数据进行预处理，由于圆柱度仪测量获得的数据只是n行1列的向量矩阵，即端面的数据为轴向的一维跳动值，止口处的数据为径向的一维跳动值；根据实际测量圆端面处的半径值r_bot、r_top，测量止口处的半径值R_bot、R_top，结合实测跳动数据，采用相应方法处理获得配合面处的空间三维坐标数据；

处理方法如下：

对于底部端面数据来说，令底部端面测点位置X向、Y向坐标为：

X_Dbot(i)＝r_bot×cosθ_(i)，i＝1、2…n-1、n

Y_Dbot(i)＝r_bot×sinθ_(i)，i＝1、2…n-1、n

综合底部端面测点位置X向、Y向坐标X_Dbot、Y_Dbot和底部端面跳动数据D_bot，获得处理后的底部端面空间坐标矩阵D′_bot，同理可得顶部端面空间坐标矩阵D′_top；

对于底部止口径向跳动数据来说，根据径向跳动数据dR_bot和测量半径值和R_bot，底部止口测点位置X向、Y向坐标为：

X_Rbot(i)＝(R_bot+dR_bot(i))×cosθ_(i)

Y_Rbot(i)＝(R_bot+dR_bot(i))×sinθ_(i)

由于止口在装配中其定心作用，主要关注它圆心的位置，因此令Z_Rbot＝0_n×1；综合底部止口跳动测量位置X向、Y向、Z向坐标X_Rbot、Y_Rbot、Z_bot，获得处理后的底部止口面空间坐标矩阵dR′_bot，同理可获得顶部止口面空间坐标矩阵dR′_top；

3)对步骤2)获得的数据进行最小二乘法进行拟合，并提取相应的特征量；

提取方法如下：

对处理后的端面数据D′采用最小二乘平面进行拟合，拟合平面方程为：

Ax+By+Cz+D＝0

该平面可看作一个理想平面分别绕X轴和Y轴旋转一定角度产生，相应偏转角度分别为：

一个典型回转体零件可以从处理后的端面数据中提取4个偏斜特征量，分别为：dθ_{x_bot},dθ_{y_bot},dθ_{x_top},dθ_{y_top}；

对处理后的止口面数据dR′采用最小二乘圆进行拟合，拟合后的圆方程为：

R²＝(x-dX)²+(y-dY)²

一个典型回转体零件可以从处理后的止口面数据中提取4个偏心特征量，分别为：dX_bot,dY_bot,dX_top,dY_top；

因此，对于任意一个带有止口的回转体零件，通过对其配合面的实测跳动数据进行相应的数据处理可获得：回转体零件的上下两端面的偏转角特征量dθ_{x_bot}、dθ_{y_bot}、dθ_{x_top}、dθ_{y_top}，上下端零件止口处的偏心特征量dX_bot、dY_bot、dX_top、dY_top；

4)对步骤3)中提取的零件特征量采用矩阵形式进行表示，由于大部分的止口连接形式为短止口连接，且止口的测点位置与其临近的端面十分接近，与零件的轴向高度Z相比，止口测点位置与临近端面的轴向距离忽略不计，因此将端面形貌特征量与止口形貌特征量耦合为一个空间上的圆平面；对于任何一个带有止口的回转体零件来说，包含底部和顶部两个空间上的圆平面，对应的底部圆平面和顶部圆平面分别表示为：

5)对步骤4)获得的零件底部圆平面进行空间调心调倾处理，首先将底部圆平面的圆心位置调至绝对坐标原点，然后将底部圆平面的空间倾斜量调为0；即底部平面由一个带有一定偏心量和偏斜量的空间圆平面变为一个圆心位于绝对坐标原点的理想圆平面，理想圆平面可用4阶单位矩阵E来表示，整个变换过程为：

即：

T×P_bot＝E

则顶部圆平面发生同样的变换，变换过程为：

即：

T×P_top＝P′_top

此时，底部圆平面已经变为理想圆平面，已经不包含形貌特征量，底部圆平面的形貌耦合到顶部圆平面上；

令M＝P′_top，用矩阵M来表征一个包含微观形貌特征及宏观轴向高度的回转体零件，并用于以后的装配精度计算过程中。