CN110906862A - 大型高速回转装备几何形貌与质量特性一体化测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种大型高速回转装备几何形貌与质量特性一体化测量装置，包括平行设置在基座两侧的两个立柱、气浮轴系、调心调倾工作台、称重机构、翻转卡盘和起振机构；翻转卡盘调节被测转子的测量姿态，所述的气浮轴系设置在基座的中心，所述的气浮轴系由力矩电机带动，力矩电机的转轴末端固设有扭杆，扭杆的末端由励磁制动器制动，力矩电机上设有光栅测角机构，在两个立柱上滑动设置有四个横臂，且四个横臂两两一组，每个横臂的端部处均配置一球关节万向表架，在每一球关节万向表架的端部处配置一电感传感器。本发明通过单次装夹测得大型高速回转装备单级盘几何形貌参数与质量特性参数，测量集成化更高，节约测量时间与测量成本。

Description

大型高速回转装备几何形貌与质量特性一体化测量装置

技术领域

本发明属于机械测量装置技术领域，尤其是涉及一种大型高速回转装备几何形貌与质量特性一体化测量装置。

背景技术

以航空发动机、舰船燃机、电站燃机、天然气/石油输送增压燃机为代表的大型精密高速回转装备，由于技术复杂，研制难度大，再加上国外技术封锁，已成为我国高端装备领域中的“卡脖子”问题。

以航空发动机为例子，核心机作为航空发动机的心脏，其装配质量直接影响航空发动机的性能，其中形心装配偏差造成的同轴度误差，将导致几何轴线和回转轴线的偏离；重心装配偏差造成的初始不平衡量与附加激振力，将导致航空发动机高速工作时回转挠度随转动角度高频变化、振动加剧、甚至故障；惯性主轴装配偏差将造成的转动惯量增大，将影响航空发动机加、减速性能，动态振动特性和战斗机的格斗性能。然而核心机装配后的几何特性、质量特性、转动惯量特性等依赖于单级盘的几何形心与质量特性的准确测量，其中几何形心测量以同轴度为核心指标，辅以同心度、平行度、垂直度、径向跳动、轴向跳动、圆度、直线度和圆柱度等，质量特性主要包括单级盘重心、惯性张量(包括转动惯量与惯性积)的测量。

当前国内的几何形心与转动惯量多采用分体式测量方法，如在发动机几何综合测量系统上测量几何形心，在多点称重台上测量重心，在扭摆台上测量转动惯量，在动平衡机上测量惯性积。由于要多次更换设备，测量过程繁琐，测量成本高，且多次装夹容易造成基准不统一，测量误差大。此外国内外转动惯量测量装置主要针对特定被测对象的转动惯量测量(如导弹，无人机)且难以获得其绕自身三个坐标轴的转动惯量。对于航空发动机核心机转子部件以及类似的大型高速回转装备薄壁圆柱件的转动惯量测量，测量设备难以直接应用。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种大型高速回转装备几何形貌与质量特性一体化测量装置，通过单次装夹测得大型高速回转装备单级盘几何形貌参数与质量特性参数，测量集成化更高，节约测量时间与测量成本。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种大型高速回转装备几何形貌与质量特性一体化测量装置，包括平行设置在基座两侧的两个立柱、设置在基座内部的气浮轴系、设置在两个立柱之间的且固定在气浮轴系上的调心调倾工作台、固定在调心调倾工作台上的称重机构、设置在称重机构上的翻转卡盘和设置在基座上的对气浮轴系起振的起振机构；所述的翻转卡盘夹紧被测转子且调节被测转子的测量姿态；

所述的气浮轴系设置在基座的中心，所述的气浮轴系由力矩电机带动，力矩电机的转轴末端固设有扭杆，扭杆的末端与励磁制动器连接，力矩电机上设有光栅测角机构，所述光栅测角机构测量起振机构对气浮轴系起振时，气浮轴系的摆动角度及摆动周期；

在两个立柱上滑动设置有四个横臂，且四个横臂两两一组设置，每个横臂的端部处均配置一球关节万向表架，在每一球关节万向表架的端部处配置一电感传感器。

进一步的，所述气浮轴系包括气浮轴、气浮轴套、上台面和气浮下板，所述气浮轴设置在气浮轴套内，所述上台面和气浮下板设置在气浮轴套外，所述上台面固定在气浮轴的上端，所述气浮下板固定在气浮轴的下端，所述调心调倾工作台固定在上台面上。

进一步的，所述称重机构包括上支撑板、下支撑板和若干称重传感器，所述上支撑板和下支撑板均为环形板，且上支撑板的外环直径小于下支撑板的内环直径，若干承重传感器均匀布置在上支撑板和下支撑板之间；每个称重传感器的下端面固定在下支撑板上，每个称重传感器的上端面均通过一支撑机构支撑着上支撑板的下表面。

进一步的，所述支撑机构包括上V块、支撑球和下凹球块，所述支撑球设置在上V块与下凹球块围成的空间内，所述支撑球支撑上V块，所述上V块固定在上支撑板上，所述下凹球块固定在称重传感器的上端面。

进一步的，所述翻转卡盘包括支座、翻转轴、步进电机、翻转手柄、刻度盘和三爪卡盘，所述翻转轴由支座支撑，且绕支座旋转设置，所述步进电机固定在翻转轴的侧面，步进电机的轴穿过翻转轴的中部与三爪卡盘固定连接，翻转轴的旋转角度由翻转手柄控制并通过刻度盘读取。

进一步的，所述翻转手柄固定在翻转轴的一端，且翻转手柄在设置在支座的限位槽内转动，且由锁紧螺母锁紧，翻转轴的另一端设有与刻度盘配合的指针。

进一步的，所述起振机构包括气缸和气缸支撑板，所述气缸固定在气缸支撑板上，所述气缸支撑板固定在基座的上表面，气缸的活塞杆伸出对上台面起振。

进一步的，所述光栅测角机构包括光栅尺、光栅读数头和读数头安装架，所述光栅尺套设在力矩电机的转子组件上，所述光栅读数头通过读数头安装架固定在力矩电机的定子组件上，起振机构对上台面起振时，光栅读数头与光栅尺配合测量上台面的摆动角度和摆动周期。

进一步的，力矩电机的定子组件固定在气浮轴套上，力矩电机的转子组件固定在在气浮下板上，扭杆上端固结在力矩电机的转轴上，扭杆的下端与励磁制动器转轴部分固连，励磁制动器的下端通过制动器桶固定在气浮轴套上。

进一步的，在立柱上设有竖直导轨，四个横臂沿其对应的竖直导轨竖直移动，所有横臂上均设有水平导轨，所有横臂沿各自水平导轨水平移动。

相对于现有技术，本发明所述的大型高速回转装备几何形貌与质量特性一体化测量装置具有以下优势：

本发明所述的大型高速回转装备几何形貌与质量特性一体化测量装置，可通过单次装夹测得大型高速回转装备单级盘同轴度、垂直度等几何形貌参数与重心、转动惯量、惯性积等质量特性参数，测量集成化更高，节约测量时间与测量成本，单次装夹测量，避免因测量基准不统一带来的测量误差。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例所述的大型高速回转装备几何形貌与质量特性一体化测量装置的结构示意图；

图2为气浮轴系的结构示意图；

图3为称重机构的结构示意图；

图4为称重机构中支撑机构的结构示意图；

图5为翻转卡盘的一个角度的结构示意图；

图6为翻转卡盘的另一个角度的结构示意图；

图7为基座内部的结构示意图；

图8为起振机构的结构示意图；

图9为光栅测角机构的结构示意图。

附图标记说明：

1-球关节万向表架，2-横臂，3-电感传感器，4-立柱，5-调心调倾工作台，6-起振机构，6a-起振气缸，6b-气缸支撑板，7-气浮轴系，7a-上台面，7b-气浮轴套，7c-气浮轴，7d-气浮下板，8-基座，9-称重机构，9a-上支撑板，9b-下支撑板，9c-支撑球，9d-下凹球块，9e-上V块，9f-称重传感器，10-翻转卡盘，10a-支座，10b-翻转手柄，10c-三爪卡盘，10d-翻转轴，10e-刻度盘，10f-步进电机，10g-限位槽，10h-指针，10k-锁紧螺母，11-制动器桶、12-扭杆，13-励磁制动器，14-力矩电机，15-光栅测角机构，15a-光栅尺，15b-光栅读数头，15c-读数头安装架。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

如图1-图9所示，大型高速回转装备几何形貌与质量特性一体化测量装置，包括平行设置在基座8两侧的两个立柱4、设置在基座8内部的气浮轴系7、设置在两个立柱4之间的且固定在气浮轴系7上的调心调倾工作台5、固定在调心调倾工作台5上的称重机构9、设置在称重机构9上的翻转卡盘10和设置在基座8上的对气浮轴系7起振的起振机构6；所述的翻转卡盘10夹紧被测转子且调节被测转子的测量姿态；

所述的气浮轴系7设置在基座8的中心，所述的气浮轴系7由力矩电机14带动，力矩电机14的转轴末端固设有扭杆12，扭杆12的末端与励磁制动器13连接，力矩电机14上设有光栅测角机构10，所述光栅测角机构15测量起振机构6对气浮轴系7起振时，气浮轴系7的摆动角度及摆动周期；

在两个立柱4上滑动设置有四个横臂2，且四个横臂2两两一组设置，每个横臂2的端部处均配置一球关节万向表架1，在每一球关节万向表架1的端部处配置一电感传感器3，电感传感器3由球关节万向表架1带动沿空间任意方向运动。

气浮轴系7包括气浮轴7c、气浮轴套7b、上台面7a和气浮下板7d，所述气浮轴7c设置在气浮轴套7b内，所述上台面7a和气浮下板7d设置在气浮轴套7b外，所述上台面7a固定在气浮轴7c的上端，所述气浮下板7d固定在气浮轴7c的下端，所述调心调倾工作台5固定在上台面7a的中心，所述称重机构9设置在调心调倾工作台5的中心，所述翻转卡盘10设置在称重机构9的中心。

称重机构9包括上支撑板9a、下支撑板9b和三个称重传感器9f，所述上支撑板9a和下支撑板9b均为环形板，且上支撑板9a的外环直径小于下支撑板9b的内环直径，三个承重传感器9f均匀布置在上支撑板9a和下支撑板9b之间；每个称重传感器9f的下端面固定在下支撑板9b上，每个称重传感器9f的上端面均通过一支撑机构支撑着上支撑板9a的下表面。

支撑机构包括上V块9e、支撑球9c和下凹球块9d，所述支撑球9c设置在上V块9e与下凹球块9d围成的空间内，所述支撑球9c支撑上V块9e，所述上V块9e固定在上支撑板9a上，所述下凹球块9d固定在称重传感器9f的上端面，通过此球面与V块支撑方式，实现支撑板在水平面内的完全定位，且通过小球面传力，称重传感器读数更加精准。

翻转卡盘包括支座10a、翻转轴10d、步进电机10f、翻转手柄10b、刻度盘10e和三爪卡盘10c，所述翻转轴10d由支座10a支撑，且绕支座10a旋转设置，所述步进电机10f固定在翻转轴10d的侧面，步进电机10f的轴穿过翻转轴10d的中部与三爪卡盘10c固定连接，翻转轴10d的旋转角度由翻转手柄10b控制并可通过刻度盘10e读取，通过翻转卡盘，实现被测件位姿调整，且能精确读出各个位姿对应的旋转角度。

翻转手柄10b固定在翻转轴10d的一端，且翻转手柄10b在设置在支座10a的限位槽10g内转动，且由锁紧螺母10k锁紧，翻转轴10d的另一端设有与刻度盘10e配合的指针10h。

起振机构6包括气缸6a和气缸支撑板6b，所述气缸6a固定在气缸支撑板6b上，所述气缸支撑板6b固定在基座8的上表面，气缸6a的活塞杆伸出对上台面7a起振。

光栅测角机构15包括光栅尺15a、光栅读数头15b和读数头安装架15c，所述光栅尺15a套设在力矩电机14的转子组件上，所述光栅读数头15b通过读数头安装架15c固定在力矩电机14的定子组件上，起振机构6中的气缸6a对上台面7a起振时，光栅读数头15b与光栅尺15a配合测量上台面7a的摆动角度和摆动周期。

力矩电机14的定子组件固定在气浮轴套7b上，力矩电机14的转子组件固定在在气浮下板7d上，扭杆12上端固结在力矩电机14的转轴上，扭杆12的下端与励磁制动器13转轴部分固连，励磁制动器13的下端通过制动器桶11固定在气浮轴套7b上。

在立柱4上设有竖直导轨，四个横臂2沿其对应的竖直导轨竖直移动，所有横臂2上均设有水平导轨，所有横臂2沿各自水平导轨水平移动，测量装置测试时，可以通过在相应导轨上添加夹片的方式，固定横臂2的空间位置。

利用本测量装置测量大型高速回转装备几何形貌和回转装备质量特性的方法包括：

(1)将被测转子通过内止口固定在翻转卡盘10上，调整翻转卡盘10与调心调倾工作台5，使被测转子轴线与测量装置的回转轴线重合，调节四个横臂2与球关节万向表架1，使四个电感传感器3分别与被测转子外端面与上下止口面接触，启动力矩电机14使力矩电机14带动被测转子以6～10r/min的速度匀速旋转，四个电感传感器3在被测转子测量基准面上进行等间隔采样，采样点数应满足每圈1000～2000个点，并通过所测数据求得转子同轴度和垂直度等几何形貌参数。

(2)关闭力矩电机14，启动称重机构9，读取三个称重传感器9f的读数，通过手柄10b调节翻转卡盘10，改变测量姿态，通过刻度盘10e读取并记录翻转角度，再次读取三个称重传感器9f的数值，通过两组称重传感器9f的读数与翻转角度，经过相关计算即可解算出所测转子与翻转夹具总重心。

(3)将被测转子回位(被测转子轴线与测量装置回转轴线重合且气浮轴系7的上台面处于初始角度)启动励磁制动器13，将扭杆12下端夹紧，启动起振机构6，使起振机构6将气浮轴系7的上台面7a推动一定的角度后松开，上台面7a在扭杆12回复力的作用下带动调心调倾工作台5、称重机构9翻转卡盘10与待测转子做往复振动，通过光栅测角机构15读取摆动角度与摆动周期即可解算出气浮轴系7、调心调倾工作台5、称重机构9、翻转卡盘10与待测转子绕回转轴线总转动惯量；调节翻转卡盘10，改变待测转子的姿态，重复上述测量过程，重复测量共6次，直到获得气浮轴系7、调心调倾工作台5、称重机构9、翻转卡盘10与待测转子6组绕回转轴线总转动惯量数据；通过这6组数据通过相关解析即可解算出气浮轴系7、调心调倾工作台5、称重机构9、翻转卡盘10与待测转子的总惯性张量矩阵。

(4)将转子拆下，空载重复步骤(2)，得到空载重心(即翻转卡盘10重心)，空载重复步骤(3)，得到空载惯性张量矩阵(气浮轴系7、调心调倾工作台5、称重机构9和翻转卡盘10的总转动惯量)。

(5)通过(2)、(3)中的加载数据与(4)中的空载数据，解算出待测转子自身的重心与惯性张量(转动惯量与惯性积)矩阵。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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 (10)

1.一种大型高速回转装备几何形貌与质量特性一体化测量装置，其特征在于：包括平行设置在基座(8)两侧的两个立柱(4)、设置在基座(8)内部的气浮轴系(7)、设置在两个立柱(4)之间的且固定在气浮轴系(7)上的调心调倾工作台(5)、固定在调心调倾工作台(5)上的称重机构(9)、设置在称重机构(9)上的翻转卡盘(10)和设置在基座(8)上的对气浮轴系(7)起振的起振机构(6)；所述的翻转卡盘(10)夹紧被测转子且调节被测转子的测量姿态；

所述的气浮轴系(7)设置在基座(8)的中心，所述的气浮轴系(7)由力矩电机(14)带动，力矩电机(14)的转轴末端固设有扭杆(12)，扭杆(12)的末端与励磁制动器(13)连接，力矩电机(14)上设有光栅测角机构(10)，所述光栅测角机构(15)测量起振机构(6)对气浮轴系(7)起振时，气浮轴系(7)的转动角度及摆动周期；

在两个立柱(4)上滑动设置有四个横臂(2)，且四个横臂(2)两两一组设置，每个横臂(2)的端部处均配置一球关节万向表架(1)，在每一球关节万向表架(1)的端部处配置一电感传感器(3)。

2.根据权利要求1所述的大型高速回转装备几何形貌与质量特性一体化测量装置，其特征在于：所述气浮轴系(7)包括气浮轴(7c)、气浮轴套(7b)、上台面(7a)和气浮下板(7d)，所述气浮轴(7c)设置在气浮轴套(7b)内，所述上台面(7a)和气浮下板(7d)设置在气浮轴套(7b)外，所述上台面(7a)固定在气浮轴(7c)的上端，所述气浮下板(7d)固定在气浮轴(7c)的下端，所述调心调倾工作台(5)固定在上台面(7a)上。

3.根据权利要求1所述的大型高速回转装备几何形貌与质量特性一体化测量装置，其特征在于：所述称重机构(9)包括上支撑板(9a)、下支撑板(9b)和若干称重传感器(9f)，所述上支撑板(9a)和下支撑板(9b)均为环形板，且上支撑板(9a)的外环直径小于下支撑板(9b)的内环直径，若干承重传感器(9f)均匀布置在上支撑板(9a)和下支撑板(9b)之间；每个称重传感器(9f)的下端面固定在下支撑板(9b)上，每个称重传感器(9f)的上端面均通过一支撑机构支撑着上支撑板(9a)的下表面。

4.根据权利要求3所述的大型高速回转装备几何形貌与质量特性一体化测量装置，其特征在于：所述支撑机构包括上V块(9e)、支撑球(9c)和下凹球块(9d)，所述支撑球(9c)设置在上V块(9e)与下凹球块(9d)围成的空间内，所述支撑球(9c)支撑上V块(9e)，所述上V块(9e)固定在上支撑板(9a)上，所述下凹球块(9d)固定在称重传感器(9f)的上端面。

5.根据权利要求1所述的大型高速回转装备几何形貌与质量特性一体化测量装置，其特征在于：所述翻转卡盘(10)包括支座(10a)、翻转轴(10d)、步进电机(10f)、翻转手柄(10b)、刻度盘(10e)和三爪卡盘(10c)，所述翻转轴(10d)由支座(10a)支撑，且绕支座(10a)旋转设置，所述步进电机(10f)固定在翻转轴(10d)的侧面，步进电机(10f)的轴穿过翻转轴(10d)的中部与三爪卡盘(10c)固定连接，翻转轴(10d)的旋转角度由翻转手柄(10b)控制并通过刻度盘(10e)读取。

6.根据权利要求5所述的大型高速回转装备几何形貌与质量特性一体化测量装置，其特征在于：所述翻转手柄(10b)固定在翻转轴(10d)的一端，且翻转手柄(10b)在设置在支座(10a)的限位槽(10g)内转动，且由锁紧螺母(10k)锁紧，翻转轴(10d)的另一端设有与刻度盘(10e)配合的指针(10h)。

7.根据权利要求2所述的大型高速回转装备几何形貌与质量特性一体化测量装置，其特征在于：所述起振机构(6)包括气缸(6a)和气缸支撑板(6b)，所述气缸(6a)固定在气缸支撑板(6b)上，所述气缸支撑板(6b)固定在基座(8)的上表面，气缸(6a)的活塞杆伸出对上台面(7a)起振。

8.根据权利要求2-7中任一项所述的大型高速回转装备几何形貌与质量特性一体化测量装置，其特征在于：所述光栅测角机构(15)包括光栅尺(15a)、光栅读数头(15b)和读数头安装架(15c)，所述光栅尺(15a)套设在力矩电机(14)的转子组件上，所述光栅读数头(15b)通过读数头安装架(15c)固定在力矩电机(14)的定子组件上，起振机构(6)对上台面(7a)起振时，光栅读数头(15b)与光栅尺(15a)配合测量上台面(7a)的摆动角度和摆动周期。

9.根据权利要求8中任一项所述的大型高速回转装备几何形貌与质量特性一体化测量装置，其特征在于：力矩电机(14)的定子组件固定在气浮轴套(7b)上，力矩电机(14)的转子组件固定在在气浮下板(7d)上，扭杆(12)上端固结在力矩电机(14)的转轴上，扭杆(12)的下端与励磁制动器(13)转轴部分固连，励磁制动器(13)的下端通过制动器桶(11)固定在气浮轴套(7b)上。

10.根据权利要求9所述的大型高速回转装备几何形貌与质量特性一体化测量装置，其特征在于：在立柱(4)上设有竖直导轨，四个横臂(2)沿其对应的竖直导轨竖直移动，所有横臂(2)上均设有水平导轨，所有横臂(2)沿各自水平导轨水平移动。

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