CN111076866B - 基于形心矢量和极小化的大型高速回转装备多级零部件不平衡量堆叠装配方法和装置 - Google Patents

基于形心矢量和极小化的大型高速回转装备多级零部件不平衡量堆叠装配方法和装置 Download PDF

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Abstract

本发明提出了基于形心矢量和极小化的大型高速回转装备多级零部件不平衡量堆叠装配方法和装置，属于机械装配技术领域。所述方法通过建立单级转子的五参数轮廓测量模型、获得单级转子偏心误差、确定n级转子装配后由各级转子定位误差引起的偏心误差传递矩阵T0‑n和装配后由各级转子定位误差引起的第n级转子不平衡量和利用遗传算法优化各级转子角向安装位置等步骤，实现多级转子初始不平衡量的优化和多级零部件不平衡量堆叠装配。

Description

基于形心矢量和极小化的大型高速回转装备多级零部件不平 衡量堆叠装配方法和装置
技术领域
本发明涉及基于形心矢量和极小化的大型高速回转装备多级零部件不平衡量堆叠装配方法和装置，属于机械装配技术领域。
背景技术
航空发动机是飞机的核心部件，为了保证飞机的安全性，它需要安全可靠的长时间工作。转子的振动严重影响着发动机的安全、效率及寿命，而转子的不平衡量是决定发动机转子振动响应的重要因素。
发动机转子是由多个级盘装配而成，各级盘的不平衡量通过一定的组合形成转子的不平衡量。尽管在设计过程中对于每级盘的不平衡量均进行了严格的限制，但如果装配不当，多级盘的不平衡量在高速旋转过程中将对转子轴颈形成巨大的作用力与力矩，使转子产生剧烈振动。因此，优化航空发动机转子整体不平衡量，对提高其结构完整性、可靠性及寿命具有重要意义。
现有多级零部件不平衡量堆叠装配方法方法均存在的问题在于：未从数学机理上建立完善的多级转子不平衡量装配模型，未考虑单级转子圆轮廓测量误差在装配过程的传递和放大效果，导致无法精确预测多及零部件整体不平衡量，并且无法获得各级转子角向最佳安装相位。
发明内容
本发明为了解决现有技术中无法精确预测多及零部件整体不平衡量，并且无法获得各级转子角向最佳安装相位的问题，提出了基于形心矢量和极小化的大型高速回转装备多级零部件不平衡量堆叠装配方法，所采取的技术方案如下：
基于形心矢量和极小化的大型高速回转装备多级零部件不平衡量堆叠装配方法，所述大型高速回转装备多级零部件不平衡量堆叠装配方法为：
首先，建立单级转子的五参数轮廓测量模型；
然后，对所述五参数轮廓测量模型进行幂级数展开获得简化五参数轮廓测量模型；通过所述简化的五参数圆轮廓测量模型中估计单级转子偏心误差，获得单级转子偏心误差；
随后，利用所述单级转子偏心误差确定n级转子装配后由各级转子定位误差引起的偏心误差传递矩阵T0-n和装配后由各级转子定位误差引起的第n级转子不平衡量；
最后，通过定位误差引入的不平衡量的矢量跌价获取舵机转子初始不平衡量，并利用遗传算法优化各级转子角向安装位置，获得各级转子角向最佳安装相位，实现多级转子初始不平衡量的优化和多级零部件不平衡量堆叠装配；
其中，所述五参数轮廓测量模型包含被测单级转子偏心误差、传感器测头偏移量、传感器测球半径、测量面倾斜误差及传感器倾斜误差。
进一步地，所述大型高速回转装备多级零部件不平衡量堆叠装配方法的具体步骤包括：，
步骤一：建立单级转子的五参数轮廓测量模型，所述五参数轮廓测量模型如下：
Figure BDA0001836969900000021
其中，i＝0,1,2,…n-1；ρi为传感器测头到测量回转中心的距离，e为转子偏心量，即偏心误差，θi为相对于回转中心的采样角度，α为转子偏心角，r为传感器测球半径，n为采样点数，ri为拟合椭圆第i个采样点到几何中心的距离，Δri为转子表面加工误差，d为传感器测头偏移量；
步骤二：当偏心误差e相对于转子拟合椭圆短轴r0存在e/r0＜10-3的关系时，将步骤一所述单级转子五参数轮廓测量模型通过幂级数展开，获得简化的五参数圆轮廓测量模型；所述简化的五参数圆轮廓测量模型表示为：
Figure BDA0001836969900000022
其中，ρi为传感器测头到测量回转中心的距离，e为偏心量，θi为相对于回转中心的采样角度，α为偏心角，r为传感器测球半径，r0为拟合椭圆短轴，Δri为表面加工误差，d为传感器测头偏移量，γ为回转轴线与几何轴线的夹角，β为几何轴线在测量平面上的投影与测量初始方向的夹角，n为采样点数；ηi为采样角度中间变量；ξi为椭圆短轴中间变量；χ表示为为传感器倾斜角；
步骤三：将实际测量的圆轮廓数据代入所述简化的五参数圆轮廓测量模型中，估计单级转子偏心误差，获得单级转子偏心误差；
步骤四：利用单级转子偏心误差n级转子装配后由各级转子定位误差引起的偏心误差传递矩阵T0-n，所述偏心误差传递矩阵T0-n表示为：
Figure BDA0001836969900000031
其中，pi为第i级转子径向测量面圆心的理想位置向量；dpi为第i级转子径向测量面圆心位置的加工误差向量；Sri为第i级转子绕Z轴旋转θri角度的旋转矩阵；Sr1为单位矩阵；
步骤五：利用单级转子偏心误差确定所述多级转子中各级转子定位、定向误差引起的第n级转子不平衡量，所述第n级转子不平衡量表示为：
Figure BDA0001836969900000032
其中，Ux0-n为装配后第n级转子测量面在X轴方向上的不平衡量；Uy0-n为装配后第n级转子测量面在Y轴方向上的不平衡量；m0-n为装配后第n级转子的质量；pi为第i级转子径向测量面圆心的理想位置向量；dpi为第i级转子径向测量面圆心位置的加工误差向量；Sri为第i级转子绕Z轴旋转θri角度的旋转矩阵；Sr1为单位矩阵；Sxi为第i级转子基准平面绕X轴旋转θxi角度的旋转矩阵，则Sxi-1表示为第i-1级零部件基准平面绕X轴旋转θxi-1角度的旋转矩阵；Syi为第i级转子基准平面绕Y轴旋转θyi角度的旋转矩阵，则Syi-1表示为第i-1级零部件基准平面绕Y轴旋转θyi-1角度的旋转矩阵；
步骤六：将装配过程中由定位误差引入的不平衡量进行矢量相加，得到单级不平衡量，将各级转子不平衡量进行矢量叠加得到多级转子初始不平衡量，实现多级转子初始不平衡量的计算；
步骤七：利用遗传算法优化各级转子角向安装位置，即可得到各级转子角向最佳安装相位，实现多级转子初始不平衡量的优化和多级零部件不平衡量堆叠装配。
进一步地，步骤一所述拟合椭圆第i个采样点到几何中心的距离ri的模型为：
Figure BDA0001836969900000033
其中，r0为拟合椭圆短轴，
Figure BDA0001836969900000034
为相对于几何中心的采样角度，β为几何轴线在测量平面上的投影与测量初始方向的夹角，γ为回转轴线与几何轴线的夹角，χ为传感器倾斜角，n为采样点数。
基于形心矢量和极小化的大型高速回转装备多级零部件不平衡量堆叠装配装置，所述装置包括基座1、气浮轴系2、静平衡测量台3、调心调倾工作台4、立柱5、下横向测杆6、下伸缩式电感传感器7、上横向测杆8和上杠杆式电感传感器9；所述气浮轴系2嵌套在基座1中心位置上，静平衡测量台3配置在气浮轴系2中心位置上，其中静平衡测量台3包括静平衡测量台下板3a、静平衡测量台上板3b、两个导向杆3c，3d、四个驱动杆3e，3f，3g，3h和三个精密力传感器3i，3j，3k；两个导向杆3c，3d均匀等距配置在静平衡测量台下板3a上；四个驱动杆3e，3f，3g，3h均匀等距配置在静平衡测量台下板3a上，静平衡测量台上板3b套装在两个导向杆3c，3d上，三个精密力传感器3i，3j，3k均匀等距配置在静平衡测量台上板3b上；调心调倾工作台4配置在静平衡测量台3中心位置上，立柱5分布在气浮轴系2的左侧且固装在基座1上；在立柱5上从上至下依次移动调节地套装上横向测杆8和下横向测杆6，上杠杆式电感传感器9与上横向测杆8固连；下伸缩式电感传感器7与下横向测杆6固连。
本发明有益效果：
本发明提出的基于形心矢量和极小化的大型高速回转装备多级零部件不平衡量堆叠装配方法考虑圆轮廓测量中的转子偏心、传感器测头偏移、传感器测球半径、测量面倾斜误差及传感器倾斜误差五个参数分量，建立了五参数圆轮廓测量模型，可以准确的估计出偏心误差；分析航空发动机转子的定位误差在装配中的传递过程，确定n级转子装配后的偏心误差的传递关系，得到装配后各级转子定位误差引入的不平衡量，即单级不平衡量，将各级转子不平衡量进行矢量叠加得到多级转子初始不平衡量，实现多级转子初始不平衡量的计算。本发明提出的基于形心矢量和极小化的大型高速回转装备多级零部件不平衡量堆叠装配方法能够有效精确的预测多及零部件整体不平衡量，并且获得各级转子角向最佳安装相位，进而实现大型高速回转装备多级零部件不平衡量最佳安装相位的堆叠装配。
附图说明
图1为本发明所述大型高速回转装备多级零部件不平衡量堆叠装配方法的流程图。
图2为本发明所述装配装置的结构示意图。
图3为本发明所述静平衡测量台结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步说明，但本发明不受实施例的限制。
实施例1：
基于形心矢量和极小化的大型高速回转装备多级零部件不平衡量堆叠装配方法，所述大型高速回转装备多级零部件不平衡量堆叠装配方法为：
首先，建立单级转子的五参数轮廓测量模型；
然后，对所述五参数轮廓测量模型进行幂级数展开获得简化五参数轮廓测量模型；通过所述简化的五参数圆轮廓测量模型中估计单级转子偏心误差，获得单级转子偏心误差；
随后，利用所述单级转子偏心误差确定n级转子装配后由各级转子定位误差引起的偏心误差传递矩阵T0-n和装配后由各级转子定位误差引起的第n级转子不平衡量；
最后，通过定位误差引入的不平衡量的矢量跌价获取舵机转子初始不平衡量，并利用遗传算法优化各级转子角向安装位置，获得各级转子角向最佳安装相位，实现多级转子初始不平衡量的优化和多级零部件不平衡量堆叠装配；
其中，所述五参数轮廓测量模型包含被测单级转子偏心误差、传感器测头偏移量、传感器测球半径、测量面倾斜误差及传感器倾斜误差。
实施例2
基于形心矢量和极小化的大型高速回转装备多级零部件不平衡量堆叠装配方法，所述大型高速回转装备多级零部件不平衡量堆叠装配方法的具体步骤包括：，
步骤一：建立单级转子的五参数轮廓测量模型，所述五参数轮廓测量模型如下：
Figure BDA0001836969900000051
其中，i＝0,1,2,…n-1；ρi为传感器测头到测量回转中心的距离，e为转子偏心量，即偏心误差，θi为相对于回转中心的采样角度，α为转子偏心角，r为传感器测球半径，n为采样点数，ri为拟合椭圆第i个采样点到几何中心的距离，Δri为转子表面加工误差，d为传感器测头偏移量；
步骤二：当偏心误差e相对于转子拟合椭圆短轴r0存在e/r0＜10-3的关系时，将步骤一所述单级转子五参数轮廓测量模型通过幂级数展开，获得简化的五参数圆轮廓测量模型；所述简化的五参数圆轮廓测量模型表示为：
Figure BDA0001836969900000052
其中，ρi为传感器测头到测量回转中心的距离，e为偏心量，θi为相对于回转中心的采样角度，α为偏心角，r为传感器测球半径，r0为拟合椭圆短轴，Δri为表面加工误差，d为传感器测头偏移量，γ为回转轴线与几何轴线的夹角，β为几何轴线在测量平面上的投影与测量初始方向的夹角，n为采样点数；ηi为采样角度中间变量；ξi为椭圆短轴中间变量；χ表示为为传感器倾斜角；
步骤三：将实际测量的圆轮廓数据代入所述简化的五参数圆轮廓测量模型中，估计单级转子偏心误差，获得单级转子偏心误差；
步骤四：利用单级转子偏心误差n级转子装配后由各级转子定位误差引起的偏心误差传递矩阵T0-n，所述偏心误差传递矩阵T0-n表示为：
Figure BDA0001836969900000061
其中，pi为第i级转子径向测量面圆心的理想位置向量；dpi为第i级转子径向测量面圆心位置的加工误差向量；Sri为第i级转子绕Z轴旋转θri角度的旋转矩阵；Sr1为单位矩阵；
步骤五：利用单级转子偏心误差确定所述多级转子中各级转子定位、定向误差引起的第n级转子不平衡量，所述第n级转子不平衡量表示为：
Figure BDA0001836969900000062
其中，Ux0-n为装配后第n级转子测量面在X轴方向上的不平衡量；Uy0-n为装配后第n级转子测量面在Y轴方向上的不平衡量；m0-n为装配后第n级转子的质量；pi为第i级转子径向测量面圆心的理想位置向量；dpi为第i级转子径向测量面圆心位置的加工误差向量；Sri为第i级转子绕Z轴旋转θri角度的旋转矩阵；Sr1为单位矩阵；Sxi为第i级转子基准平面绕X轴旋转θxi角度的旋转矩阵，则Sxi-1表示为第i-1级零部件基准平面绕X轴旋转θxi-1角度的旋转矩阵；Syi为第i级转子基准平面绕Y轴旋转θyi角度的旋转矩阵，则Syi-1表示为第i-1级零部件基准平面绕Y轴旋转θyi-1角度的旋转矩阵；
步骤六：将装配过程中由定位误差引入的不平衡量进行矢量相加，得到单级不平衡量，将各级转子不平衡量进行矢量叠加得到多级转子初始不平衡量，实现多级转子初始不平衡量的计算；
步骤七：利用遗传算法优化各级转子角向安装位置，即可得到各级转子角向最佳安装相位，实现多级转子初始不平衡量的优化和多级零部件不平衡量堆叠装配。
其中，步骤一所述拟合椭圆第i个采样点到几何中心的距离ri的模型为：
Figure BDA0001836969900000063
式中，r0为拟合椭圆短轴，
Figure BDA0001836969900000071
为相对于几何中心的采样角度，β为几何轴线在测量平面上的投影与测量初始方向的夹角，γ为回转轴线与几何轴线的夹角，χ为传感器倾斜角，n为采样点数。
实施例3：
基于形心矢量和极小化的大型高速回转装备多级零部件不平衡量堆叠装配装置，如图2和图3所示，所述装置包括基座1、气浮轴系2、静平衡测量台3、调心调倾工作台4、立柱5、下横向测杆6、下伸缩式电感传感器7、上横向测杆8和上杠杆式电感传感器9；所述气浮轴系2嵌套在基座1中心位置上，静平衡测量台3配置在气浮轴系2中心位置上，其中静平衡测量台3包括静平衡测量台下板3a、静平衡测量台上板3b、两个导向杆3c，3d、四个驱动杆3e，3f，3g，3h和三个精密力传感器3i，3j，3k；两个导向杆3c，3d均匀等距配置在静平衡测量台下板3a上；四个驱动杆3e，3f，3g，3h均匀等距配置在静平衡测量台下板3a上，静平衡测量台上板3b套装在两个导向杆3c，3d上，三个精密力传感器3i，3j，3k均匀等距配置在静平衡测量台上板3b上；调心调倾工作台4配置在静平衡测量台3中心位置上，立柱5分布在气浮轴系2的左侧且固装在基座1上；在立柱5上从上至下依次移动调节地套装上横向测杆8和下横向测杆6，上杠杆式电感传感器9与上横向测杆8固连；下伸缩式电感传感器7与下横向测杆6固连。
虽然本发明已以较佳的实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做各种改动和修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。

Claims (3)

1.基于形心矢量和极小化的大型高速回转装备多级零部件不平衡量堆叠装配方法，其特征在于，所述大型高速回转装备多级零部件不平衡量堆叠装配方法为：
首先，建立单级转子的五参数轮廓测量模型；
然后，对所述五参数轮廓测量模型进行幂级数展开获得简化五参数轮廓测量模型；通过所述简化的五参数圆轮廓测量模型中估计单级转子偏心误差，获得单级转子偏心误差；
随后，利用所述单级转子偏心误差确定n级转子装配后由各级转子定位误差引起的偏心误差传递矩阵T0-n和装配后由各级转子定位误差引起的第n级转子不平衡量；
最后，通过定位误差引入的不平衡量的矢量跌价获取舵机转子初始不平衡量，并利用遗传算法优化各级转子角向安装位置，获得各级转子角向最佳安装相位，实现多级转子初始不平衡量的优化和多级零部件不平衡量堆叠装配；
其中，所述五参数轮廓测量模型包含被测单级转子偏心误差、传感器测头偏移量、传感器测球半径、测量面倾斜误差及传感器倾斜误差；
所述大型高速回转装备多级零部件不平衡量堆叠装配方法的具体步骤包括：
步骤一：建立单级转子的五参数轮廓测量模型，所述五参数轮廓测量模型如下：
Figure FDA0002905072940000011
其中，i＝0,1,2,…n-1；ρi为传感器测头到测量回转中心的距离，e为转子偏心量，即偏心误差，θi为相对于回转中心的采样角度，α为转子偏心角，r为传感器测球半径，n为采样点数，ri为拟合椭圆第i个采样点到几何中心的距离，Δri为转子表面加工误差，d为传感器测头偏移量；
步骤二：当偏心误差e相对于转子拟合椭圆短轴r0存在e/r0＜10-3的关系时，将步骤一所述单级转子五参数轮廓测量模型通过幂级数展开，获得简化的五参数圆轮廓测量模型；所述简化的五参数圆轮廓测量模型表示为：
Figure FDA0002905072940000012
其中，ρi为传感器测头到测量回转中心的距离，e为偏心量，θi为相对于回转中心的采样角度，α为偏心角，r为传感器测球半径，r0为拟合椭圆短轴，Δri为表面加工误差，d 为传感器测头偏移量，γ为回转轴线与几何轴线的夹角，β为几何轴线在测量平面上的投影与测量初始方向的夹角，n为采样点数；ηi为采样角度中间变量；ξi为椭圆短轴中间变量；χ表示为为传感器倾斜角；
步骤三：将实际测量的圆轮廓数据代入所述简化的五参数圆轮廓测量模型中，估计单级转子偏心误差，获得单级转子偏心误差；
步骤四：利用单级转子偏心误差n级转子装配后由各级转子定位误差引起的偏心误差传递矩阵T0-n，所述偏心误差传递矩阵T0-n表示为：
Figure FDA0002905072940000021
其中，pi为第i级转子径向测量面圆心的理想位置向量；dpi为第i级转子径向测量面圆心位置的加工误差向量；Sri为第i级转子绕Z轴旋转θri角度的旋转矩阵；Sr1为单位矩阵；
步骤五：利用单级转子偏心误差确定所述多级转子中各级转子定位、定向误差引起的第n级转子不平衡量，所述第n级转子不平衡量表示为：
Figure FDA0002905072940000022
其中，Ux0-n为装配后第n级转子测量面在X轴方向上的不平衡量；Uy0-n为装配后第n级转子测量面在Y轴方向上的不平衡量；m0-n为装配后第n级转子的质量；pi为第i级转子径向测量面圆心的理想位置向量；dpi为第i级转子径向测量面圆心位置的加工误差向量；Sri为第i级转子绕Z轴旋转θri角度的旋转矩阵；Sr1为单位矩阵；Sxi为第i级转子基准平面绕X轴旋转θxi角度的旋转矩阵，则Sxi-1表示为第i-1级零部件基准平面绕X轴旋转θxi-1角度的旋转矩阵；Syi为第i级转子基准平面绕Y轴旋转θyi角度的旋转矩阵，则Syi-1表示为第i-1级零部件基准平面绕Y轴旋转θyi-1角度的旋转矩阵；
步骤六：将装配过程中由定位误差引入的不平衡量进行矢量相加，得到单级不平衡量，将各级转子不平衡量进行矢量叠加得到多级转子初始不平衡量，实现多级转子初始不平衡量的计算；
步骤七：利用遗传算法优化各级转子角向安装位置，即可得到各级转子角向最佳安装相位，实现多级转子初始不平衡量的优化和多级零部件不平衡量堆叠装配。
2.根据权利要求1所述大型高速回转装备多级零部件不平衡量堆叠装配方法，其特征在于，步骤一所述拟合椭圆第i个采样点到几何中心的距离ri的模型为：
Figure FDA0002905072940000031
其中，r0为拟合椭圆短轴，
Figure FDA0002905072940000032
为相对于几何中心的采样角度，β为几何轴线在测量平面上的投影与测量初始方向的夹角，γ为回转轴线与几何轴线的夹角，χ为传感器倾斜角，n为采样点数。
3.一种用于实现权利要求1所述装配方法的基于形心矢量和极小化的大型高速回转装备多级零部件不平衡量堆叠装配装置，其特征在于，所述装置包括基座(1)、气浮轴系(2)、静平衡测量台(3)、调心调倾工作台(4)、立柱(5)、下横向测杆(6)、下伸缩式电感传感器(7)、上横向测杆(8)和上杠杆式电感传感器(9)；所述气浮轴系(2)嵌套在基座(1)中心位置上，静平衡测量台(3)配置在气浮轴系(2)中心位置上，其中静平衡测量台(3)包括静平衡测量台下板(3a)、静平衡测量台上板(3b)、两个导向杆(3c，3d)、四个驱动杆(3e，3f，3g，3h)和三个精密力传感器(3i，3j，3k)；两个导向杆(3c，3d)均匀等距配置在静平衡测量台下板(3a)上；四个驱动杆(3e，3f，3g，3h)均匀等距配置在静平衡测量台下板(3a)上，静平衡测量台上板(3b)套装在两个导向杆(3c，3d)上，三个精密力传感器(3i，3j，3k)均匀等距配置在静平衡测量台上板(3b)上；调心调倾工作台(4)配置在静平衡测量台(3)中心位置上，立柱(5)分布在气浮轴系(2)的左侧且固装在基座(1)上；在立柱(5)上从上至下依次移动调节地套装上横向测杆(8)和下横向测杆(6)，上杠杆式电感传感器(9)与上横向测杆(8)固连；下伸缩式电感传感器(7)与下横向测杆(6)固连。
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