CN113028954B - 风洞测压试验模型测压底孔的垂直度检测装置及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及风洞技术领域，尤其涉及风洞测压试验模型测压底孔的垂直度检测装置及检测方法。所述装置为检测销，包括销头和配合段，其中，所述销头为一体式结构，其上部为圆锥体，中部为圆柱体，下部为喇叭口形，并与配合段连接，圆锥体的顶端为检测顶点；配合段为等直圆柱体，用于插入风洞试验模型待检测的测压底孔。本发明的装置简单易行、且具有通用性，测量方法高效便捷，底孔检测过程与全模三坐标检测工作可同步开展；检测灵活，结果可靠，具有很好的推广价值。

Description

风洞测压试验模型测压底孔的垂直度检测装置及检测方法

技术领域

本发明涉及风洞技术领域，尤其涉及风洞测压试验模型测压底孔的垂直度检测装置及检测方法。

背景技术

测量飞行器模型表面压力分布，是风洞试验中一项常规且重要的试验类型。通过测压试验，可以获得模型表面压力分布的气动规律、具体量值，细致的刻画出其流动形态，从微观角度精细化的掌握飞行器气动特性，为飞行器载荷设计、外形优化以及大气数据系统设计等诸多专业，提供丰富、详实、可靠的试验数据。

这类试验的基础是设计/加工可靠、精准的试验模型：测压试验模型。在模型表面设计、加工测压孔，通过这些分布于模型各处的测压孔最终获得模型表面压力数据，是这类型试验的技术思路与工程实现途径，也是目前测压类试验模型设计的通用技术方法。

高速风洞模型设计，已有相关标准予以规范。这其中，对于测压孔的技术要求十分严格且明确：测压孔轴线垂直于模型当地表面、且与当地表面法线之夹角不超过3′。

如何准确测量测压孔与当地物面的角度、评判其与标准值的偏差，是测压孔加工和检测的重要内容。

1、目前的测压孔设计、加工方法

如图1(a)所示为是现有的测压管加工、安装方法原理图；图1(b)是图1(a)的一个零件放大图，实际工作中，是将加工好的图1(b)零件通过过盈配合的方式安装/镶嵌至图1(a)的一个测压底孔中。广泛使用、业已成熟的测压孔设计、加工方法如下：

(1)在模型整体加工的过程中，当进行到加工测压孔的工艺步骤/流程时，按照设计图纸要求的坐标点处，加工一个垂直于当地物面/模型表面的通孔，称其为“测压底孔”。目前，这一底孔广泛采用的尺寸为：直径Φ_底孔＝3.0mm。

(2)加工外径Φ_衬套外径＝3.0mm铜质衬套，并在衬套中央加工一直径Φ_衬套内径＝0.8mm的贯穿孔。这一衬套的作用在于，将测压管包裹其中，起到与测压管过盈配合(紧配合)与保护的作用；同时，这一衬套最终还要与模型进行配合安装，实现在模型表面进行压力测量的技术目的。一般而言，衬套高度H应大于模型壁厚，这样可以最大限度的增大与模型壁的配合面，增强衬套与模型之间配合的紧密度。

(3)将“衬套+测压管”组件，通过过盈配合(衬套外径与底孔直径相同，加工时按照H7/h6的公差标准进行加工)方式紧密安装于测压底孔中，实现与模型的紧固配合与安装。有时，为了进一步加强这一安装的紧固性，还可涂抹粘合剂。

经过上述工艺流程，一个测压孔即完成装配。如此反复，最终完成模型设计中的所有测压孔装配。如图2所示为现有技术的一种垂直度检测装置结构图；图3为现有技术的螺纹垂直度检测装置结构图；

通过上述描述可见，测压底孔是否垂直当地物面，对于最终的测压孔垂直度具有决定性影响。

2、目前的检测手段

目前，尚无直接的底孔垂直度检测方法。如图4所示为现有技术的一种垂直度检测方法原理图；图5为现有技术的另一种垂直度检测方法原理图。

目前的机械加工领域，都是通过五轴数控机床实现对整个模型及测压底孔的加工。由于五轴数控机床加工精度较高，通过所谓“提高设备性能及工艺水平”来保证产品质量的思路，来保证底孔的加工质量。但这是一种间接的质量保证措施，并不能实现底孔垂直度直接检测，更不能给出垂直度偏差具体数据。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术缺陷，提出了一种风洞测压试验模型测压底孔的垂直度检测装置及检测方法。

为了实现上述目的，本发明提出了一种风洞测压试验模型测压底孔的垂直度检测装置，所述装置为检测销，包括销头和配合段，其中，

所述销头为一体式结构，其上部为圆锥体，中部为圆柱体，下部为喇叭口形，并与配合段连接，圆锥体的顶端为检测顶点；

配合段为等直圆柱体，用于插入风洞试验模型待检测的测压底孔。

作为上述装置的一种改进，所述销头的下部与配合段的扩开角为150°。

作为上述装置的一种改进，所述销头的长度不小于第一预设值，所述配合段的长度不小于第二预设值。

作为上述装置的一种改进，所述装置采用F141合金钢。

一种风洞测压试验模型测压底孔的垂直度检测方法，基于权利要求4所述的装置以及三坐标检测仪实现，所述方法包括：

将所述装置的配合段插入风洞试验模型待检测的测压底孔中；

采用三坐标检测仪测量得到所述装置的检测顶点P1的坐标为(x1，y1，z1)；

由待检测的测压底孔P0的理论坐标(x0，y0，z0)，以及检测顶点的坐标(x1，y1，z1)，得到向量为：

对向量进行归一化处理，得到测压底孔实测法向为：

令：

由测压底孔处模型表面归一化法向方向和测压底孔实测法向/>得到底孔偏斜角θ为：

θ＝arccos(N1*n1+N2*n2+N3*n3)；

判断θ是否小于阈值，如果为是，则该测压底孔符合垂直度的要求。

作为上述方法的一种改进，所述待检测的测压底孔P0的理论坐标(x0，y0，z0)以及测压底孔所处模型表面归一化法向方向均预先通过三维设计软件获取。

与现有技术相比，本发明的优势在于：

1、简单易行、且具有通用性，检测销是本项检测工作中用到的专用设备/装置，其对绝大多数模型之底孔均具有通用性，且基本不需要额外加工，我们常备有30个检测销，具备对30个底孔进行同时检测的能力，提高通用性，降低各方面成本；

2、高效便捷，底孔检测过程与全模三坐标检测工作同步开展，一趟检测工作完成后，全模加工精度与底孔垂直度检测随即完成，无需额外检测流程；测量精度与全模型精度相当；

3、检测的灵活性，需要检测哪些测压孔(特别是抽查、抽检底孔时)，只需将检测销安装于被检底孔即可，安装、拆卸十分便捷、灵活；检测底孔数量可多、可少，在检测过程中随时均以增减；

4、结果的可靠性、完整性。综合利用当前高性能三维绘图设计软件，以及成熟可靠的数学原理，准确、便捷的获取检测结果：偏差角度θ，所得结果，不仅给出实际的检测结果坐标值(据此，可直接判定加工是否合格)；还可给出具体的偏差角度值θ。

附图说明

图1(a)是现有的测压管加工、安装方法原理图

图1(b)是图1(a)的一个零件放大图；

图2是现有技术的一种垂直度检测装置结构图；

图3是现有技术的螺纹垂直度检测装置结构图；

图4是现有技术的一种垂直度检测方法原理图；

图5是现有技术的另一种垂直度检测方法原理图；

图6是本发明的风洞测压试验模型测压底孔的垂直度检测装置；

图7(a)是关于检测装置扩开角的设计思路对于凸面模型的示意图；

图7(b)是关于检测装置扩开角的设计思路对于凹面模型的示意图；

图7(c)是本发明的装置检测凹面模型的示意图；

图8是本发明的风洞测压试验模型测压底孔的垂直度检测方法示意图；

图9是本发明的风洞测压试验模型测压底孔的垂直度偏差角度θ检测方法的原理图。

附图标记

1、平台 2、孔板 3、样冲 4、引板 5、固定板

6、螺钉 7、指示表 8、螺母 9、压簧 10、测头

11、测环 12、螺纹心轴 13、螺纹拉杆

具体实施方式

根据试验相关规范要求，当试验模型及测压底孔加工完成后，须对模型进行三坐标检测，以检查其是否满足设计指标要求。在这一检测过程中，可以一并完成对测压底孔的垂直度检测，无需更多复杂流程。

在进行全模型检测时，将被检测模型(含已完成加工的测压底孔)按技术要求固定置于检测平台上，并将三坐标检测仪轴系与模型数模轴系统一。通过三坐标检测仪探头在模型表面检测点的“触碰”，获取被检测点实测坐标值P_实测，将这一实测值与模型数模中标注的理论值P_理论进行比较，以此检测加工偏差；并可进一步给出偏差值：P_理论-P_实测。这是当前，包括试验模型在内的大多数机械加工成品件三坐标检测通行方法。

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案进行详细的说明。

实施例1

如图6所示，本发明的实施例1提出了一种风洞测压试验模型测压底孔的垂直度检测装置。

在上述检测过程中，我们设计一个“检测销”用于底孔垂直度检测，实现全模型检测与底孔垂直度检测的同步进行，从而提高检测效率、节省各方面成本。检测销的结构设计如图6所示。具体测量原理见图8、图9。实际检测过程中，只需使用三坐标检测仪检测安装到位的检测销顶点P的实际坐标值，即可完成对底孔垂直度的检测，且可给出具体的角度偏差值。这一过程的数学推导及求解，后续有详细叙述。

2、检测销技术说明

(1)检测销采用F141优质合金钢制成。该材料具有良好的机械加工性能，且化学、物理性能稳定，具有耐腐蚀、抗磨损、硬度高的优良特性。这一选材和结构设计，保证了检测销具有通用性，以及反复使用后不易磨损的优点。关于这一点，后续还有表述。

(2)检测销下部为直径Φ_检测销＝3.0mm、L_检测销＝10.0mm的等直配合段，按照H7/h6的公差标准进行加工。这一设计，可保证与测压底孔的紧密配合、无松动，并具有在大多数模型上使用的通用性(前已有述，当前绝大多数测压底孔的直径均为3.0mm)。

(3)检测销等直配合段上部，有一150°的扩开角。这一角度设计具有现实意义，如图7(a)、(b)、(c)所示。如果这一扩开角为90°，只能检测具有凸面特征的模型及底孔；而对于具有凹面特性的模型，因模型表面与检测销这一台阶形成干涉，则无法检测。因此，这一角度必须增大、消除检测销与凹面特性模型表面的干涉。但是，这一角度极限是增大到180°，这样又会使检测销在安装时缺乏定位/限位作用而全部没入测压底孔中，无法进行检测。因此，综合考虑大多数飞行器模型的气动构型、表面曲率特征，以及销子应具有的定位/限位功能，最终设计了150°的扩开角结构。这样，可使检测销具有更广泛的实用性、通用性。

(4)检测销扩开角之上，最终成型于一个尖点P，这一尖点P就是本方法检测所需的核心点。同时，图中高度15.0mm这一尺寸在加工时必须十分准确的得以保证，它决定着检测点P在空间位置坐标、关系到检测数据的准确性。关于这一点，在后续数学推导中可以看到。

实施例2

基于上述装置，如图8所示，本发明的实施例2提出了一种风洞测压试验模型测压底孔的垂直度检测方法。具体步骤包括：

将所述装置的配合段插入风洞试验模型待检测的测压底孔中；

采用三坐标检测仪测量得到所述装置的检测顶点P1的坐标为(x1，y1，z1)；

由待检测的测压底孔P0的理论坐标(x0，y0，z0)，以及检测顶点的坐标(x1，y1，z1)，得到向量为：

对向量进行归一化处理，得到测压底孔实测法向为：

令：

由测压底孔处模型表面归一化法向方向和测压底孔实测法向/>得到底孔偏斜角θ为：

θ＝arccos(N1*n1+N2*n2+N3*n3)；

判断θ是否小于阈值，如果为是，则该测压底孔符合垂直度的要求。

测量原理图如图9所示。

在试验模型的设计中，底孔中心理论坐标P0(x0，y0，z0)、测压底孔所处模型表面归一化法向方向为装配检测销后检测顶点P1的坐标P01(x01，y01，z01)，均可通过三维设计软件精确获取，并作为后续检测、解算的基准值。

实际检测时，利用三坐标检测仪检测顶点P1点的实际坐标值P1(x1，y1，z1)。利用P0、P1两点组成向量：

经归一化处理后，得到测压底孔实测法向：

记：

记：实测值与理论值之间的夹角为θ，如图9所示，则底孔偏斜角θ由下式得到：

θ＝arccos(N1*n1+N2*n2+N3*n3)

本发明的装置简单易行、且具有通用性，测量方法高效便捷，底孔检测过程与全模三坐标检测工作可同步开展；检测灵活，结果可靠，目前已广泛应用于风洞测压试验模型的测压孔垂直度检测中，具有很好的推广价值。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种风洞测压试验模型测压底孔的垂直度检测装置，其特征在于，所述装置为检测销，包括销头和配合段，其中，

所述销头为一体式结构，其上部为圆锥体，中部为圆柱体，下部为喇叭口形，并与配合段连接，圆锥体的顶端为检测顶点；

配合段为等直圆柱体，用于插入风洞测压试验模型待检测的测压底孔；

所述销头的下部与配合段的扩开角为150°；

所述销头的长度不小于第一预设值，所述配合段的长度不小于第二预设值；

由检测顶点的坐标与待检测的测压底孔中心的理论坐标得到待检测的测压底孔实测法向量。

2.根据权利要求1的风洞测压试验模型测压底孔的垂直度检测装置，其特征在于，所述装置采用F141合金钢。

3.一种风洞测压试验模型测压底孔的垂直度检测方法，基于权利要求2所述的装置以及三坐标检测仪实现，所述方法包括：

将所述装置的配合段插入风洞测压试验模型待检测的测压底孔中；

采用三坐标检测仪测量得到所述装置的检测顶点P1的坐标为(x1，y1，z1)；

由待检测的测压底孔中心P0的理论坐标(x0，y0，z0)，以及检测顶点的坐标(x1，y1，z1)，得到向量为：

对向量进行归一化处理，得到待检测的测压底孔实测法向量为：

令：

由待检测的测压底孔处模型表面归一化法向方向和待检测的测压底孔实测法向量/>得到待检测的测压底孔偏斜角θ为：

θ＝arccos(N1*n1+N2*n2+N3*n3)；

判断θ是否小于阈值，如果为是，则该待检测的测压底孔符合垂直度的要求。

4.根据权利要求3所述的风洞测压试验模型测压底孔的垂直度检测方法，其特征在于，所述待检测的测压底孔中心P0的理论坐标(x0，y0，z0)以及待检测的测压底孔所处模型表面归一化法向方向均预先通过三维设计软件获取。