CN113028973B - 一种密封空间轴孔微变形测量方法及系统 - Google Patents

Abstract

一种密封空间轴孔微变形测量方法及系统，系统包括：真空泵、形变测量系统、安装基座、固支装置、探头支架、传感器探头和形变传感器。通过被测件固支方式的设计来模拟其在轨使用真实的连接方式；通过对控制力矩陀螺飞轮转子和安装基座之间所形成的密闭腔体内部进行抽气降压；通过设置在密闭腔体内部的传感器探头，直接对装配孔内壁变形进行测量；此外，本发明还利用抽真空前后的形变量及抽真空过程中形变量最大值，对测量数据的有效性性进行判断，选取不存在测量误差的测量电压确定形变量测量结果，测试结果更加真实可靠。

Description

一种密封空间轴孔微变形测量方法及系统

技术领域

本发明涉及一种密封空间轴孔微变形测量方法及系统，属于控制力矩陀螺制造检测技术领域。

背景技术

控制力矩陀螺的飞轮转子在工作时以较高转速旋转(每分钟近万转)，为了保证其达到工作必须的转速，降低空气阻力对其的影响，飞轮转子外部设计有密封结构，在完成产品装配后，飞轮内部要进行抽气操作，达到真空状态。对于一种航天器用执行机构，受到重量的约束，控制力矩陀螺飞轮转子的密封腔体的结构较为轻薄，且密封结构同时承担支撑转子轴系的功能。

控制力矩陀螺飞轮转子的密封腔体是由多个零件组成的复杂结构，多个零部件间存在着相互配合的复杂轴孔结构(如图4所示)，在密封腔体抽真空过程中，由于内外压差剧烈变化，压力会作用在整个密封结构上，使密封结构产生形变，进而影响端部的轴孔结构，使中心轴的装配孔111的孔径产生微米级形变，该形变会直接影响各零件间的配合间隙。对于运动部件，这种配合间隙的变化会改变中心轴承的预紧力，从而影响轴承运转稳定性、产品功耗和产品寿命。

中心轴筒的装配孔111的内壁为配合面后期需要与中心轴承进行装配使用，因此，中心轴筒的装配孔111内壁形变情况为特殊关注点。目前的测量方法，通过测量仪器从外部测量轴孔处结构的尺寸变化，难以得到真实的结果。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出了一种密封空间轴孔微变形测量方法及系统，解决了现有测量方法无法直接对飞轮转子多个零部件组合体所形成密封空间内部的复杂轴孔结构进行微变形测量问题，给出了测量与数据处理方法，降低了测量过程中引入的误差，获得精确的测量数据，有效支撑形变机理分析和设计改进。

本发明的技术方案是：

一种密封空间内部抽气降压的轴孔微变形测量方法，包括步骤如下：

1)将形变传感器与传感器探头连接，对形变传感器进行标定处理，获得输出电压差与形变量的系数k(单位um/V)；

2)使用周向均布的多个固支装置，将被测结构固定安装在安装基座上，使被测结构和安装基座之间形成密闭腔体；

3)将被测结构和安装基座之间形成的密闭腔体抽至真空，然后再升压恢复至初始状态；

4)采集气压变化过程中，形变传感器输出的测量电压U；

5)根据步骤4)所述测量电压U，确定传感器探头测量位置对应的被测结构内壁随气压变化的形变量Δd；

6)根据步骤5)所述随气压变化的形变量Δd，提取随气压变化的形变量Δd的最大值Δd_max；

7)根据恢复至初始状态时刻形变传感器输出的测量电压U₂，确定抽真空前后的形变量Δd_e；

8)根据步骤6)所述形变量最大值Δd_max和步骤7)所述抽真空前后的形变量Δd_e，判定形变传感器输出的测量电压U是否存在测量误差，若存在测量误差则返回步骤1)重新试验，反之则进入步骤9)；

9)重复步骤1)～8)n次以上，直至获得n个形变量最大值Δd_max；其中， n为大于或等于3的正整数；

10)对步骤9)获得的n个形变量最大值Δd_max取平均值，作为形变量测量结果。

步骤5)所述确定传感器探头测量位置对应的被测结构内壁随气压变化的形变量Δd的方法，具体为：

Δd＝(U-U₁)×k；

其中，U₁为抽真空起始时刻形变传感器输出的测量电压。

步骤7)所述确定抽真空前后的形变量Δd_e的方法，具体为：

Δd_e＝(U₂-U₁)×k；

其中，U₁为抽真空起始时刻形变传感器输出的测量电压。

步骤8)所述判定形变传感器输出的测量电压U是否存在测量误差的方法，具体为：

若，Δd_max/Δd_e≥10，则判定形变传感器输出的测量电压U不存在测量误差；

反之，则判定形变传感器输出的测量电压U存在测量误差。

在步骤3)抽真空及升压过程中，传感器探头的位置固定不变。

在所述密闭腔体内部设置多个传感器探头，每次气压变化过程对应获得被测结构内壁多个位置的形变量Δd。

在所述密闭腔体内部设置能够绕轴转动的传感器探头，从而在对被测结构内壁不同位置进行测量时能够避免拆装固支装置。

用于进行上述一种密封空间内部抽气降压的轴孔微变形测量方法的轴孔微变形测量系统，包括：真空泵、形变测量系统、安装基座、固支装置、探头支架、传感器探头和形变传感器；

安装基座上通过固支装置固定安装被测结构，使被测结构和安装基座之间形成密闭腔体；

传感器探头通过探头支架固定安装在安装基座上；

传感器探头和形变传感器位于所述密闭腔体内部；

真空泵用于对所述密闭腔体抽真空处理；

形变测量系统：采集形变传感器输出的测量电压U；确定传感器探头测量位置对应的被测结构内壁随气压变化的形变量Δd和抽真空前后的形变量Δd_e并判定形变传感器输出的测量电压U是否存在测量误差；根据测量电压U确定形变量测量结果。

形变测量系统确定抽真空前后的形变量Δd_e，具体为：

Δd_e＝(U₂-U₁)×k；

其中，U₁为抽真空起始时刻形变传感器输出的测量电压。

形变测量系统确定传感器探头测量位置对应的被测结构内壁随气压变化的形变量Δd，具体为：

Δd＝(U-U₁)×k；

其中，U₁为抽真空起始时刻形变传感器输出的测量电压。

形变测量系统判定形变传感器输出的测量电压U是否存在测量误差，具体为：

若，Δd_max/Δd_e≥10，则判定形变传感器输出的测量电压U不存在测量误差；

反之，则判定形变传感器输出的测量电压U存在测量误差。

传感器探头在所述密闭腔体内部能够绕轴转动，从而在对被测结构内壁不同位置进行测量时避免拆装固支装置。

传感器探头测量方向所在平面内不设置固支装置。

在传感器探头测量方向所在平面内，设置有固支装置。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

1)本发明提出了通过被测件固支方式的设计来模拟其在轨使用真实的连接方式，能够真实模拟密封空间轴孔结构的对外连接边界；

2)本发明通过对控制力矩陀螺飞轮转子和安装基座之间所形成的密闭腔体内部进行抽气降压，真实模拟结构抽真空过程，产生密闭腔体的内外压差；

3)通过设置在密闭腔体内部的传感器探头，能够直接对装配孔111内壁指定位置的微变形进行测量(测点位置可控)，并将信号传出密封结构；

4)本发明方法中利用抽真空前后的形变量及抽真空过程中形变量最大值，对测量数据的有效性性进行判断，选取不存在测量误差的测量电压确定形变量测量结果，测试结果更加真实可靠。

附图说明

图1为本发明测量系统示意图；

图2为本发明一实施例中传感器探头测量方向无固支装置示意图；

图3为本发明一实施例中传感器探头测量方向有固支装置示意图；

图4为控制力矩陀螺装配示意图；

图5为控制力矩陀螺飞轮转子和安装基座之间形成密闭腔体示意图；

图6为本发明一实施例中固支装置装配示意图。

具体实施方式

航天器姿控执行机构(控制力矩陀螺CMG)存在着复杂的密封空间轴孔结构，为了精确的测量出在内外压力差作用下轴孔结构的微变形，本发明提出了一套满足密封空间轴孔微变形复现和高精度测量的装置；通过对气压差模拟、固支方式的设计，实现了对复杂密封空间轴孔结构微变形的复现，通过标定，测量等方法和步骤的设计，实现了对微变形的精确测量。该系统和方法可以推广到其他承受内外压差的复杂机械结构的微变形测量，具有广阔的应用前景。

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的描述。

如图4所示，中心轴筒的装配孔111通过轴套113连接梯形件114的中心孔。梯形件114的材料为铝合金，轴套113的材料为不锈钢，中心轴承的材料为不锈钢，轴孔111的材料为不锈钢。在进行轴孔微变形测量时，摘除中心轴承和中心轴112，如图5所示。

一种密封空间内部抽气降压的轴孔微变形测量方法，包括步骤如下：

1)将形变传感器10与传感器探头9连接，对形变传感器10进行标定处理，获得输出电压差与形变量的系数k(单位um/V)；

2)使用周向均布的多个固支装置6，将被测结构11固定安装在安装基座 5上，使被测结构11和安装基座5之间形成密闭腔体；如图5所示。

3)将被测结构11和安装基座5之间形成的密闭腔体抽至真空，通过内部抽气降压的方式，使密闭腔体的内部压力小于外部压力。然后再升压恢复至初始状态；

4)采集气压变化过程中，形变传感器10输出的测量电压U；

5)根据步骤4)所述测量电压U，确定传感器探头9测量位置对应的被测结构11内壁随气压变化的形变量Δd，具体为：

Δd＝(U-U₁)×k；

其中，U₁为抽真空起始时刻形变传感器10输出的测量电压。

6)根据步骤5)所述随气压变化的形变量Δd，提取随气压变化的形变量Δd的最大值Δd_max；

7)根据恢复至初始状态时刻形变传感器10输出的测量电压U₂，确定抽真空前后的形变量Δd_e，具体为：

Δd_e＝(U₂-U₁)×k；

其中，U₁为抽真空起始时刻形变传感器10输出的测量电压。

8)根据步骤6)所述形变量最大值Δd_max和步骤7)所述抽真空前后的形变量Δd_e，判定形变传感器10输出的测量电压U是否存在测量误差，若存在测量误差则返回步骤1)重新试验，反之则进入步骤9)；所述判定形变传感器10 输出的测量电压U是否存在测量误差的方法，具体为：

若，Δd_max/Δd_e≥10，则判定形变传感器10输出的测量电压U不存在测量误差；

反之，则判定形变传感器10输出的测量电压U存在测量误差。

9)重复步骤1)～8)n次以上，直至获得n个形变量最大值Δd_max；其中， n为大于或等于3的正整数；

10)对步骤9)获得的n个形变量最大值Δd_max取平均值，作为形变量测量结果。

优选的，在步骤3)抽真空及升压过程中，传感器探头9的位置固定不变。

如图2所示，在传感器探头9测量方向所在平面内不设置固支装置6。此时模拟被测结构安装在实际产品中，此方向上没有连接与支撑环节的情况。

如图3所示，在传感器探头9测量方向所在平面内，设置有固支装置6。此时模拟被测结构安装在实际产品中，此方向上有连接与支撑环节的情况。

在所述密闭腔体内部设置多个传感器探头9，每次气压变化过程对应获得被测结构11内壁多个位置的形变量Δd。

在所述密闭腔体内部设置能够绕轴转动的传感器探头9，从而在对被测结构11内壁不同位置进行测量时能够避免拆装固支装置6。

用于进行上述一种密封空间内部抽气降压的轴孔微变形测量方法的轴孔微变形测量系统，如图1所示，包括：真空泵1、形变测量系统2、安装基座5、固支装置6、探头支架8、传感器探头9和形变传感器10。安装基座5为被测密封空间轴孔结构提供安装条件。其上安装有抽气嘴3，配合真空泵1制造被测结构内外压差。密封接插件4用于向被测密封空间内部形变传感器10电信号提供传输通路；安装基座5上设有安装接口，安装接口用于为形变传感器的探头支架8、被测结构的固支装置6提供稳定安装条件。

安装基座5上通过固支装置6固定安装被测结构11，使被测结构11和安装基座5之间形成密闭腔体。传感器探头9通过探头支架8固定安装在安装基座5上；探头支架8能够在竖直方向上调整传感器探头9的位置，使传感器探头9对应被测结构11内壁上的不同测量位置。传感器探头9和形变传感器10 位于所述密闭腔体内部；真空泵1用于对所述密闭腔体抽真空处理。

形变测量系统2：采集形变传感器10输出的测量电压U；确定传感器探头 9测量位置对应的被测结构11内壁随气压变化的形变量Δd和抽真空前后的形变量Δd_e并判定形变传感器10输出的测量电压U是否存在测量误差；根据测量电压U确定形变量测量结果。即控制真空泵1用于实现对被测结构内外压差的控制，对形变传感器10供电，并采集形变测量数据，对数据进行处理。

优选的，一种轴孔微变形测量系统，还包括：抽气嘴3。抽气嘴3固定安装在安装基座5上，真空泵1通过抽气嘴3连通密闭腔体内部。

形变测量系统2确定抽真空前后的形变量Δd_e，具体为：

Δd_e＝(U₂-U₁)×k；

其中，U₁为抽真空起始时刻形变传感器10输出的测量电压。

形变测量系统2确定传感器探头9测量位置对应的被测结构11内壁随气压变化的形变量Δd，具体为：

Δd＝(U-U₁)×k；

其中，U₁为抽真空起始时刻形变传感器10输出的测量电压。

形变测量系统2判定形变传感器10输出的测量电压U是否存在测量误差，具体为：

若，Δd_max/Δd_e≥10，则判定形变传感器10输出的测量电压U不存在测量误差；

反之，则判定形变传感器10输出的测量电压U存在测量误差。

传感器探头9在所述密闭腔体内部能够绕轴转动，从而在对被测结构11 内壁不同位置进行测量时避免拆装固支装置6。

实施例

传感器探头9用于测量被测结构11的形变量。如图5所示，被测结构11 为薄壁腔体结构，形变量的特殊关注点为被测结构11顶部装配孔111内壁处。首先根据被测结构的尺寸和仿真结果，确定测量位置和传感器探头9布设方式。形变传感器10采用非接触式的电涡流传感器，测量精度优于0.1um。

由于被测轴孔面为弧面，且非接触式传感器对被测结构表面材料较为敏感，因此首先要采用高精度测量设备对形变传感器10对被测位置的测量值进行标定，计算得出形变传感器10输出电压差与形变量的系数k(单位um/V)。

标定结束后，将形变传感器10及探头支架8固定在安装基座5上；通过真空接插件4，将传感器信号引出并连接到形变测试系统2上。探头支架8自身的刚度设计保证在测量过程中不会出现自身形变导致的测量误差。探头支架 8上设置有探头安装接口，探头支架8可以调整形变传感器探头9位置。探头支架8上设有调节螺母7，可调节高度与角度。

将被测结构11安装在安装基座5上，调整探头支架8，使传感器探头9对正结构上的测量位置。根据被测结构11实际的连接关系选择固支方式，并完成固支。优选的，通过固支装置6实现被测结构11的固定，同时模拟其在实际产品中的连接边界，从而模拟真实受力情况。如图6所示，固支装置6通过被测结构11的翻边，将被测结构11固定连接在安装基座5的上表面，使两者之间形成密闭结构，同时进行密封处理。

保证被测结构在测量过程中不出现整体移动。固支点的选择要尽量模拟被测结构在实际产品中的连接，否则将影响形变测量结果。图2，图3分别表示实际产品中测量方向无支撑环节和有支撑环节的模拟测试情况。

传感器启动，判断数据是否有效。用青筋橡胶对被测结构11与安装基座5 进行密封。启动真空泵1对密封效果进行检查。消除接触间隙产生的被测产品位移，重新紧固固支装置6后(在真空状态进行二次紧固处理)，关闭真空泵，打开抽气嘴，使内外大气压一致，然后进行正式抽气并测试。

开始测试，首先记录抽真空前形变传感器10输出的测量电压U₁，控制真空泵调节内外压差，并记录各检测位置测量电压U的变化。达到规定压差后，当测量在一定时间内形变量不再变化或变化量极小(例如，30s内小于0.1um)，结束本轮测试。关闭真空泵，恢复内部大气压，记录此时的形变传感器10输出的测量电压U₂。形变传感器10输出的测量电压U可以转换为探头和内壁之间的距离。

未避免装配误差，需要对形变传感器10输出的测量电压U的有效性进行判定，在Δd_max/Δd_e≥10时，则判定形变传感器10输出的测量电压U结果有效，否则需调整固支装置6返回步骤1)重新进行测量；反之，则进入步骤9)。

测量三组以上的有效数值，进行平均，获得三组试验形变量最大值Δd_max的均值作为最终形变测量值。

优选的，对于孔径较小的轴孔，可采取调节传感器探头9方向，进行多次测量，通过数据合成得到轴孔径向形变趋势的方法。对于孔径尺寸较大的结构，可采取在多个方向布设多组传感器探头9同时测量的方法。如图1所示，在轴向上布设多组传感器探头9，可得到轴向上的形变趋势。将径向测量量和轴向测量量合成，可得到轴孔变化的形态。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (15)

1.一种密封空间内部抽气降压的轴孔微变形测量方法，其特征在于，包括步骤如下：

1)将形变传感器(10)与传感器探头(9)连接，对形变传感器(10)进行标定处理，获得输出电压差与形变量的系数k；

2)使用周向均布的多个固支装置(6)，将被测结构(11)固定安装在安装基座(5)上，使被测结构(11)和安装基座(5)之间形成密闭腔体；

3)将被测结构(11)和安装基座(5)之间形成的密闭腔体抽至真空，然后再升压恢复至初始状态；

4)采集气压变化过程中，形变传感器(10)输出的测量电压U；

5)根据步骤4)所述测量电压U，确定传感器探头(9)测量位置对应的被测结构(11)内壁随气压变化的形变量Δd；

6)根据步骤5)所述随气压变化的形变量Δd，提取随气压变化的形变量Δd的最大值Δd_max；

7)根据恢复至初始状态时刻形变传感器(10)输出的测量电压U₂，确定抽真空前后的形变量Δd_e；

8)根据步骤6)所述形变量最大值Δd_max和步骤7)所述抽真空前后的形变量Δd_e，判定形变传感器(10)输出的测量电压U是否存在测量误差，若存在测量误差则返回步骤1)重新试验，反之则进入步骤9)；

9)重复步骤1)～8)n次以上，直至获得n个形变量最大值Δd_max；其中，n为大于或等于3的正整数；

10)对步骤9)获得的n个形变量最大值Δd_max取平均值，作为形变量测量结果；

步骤8)所述判定形变传感器(10)输出的测量电压U是否存在测量误差的方法，具体为：

若，Δd_max/Δd_e≥10，则判定形变传感器(10)输出的测量电压U不存在测量误差；

反之，则判定形变传感器(10)输出的测量电压U存在测量误差。

2.根据权利要求1所述的一种密封空间内部抽气降压的轴孔微变形测量方法，其特征在于，步骤5)所述确定传感器探头(9)测量位置对应的被测结构(11)内壁随气压变化的形变量Δd的方法，具体为：

Δd＝(U-U₁)×k；

其中，U₁为抽真空起始时刻形变传感器(10)输出的测量电压。

3.根据权利要求1所述的一种密封空间内部抽气降压的轴孔微变形测量方法，其特征在于，步骤7)所述确定抽真空前后的形变量Δd_e的方法，具体为：

Δd_e＝(U₂-U₁)×k；

其中，U₁为抽真空起始时刻形变传感器(10)输出的测量电压。

4.根据权利要求1所述的一种密封空间内部抽气降压的轴孔微变形测量方法，其特征在于，在步骤3)抽真空及升压过程中，传感器探头(9)的位置固定不变。

5.根据权利要求4所述的一种密封空间内部抽气降压的轴孔微变形测量方法，其特征在于，在传感器探头(9)测量方向所在平面内不设置固支装置(6)。

6.根据权利要求4所述的一种密封空间内部抽气降压的轴孔微变形测量方法，其特征在于，在传感器探头(9)测量方向所在平面内，设置有固支装置(6)。

7.根据权利要求1所述的一种密封空间内部抽气降压的轴孔微变形测量方法，其特征在于，在所述密闭腔体内部设置多个传感器探头(9)，每次气压变化过程对应获得被测结构(11)内壁多个位置的形变量Δd。

8.根据权利要求1所述的一种密封空间内部抽气降压的轴孔微变形测量方法，其特征在于，在所述密闭腔体内部设置能够绕轴转动的传感器探头(9)，从而在对被测结构(11)内壁不同位置进行测量时能够避免拆装固支装置(6)。

9.用于进行如权利要求1所述一种密封空间内部抽气降压的轴孔微变形测量方法的轴孔微变形测量系统，其特征在于，包括：真空泵(1)、形变测量系统(2)、安装基座(5)、固支装置(6)、探头支架(8)、传感器探头(9)和形变传感器(10)；

安装基座(5)上通过固支装置(6)固定安装被测结构(11)，使被测结构(11)和安装基座(5)之间形成密闭腔体；

传感器探头(9)通过探头支架(8)固定安装在安装基座(5)上；

传感器探头(9)和形变传感器(10)位于所述密闭腔体内部；

真空泵(1)用于对所述密闭腔体抽真空处理；

形变测量系统(2)：采集形变传感器(10)输出的测量电压U；确定传感器探头(9)测量位置对应的被测结构(11)内壁随气压变化的形变量Δd和抽真空前后的形变量Δd_e并判定形变传感器(10)输出的测量电压U是否存在测量误差；根据测量电压U确定形变量测量结果；

形变测量系统(2)判定形变传感器(10)输出的测量电压U是否存在测量误差，具体为：

若，Δd_max/Δd_e≥10，则判定形变传感器(10)输出的测量电压U不存在测量误差；

反之，则判定形变传感器(10)输出的测量电压U存在测量误差。

10.根据权利要求9所述的一种轴孔微变形测量系统，其特征在于，还包括：抽气嘴(3)；

抽气嘴(3)固定安装在安装基座(5)上，真空泵(1)通过抽气嘴(3)连通密闭腔体内部。

11.根据权利要求9所述的一种轴孔微变形测量系统，其特征在于，形变测量系统(2)确定抽真空前后的形变量Δd_e，具体为：

Δd_e＝(U₂-U₁)×k；

其中，U₁为抽真空起始时刻形变传感器(10)输出的测量电压。

12.根据权利要求9所述的一种轴孔微变形测量系统，其特征在于，形变测量系统(2)确定传感器探头(9)测量位置对应的被测结构(11)内壁随气压变化的形变量Δd，具体为：

Δd＝(U-U₁)×k；

其中，U₁为抽真空起始时刻形变传感器(10)输出的测量电压。

13.根据权利要求9所述的一种轴孔微变形测量系统，其特征在于，传感器探头(9)在所述密闭腔体内部能够绕轴转动，从而在对被测结构(11)内壁不同位置进行测量时避免拆装固支装置(6)。

14.根据权利要求9～13任意一项所述的一种轴孔微变形测量系统，其特征在于，传感器探头(9)测量方向所在平面内不设置固支装置(6)。

15.根据权利要求9～13任意一项所述的一种轴孔微变形测量系统，其特征在于，在传感器探头(9)测量方向所在平面内，设置有固支装置(6)。

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