CN113418495A - 一种风洞喷管同轴度测量方法 - Google Patents

Abstract

一种风洞喷管同轴度测量方法，涉及同轴度测量领域，包括以下步骤：初步确定喷管的轴线方向并沿喷管的轴线方向取多个垂直于轴线的截面，均匀采集位于每个截面与喷管内壁的交线上的多个点；分别对每个截面上采集到的多个点进行几何图形拟合，得到相应的几何中心点；假设一条直线F作为喷管的基准轴线，计算每个几何中心点至直线F的距离，此时存在一个最大值A；调整直线F的方位，使得最大值A不断减小，直至调整次数达到预设值，此时得到最大值A的极小值A′；根据A′计算得到同轴度测量值。此法具有测点数量多且分布均匀、采样速度快、样本精度高、计算方法科学、测量结果准确可靠、测量操作方便快捷等优点。

Description

一种风洞喷管同轴度测量方法

技术领域

本发明涉及同轴度测量领域，具体而言，涉及一种风洞喷管同轴度测量方法。

背景技术

风洞喷管用于提供地面试验所需的特定马赫数的均匀气流，内壁形状复杂且加工精度高，是风洞用以确保气流品质的关键部件。同轴度公差是衡量风洞喷管装配及加工精度的重要指标，若将不满足公差要求的风洞喷管判定为合格用于生产，就会导致风洞气流品质不达标，影响对飞行器气动性能的预测；若将满足公差要求的风洞喷管判定为不合格，则会导致报废、重装甚至重新加工制造，从而造成不必要的设备、人工、经费和时间的浪费。然而，由于形状不规则、尺寸巨大、精度高等原因，风洞喷管同轴度测量并无标准可依，其准确测量也一直存在困难。

有鉴于此，特提出本申请。

发明内容

本发明的目的在于提供一种风洞喷管同轴度测量方法，其具有测点数量多且分布均匀、采样速度快、样本精度高、计算方法科学、测量结果准确可靠、测量操作方便快捷等优点，适用于不同截面形状喷管的同轴度测量。

本发明是这样实现的：

一种风洞喷管同轴度测量方法，包括以下步骤：

S1:初步确定喷管的轴线方向并沿喷管的轴线方向取多个垂直于喷管的轴线的截面，均匀采集位于每个截面与喷管内壁的交线上的多个点；

S2:分别对每个截面上采集到的多个点进行几何图形拟合，得到相应的几何中心点；

S3:假设一条直线F作为喷管的基准轴线，计算每个几何中心点至直线F的距离，此时存在一个最大值A；

S4:调整直线F的方位，使得最大值A不断减小，直至调整次数达到预设值，得到最大值A的极小值A′；

S5:根据A′计算得到同轴度测量值。

进一步地，多个所述截面分别位于喷管的出口和/或入口和/或中部位置。

进一步地，同轴度测量值为A′的两倍。

进一步地，S4步骤中，采用优化算法不断调整直线F的方位，以使最大值A不断减小，直至调整次数达到预设值。

进一步地，S1步骤中，使用激光跟踪仪或三坐标测量机或关节臂，开展测量。

本发明的有益效果是：

本发明提供的风洞喷管同轴度测量方法，首先初步确定喷管的轴线方向并沿喷管的轴线方向取多个垂直于喷管的轴线的截面，均匀采集位于每个所述截面与喷管内壁的交线上的多个点，再分别对各个所述截面上采集到的多个点进行几何图形拟合并得到相应的几何中心点，这些几何中心点就是测量到的喷管轴线上的点，然后假设一条直线F作为基准轴线并计算各个实测轴线点到直线F的距离值得到那个最大距离值A，利用优化算法不断的调整直线F的方位，使得最大值A不断减小，直至调整次数达到预设值为止，此时得到最大值A的极小值A′，根据A′计算得到同轴度测量值。

总体而言，本发明提供的风洞喷管同轴度测量方法，具有测点数量多且分布均匀、采样速度快、样本精度高、计算方法科学测量结果准确可靠、测量操作方便快捷等优点，适用于不同截面形状喷管的同轴度测量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例提供的操作流程图；

图2为本发明实施例提供的圆形截面喷管数据采集和几何图形拟合示意图；

图3为本发明实施例提供的拟合的几何中心点与喷管的基准轴线的位置关系示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“均匀”是一个相对概念，相对于“随意”而言，均匀采样的目的是保证样本的代表性，因此，除现实条件不允许外，都应该均匀采样。

实施例

请参照图1-3，本实施例提供一种风洞喷管同轴度测量方法，包括以下步骤：

S1:初步确定喷管的轴线方向并沿喷管的轴线方向取多个垂直于轴线的截面，均匀采集位于每个截面与喷管内壁的交线上的多个点；

S2:分别对每个截面上采集到的多个点进行几何图形拟合，得到相应的几何中心点；

S3:假设一条直线F作为喷管的基准轴线，计算每个几何中心点至直线F的距离，此时存在一个最大值A；

S4:调整直线F的方位，使得最大值A不断减小，直至调整次数达到预设值，此时得到最大值A的极小值A′；

S5:根据A′计算得到同轴度测量值。

本实施例中，为便于S1步骤开展，预先建立风洞喷管同轴度测量用坐标系，建立步骤如下：

首先，采集喷管出口端面上的点，拟合平面C，得到平面C的法线L₁；并初步确定喷管的轴线方向为法线L₁的方向，此时的轴线垂直于喷管的出口端面，后续设立的每个截面均平行于喷管的出口端面；

然后，采集喷管出口端面与喷管内壁交线上的点，拟合圆B，得到圆心O；

接着，进行大地水平测量，确定重力方向线L₂。

最后，以圆心O为原点，以法线L₁方向为主轴方向，以重力方向线L₂为次轴方向建立风洞喷管同轴度测量用坐标系。

需要说明的是，数据采集设备可采用激光跟踪仪或三坐标测量机或关节臂。本实施例中被测喷管长达十余米，且已经安装在风洞现场，因此采用可大范围现场测量的激光跟踪仪作为数据采集设备，配套测量软件使用Spatial Analyzer。

本实施例中，将坐标系的主轴作为过截面扫描方式的参数，采用过截面扫描方式进行采样，均匀采集位于每个截面与喷管内壁的交线上的多个点；然后对每个截面上采集到的多个点进行几何图形拟合，得到相应的几何中心点。其中过截面扫描的方式为激光跟踪仪结合Spatial Analyzer软件测量领域常用的数据采集方式，几何图形拟合及几何中心点的确定为其基本功能，具体操作方法这里不做赘述。

进一步地，本实施例中，喷管由多个部段顺序拼接而成，各部段相接处的轴线位置可能存在较大差异，因而在各部段的出口、入口附近各取一个测量截面；为了进一步提高测量的精准度，考虑到较长部段可能存在弯曲变形，在其中部位置也取一个测量截面，从而能够得到更多的关键截面，进而取得更多的关键中心点，获得更加准确的实测轴线数据。

进一步的，为了能够快速的调整直线F的方位，得出此时最大值A的值，本实施例的S4步骤中，采用优化算法不断调整直线F的方位，以使最大值A不断减小，直至调整次数达到预设值。

本实施例中，具体采用粒子群优化算法，此为现有技术，这里不做赘述。

需要注意的是，调整直线F的方位，使得最大值A不断减小，是一个多次反复计算和比较的过程，本实施例中是在Matlab计算软件中调用particleswarm函数实现的，通过改变particleswarm函数的粒子数SwarmSize、迭代次数MaxIterations这两个参数的值可以控制计算效率和计算精度。

本实施例中，在具体的计算过程中，用一个6维数组X表示直线F的点线式方程的6个参数；在S3步骤中，计算每个几何中心点至直线F的距离，得到距离最大值A，是用向量计算的叉乘法来计算点到直线的距离并把这个距离最大值表达成一个关于未知量X的表达式，在S4步骤中，调用particleswarm函数并设置适当的参数来寻找表达式的极小值(即A′)和对应的X值。

本实施例中，同轴度测量值为A′的两倍(即轴线上所有测点都可以被以调整结束时的直线F为轴线、A′为半径的圆柱面所包住，此圆柱的直径即为同轴度测量值)。

由于，风洞喷管是内腔截面尺寸不断变化的管道，其同轴度是针对内腔而非外壳的，结构设计和形位测量中讲的“轴”实际上是其内腔的中心线。国标GB1958-80《形状和位置公差检测规定》中没有规定测量内腔同轴度的方法。各种测量方法均是依据国标GB1183-80《形状和位置公差术语和定义》“同轴度公差带是直径为公差值t,且与基准轴线同轴的圆柱面内的区域”。

传统的测量方法是在喷管内部拉一条线缆作为安装和检测的基准轴线，然后在内壁取一些对称的测量位，再用内径测量器具检测各对称测量位到基准轴线的距离，根据其差值确定同轴度测量值。然而，面对截面形状不断变化的内壁面和圆柱形的线缆外表面，准确的距离测量依靠人工操作非常困难，因此测量结果往往因人而异。目前，常用激光跟踪仪或三坐标测量机或关节臂等空间坐标测量仪器来测量风洞喷管的同轴度。主要的做法是先通过风洞喷管出入口处精加工的内壁面和端面初步确定轴线方向，然后沿轴线方向选取一些截面，通过采集各截面与内壁面交线上的点来确定各截面位置的风洞喷管中心点，各中心点依次连线就是测量得到的轴线，最后用各中心点进行直线拟合得出基准轴线，从而确定同轴度。该方法使用了高精度的坐标测量仪器，操作方便，人工影响极小，从而实现了高精度的数据采集，测量结果的精度有了质的提升。

但是，由于风洞喷管的基准轴线，即设计的内腔中心线，不能直接通过测量得到，同轴度测量时通常将它确定为一条与实测轴线非常接近的直线，且应当以保证同轴度测量值最小为准则。显然，上述用各中心点进行直线拟合得出基准轴线是一条与实测轴线很接近的直线，但此种方式未必能保证对应的同轴度测量值足够小，不能满足高精密测量需要。

本实施例同现有技术的不同点在于：现有技术在得到每个截面的几何中心点后，使用最小二乘法对各点进行直线拟合得到基准轴线，从而得到一个合理的同轴度测量值；而本实施例提供的技术方案，是通过优化算法求得基准轴线的最佳方位，优化的目标是确保对应的同轴度测量值尽量小。

下面两个表的数据是对两套风洞喷管进行同轴度测量得到的各截面几何中心的三维坐标，数据单位为毫米，用现有方法和本专利方法进行计算得到的结果差异明显。

表1：喷管1各截面几何中心坐标

主轴	次轴	三轴
			50	0.00	0.00
1350	0.00	0.00
			1450	0.02	-0.15
2950	0.09	-0.21
			3100	0.22	-0.29
4550	0.03	-0.42
			4700	0.13	-0.22
6150	-0.02	-0.34
			6250	-0.05	-0.04

表1中的数据用现有的直线拟合法得到的同轴度测量值是0.56毫米，用本专利的优化算法得到的同轴度测量值是0.40毫米。

表2：喷管2各截面几何中心坐标

主轴	次轴	三轴
			0	0.00	0.00
1500	0.05	0.04
			1800	-0.18	-0.09
3100	-0.24	-0.09
			3500	-0.26	-0.21
4800	-0.24	-0.08
			5100	0.06	-0.05
6400	-0.03	-0.16
			6800	-0.06	-0.25
8100	-0.01	0.40
			8400	-0.08	0.34
9700	-0.05	0.23
			10000	0.08	0.26
11500	-0.05	0.46
			11800	-0.21	0.09

表2中的数据用现有的直线拟合法得到的同轴度测量值是0.67毫米，用本专利的优化算法得到的同轴度测量值：0.59毫米。

通过上述两组数据用不同算法得到的结果可以看出，本实施例提供的方法计算得到的同轴度测量值更小，更加接近理想值。

总体而言，本发明提供的风洞喷管同轴度测量方法，具有测点数量多且分布均匀、采样速度快、样本精度高、计算方法科学、测量结果准确可靠、测量操作方便快捷等优点。

以上所述仅为本发明的一个优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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 (5)

1.一种风洞喷管同轴度测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1:初步确定喷管的轴线方向并沿喷管的轴线方向取多个垂直于喷管轴线的截面，均匀采集位于每个所述截面与所述喷管内壁的交线上的多个点；

S2:分别对每个所述截面上采集到的多个点进行几何图形拟合，得到相应的几何中心点；

S3:假设一条直线F作为所述喷管的基准轴线，计算每个几何中心点至直线F的距离，此时存在一个最大值A；

S4:调整所述直线F的方位，使得最大值A不断减小，直至调整次数达到预设值，得到最大值A的极小值A′；

S5:根据A′计算得到同轴度测量值。

2.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，多个所述截面分别位于所述喷管的出口和/或入口和/或中部位置。

3.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，同轴度测量值为A′的两倍。

4.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，S4步骤中，采用优化算法不断调整所述直线F的方位，以使最大值A不断减小，直至调整次数达到预设值。

5.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，S1步骤中，使用激光跟踪仪或三坐标测量机或关节臂，开展测量。

Images