CN113536482A - 一种高速旋转机械的同心度预测方法、系统及装置 - Google Patents

一种高速旋转机械的同心度预测方法、系统及装置 Download PDF

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CN113536482A CN202110800086.6A CN202110800086A CN113536482A CN 113536482 A CN113536482 A CN 113536482A CN 202110800086 A CN202110800086 A CN 202110800086A CN 113536482 A CN113536482 A CN 113536482A
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朱林波
潘胡
付玄
洪军
郭俊康
杨益龙
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Xian Jiaotong University
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Abstract

本发明公开了一种高速旋转机械的同心度预测方法、系统及装置，包括：对获取的机械装置装配前各零件的跳动数据进行处理，得到各零件的真实跳动数据，依据机械装置各零件的实体模型，建立实体和壳体的混合单元模型，结合各零件的真实跳动数据，驱动节点坐标的移动，建立安装边的几何形貌，模拟机械装置各零件的装配过程，获取各零件的变形数据，完成机械的同心度预测。本发明能够准确预测回转机械的装配同心度，具有成本低、精度高，且易于推广应用等特点，可提高装配成功率。

Description

一种高速旋转机械的同心度预测方法、系统及装置
技术领域
本发明属于智能制造领域，涉及一种高速旋转机械的同心度预测方法、系统及装置。
背景技术
螺栓法兰连接广泛应用于旋转机械的结构构件连接，如航空发动机转子的连接、燃气轮机转子连接等。为了满足发动机的振动和功能要求，有必要在可接受的同心度范围内拧紧部件。如果不使用同心度优化方法的模型装配，由于加工精度的限制，各个部件的轴向和径向会存在跳动、偏心、倾斜等误差。直接随机地进行装配，就可能使上面部件累积了下面各个部件的偏心或倾斜误差，造成装配后整体的偏摆和倾斜，导致发动机转子同心度非常差，在工作时会产生剧烈振动，从而影响机械机构的可靠性，并造成不可估量的损失。因此，准确预测此类回转机械装配后的同心度，进而为工程技术人员装配工艺改进提供基础数据，是保障该类结构连接性能可靠的关键所在。近年来，为了准确预测旋转机械的同心度，很多研究人员基于刚体假设，运用坐标变换法、特征值法、遗传优化算法等进行分析预测工作，但这些方法均无法考虑配合面的形貌误差以及装配变形；有一些商用的航空发动机总成精密测量仪表和堆栈优化软件。然而，这些方法设置了严格的定心和调平标准，这花费了大量的时间来满足测量要求，且参考并不总是与转子的旋转中心线对齐的工作台轴线来评估同心度。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术中的问题，提供一种高速旋转机械的同心度预测方法、系统及装置，本发明能够准确预测回转机械的装配同心度，具有成本低、精度高，且易于推广应用等特点，可为工程技术人员预测装配偏心量、预判装配效果提供计算工具，也可为该类结构装配工艺参数的优化设计奠定基础，提高装配一次成功率和装配质量。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种高速旋转机械的同心度预测方法，包括：
对获取的机械装置装配前各零件的跳动数据进行处理，得到各零件的真实跳动数据；
依据机械装置各零件的实体模型，建立实体和壳体的混合单元模型；
结合各零件的真实跳动数据，驱动节点坐标的移动，建立安装边的几何形貌；
模拟机械装置各零件的装配过程，获取各零件的变形数据，完成机械的同心度预测。
本发明进一步的改进在于：
对获取的机械装置装配前各零件的跳动数据进行处理的具体方法如下：
根据装配顺序选择各零件的装配前端为基准，使用旋转零件同心度精度测量装置，测得各零件在相应基准下前端、后端的端面跳动数据和径向跳动数据。
得到各零件的真实跳动数据包括选取各零件前端实测的跳动数据，计算各零件的偏心量和偏心角作为测量误差，去除测量误差，得到各零件真实的跳动数据。
建立实体和壳体的混合单元模型，包括：为保证计算速度和分析精度，使用理想平行平面，将各个零件划分成装配区域和中间区域，装配区域采用三维实体单元划分网格，而中间区域则删除实体，通过被删除实体的表面建立壳单元模型，并进行网格划分；同时设置螺栓接触、端面接触和止口接触，完成混合单元模型的建立。
结合各零件的真实跳动数据，驱动节点坐标的移动，建立安装边几何形貌包括拟合各个测点下的真实跳动数据，得到止口的端跳曲线与径跳曲线；根据网格的划分程度，确定选取的节点个数，提取网格上相应位置的节点，添加真实跳动数据，驱动提取的相对应端面与止口配合面位置的节点的坐标的移动。
模拟机械装置各零件的装配过程，获取各零件的变形数据，包括对混合单元有限元模型的止口施加过盈量以模拟止口配合；使用不同的螺栓拧紧顺序模拟实际螺栓装配，同时确定装配批次，每个批次施加相应的螺栓预紧力；通过载荷步模拟真实装配情况，得到装配体的变形数据。
完成机械装置的同心度预测，包括：
设圆的中心坐标为(A，B)，半径为R，点i(xi，yi)到圆心的距离di为
di 2＝(xi-A)2+(yi-B)2
其中，(xi,yi)为测量系统中第i个点的位置的坐标，xi表示第i个点的横坐标，yi表示第i个点的纵坐标，A、B、R的数值是通过对各零件的变形数据采取最小二乘法拟合进行确定；
点i到圆的距离li表示为
Figure BDA0003161247550000031
其中，a＝-2A、b＝-2B、c＝A2+B2-R2，需要从给定的数据点计算系数a、b和c；
为了拟合一个最佳圆，将函数g(a,b,x)最小化，如下:
Figure BDA0003161247550000032
其中，a、b和c为函数g(a,b,c)的自变量；
对函数g(a,b,c)分别对系数a,b,c进行部分微分，将每个偏导数设为零是最小化偏差平方的必要条件，得到三个联立方程:
Figure BDA0003161247550000041
其中，a、b、c的数值为
Figure BDA0003161247550000042
其中，
Figure BDA0003161247550000043
得到最佳拟合圆的圆心和半径:
Figure BDA0003161247550000044
最后同心度e和同心角θ为
Figure BDA0003161247550000045
Figure BDA0003161247550000046
一种高速旋转机械的同心度预测系统，包括：
信息处理模块，所述信息处理模块用于对获取的机械装置装配前各零件的跳动数据进行处理，得到各零件的真实跳动数据；
建造模块，所述建造模块用于依据机械装置各零件的实体模型，建立实体和壳体的混合单元模型；
驱动模块，所述驱动模块用于结合各零件的真实跳动数据，驱动节点坐标的移动，建立安装边的几何形貌；
模拟模块，所述模拟模块用于模拟机械装置各零件的装配过程，获取各零件的变形数据，完成机械的同心度预测。
一种终端设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述方法的步骤。
一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述方法的步骤。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明提出一种高速旋转机械的同心度预测方法、系统及装置，该方法是将实测几何形貌数据与有限元模型相融合，结合实体与壳体混合单元技术，建立具有实际表面形貌的回转机械装配仿真分析模型，通过装配过程模拟技术和最小二乘法，可实现回转机械同心度的准确预测，也可为该类结构装配工艺参数的优化设计奠定基础。
附图说明
为了更清楚的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为本发明实施例的高速旋转机械的同心度预测方法的流程示意图；
图2为本发明实施例的前轴部件跳动误差测量图；
图3为本发明实施例的一级盘部件跳动误差测量图；
图4为本发明实施例的混合单元模型图；
图5为本发明实施例的装配体后端外圈轮廓及拟合圆示意图；
图6为本发明实施例的高速旋转机械的同心度预测系统的结构示意图。
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。
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“水平”、“内”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，若出现术语“水平”，并不表示要求部件绝对水平，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
在本发明实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参见图1，本发明实施例公开了一种高速旋转机械的同心度预测方法，包括以下步骤：
S101，对获取的机械装置装配前各零件的跳动数据进行处理，得到各零件的真实跳动数据。
测得装配前各部件的跳动数据：依据装配顺序，分别选择前轴和一级盘的装配前端为基准，A和B为基准面。使用旋转零件同心度精度测量装置，测得两部件在相应基准下前端及后端的端面跳动和径向跳动数据，如图2和图3。
处理实测数据得到零件真实跳动数据：取各部件前端实测的跳动数据，计算其偏心量和偏心角作为该部件的测量误差，去除测量误差，得到真实的跳动数据。
S102，依据机械装置各零件的实体模型，建立实体和壳体的混合单元模型。
利用ANSYS APDL编程语言，根据前轴和一级盘的零件图构建实体装配模型。考虑装配过程中变形主要发生在结合面附近，为保证计算速度以及分析精度，使用理想平行平面，将两个零件各自分别划分成装配区域和中间区域；装配区域采用三维实体单元划分网格，而中间区域则删除实体，保留被删除实体的表面，通过被删除实体的表面建立壳单元模型，并进行网格划分。如图4所示。同时设置螺栓接触、端面接触和止口接触，完成混合单元模型的建立。
S103，结合各零件的真实跳动数据，驱动节点坐标的移动，建立安装边的几何形貌。
分离前轴与一级盘的实体模型与网格，删除所有实体；拟合各个测点下的真实跳动数据，得到止口的端跳曲线与径跳曲线；根据网格的划分程度，确定选取的节点个数，得到相应数量的跳动数据；用ANSYS APDL编程语言提取网格上前轴与一级盘止口连接处相应位置的节点，添加真实跳动数据，将同一配合面的目标面与接触面的节点跳动误差作差，将作差后的跳动数据输入至接触面节点，并以此驱动提取的相对应端面与止口配合面位置的节点的坐标的移动。
S104，模拟机械装置各零件的装配过程，获取各零件的变形数据，完成机械的同心度预测。
对混合单元有限元模型的止口施加过盈量模拟止口配合；使用不同的螺栓拧紧顺序如十字交叉法或顺序拧紧法来模拟实际螺栓装配，同时确定装配批次，每个批次施加相应的螺栓预紧力；通过载荷步模拟真实装配情况，得到装配体的变形。
提取装配体后端外圈轮廓的节点坐标作为计算同心度的数据；如图5所示，设圆的中心坐标为(A，B)，半径为R，点i(xi，yi)到圆心的距离di为
di 2＝(xi-A)2+(yi-B)2
其中，(xi,yi)为测量系统中第i个点的位置的坐标，xi表示第i个点的横坐标，yi表示第i个点的纵坐标，A、B、R的数值是通过对各零件的变形数据采取最小二乘法拟合进行确定；
点i到圆的距离li表示为
Figure BDA0003161247550000091
其中，a＝-2A、b＝-2B、c＝A2+B2-R2，需要从给定的数据点计算系数a、b和c；
为了拟合一个最佳圆，将函数g(a,b,c)最小化，如下:
Figure BDA0003161247550000092
其中，a、b和c表示为函数g(a,b,c)的自变量；
对函数g(a,b,c)分别对系数a,b,c进行部分微分，将每个偏导数设为零是最小化偏差平方的必要条件，得到三个联立方程:
Figure BDA0003161247550000093
其中，a、b、c的数值为
Figure BDA0003161247550000094
其中，
Figure BDA0003161247550000101
得到最佳拟合圆的圆心和半径:
Figure BDA0003161247550000102
最后同心度e和同心角θ为
Figure BDA0003161247550000103
Figure BDA0003161247550000104
参见图6，本发明实施例公开了一种高速旋转机械的同心度预测系统，包括：
信息处理模块，用于对获取的机械装置装配前各零件的跳动数据进行处理，得到各零件的真实跳动数据；
建造模块，依据机械装置各零件的实体模型，建立实体和壳体的混合单元模型；
驱动模块，结合各零件的真实跳动数据，驱动节点坐标的移动，建立安装边的几何形貌；
模拟模块，用于模拟机械装置各零件的装配过程，获取各零件的变形数据，完成机械的同心度预测。
本发明一实施例提供的终端设备的示意图。该实施例的终端设备包括：处理器、存储器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序。所述处理器执行所述计算机程序时实现上述各个方法实施例中的步骤。或者，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述各装置实施例中各模块/单元的功能。
所述计算机程序可以被分割成一个或多个模块/单元，所述一个或者多个模块/单元被存储在所述存储器中，并由所述处理器执行，以完成本发明。
所述终端设备可以是桌上型计算机、笔记本、掌上电脑及云端服务器等计算设备。所述终端设备可包括，但不仅限于，处理器、存储器。
所述处理器可以是中央处理单元(CentralProcessingUnit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(DigitalSignalProcessor，DSP)、专用集成电路(ApplicationSpecificIntegratedCircuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field-ProgrammableGateArray，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。
所述存储器可用于存储所述计算机程序和/或模块，所述处理器通过运行或执行存储在所述存储器内的计算机程序和/或模块，以及调用存储在存储器内的数据，实现所述终端设备的各种功能。
所述终端设备集成的模块/单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质可以包括：能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，RandomAccessMemory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。需要说明的是，所述计算机可读介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读介质不包括电载波信号和电信信号。
以上仅为本发明的优选实施例而已，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 (10)

1.一种高速旋转机械的同心度预测方法，其特征在于，包括：
对获取的机械装置装配前各零件的跳动数据进行处理，得到各零件的真实跳动数据；
依据机械装置各零件的实体模型，建立实体和壳体的混合单元模型；
结合各零件的真实跳动数据，驱动节点坐标的移动，建立安装边的几何形貌；
模拟机械装置各零件的装配过程，获取各零件的变形数据，完成机械的同心度预测。
2.根据权利要求1所述的高速旋转机械的同心度预测方法，其特征在于，所述对获取的机械装置装配前各零件的跳动数据进行处理的具体方法如下：
根据装配顺序选择各零件的装配前端为基准，使用旋转零件同心度精度测量装置，测得各零件在相应基准下前端、后端的端面跳动数据和径向跳动数据。
3.根据权利要求1或2所述的高速旋转机械的同心度预测方法，其特征在于，所述得到各零件的真实跳动数据包括选取各零件前端实测的跳动数据，计算各零件的偏心量和偏心角作为测量误差，去除测量误差，得到各零件真实的跳动数据。
4.根据权利要求1的所述的高速旋转机械的同心度预测方法，其特征在于，所述建立实体和壳体的混合单元模型，包括：为保证计算速度和分析精度，使用理想平行平面，将各个零件划分成装配区域和中间区域，装配区域采用三维实体单元划分网格，而中间区域则删除实体，通过被删除实体的表面建立壳单元模型，并进行网格划分；同时设置螺栓接触、端面接触和止口接触，完成混合单元模型的建立。
5.根据权利要求1的所述的高速旋转机械的同心度预测方法，其特征在于，所述结合各零件的真实跳动数据，驱动节点坐标的移动，建立安装边几何形貌包括拟合各个测点下的真实跳动数据，得到止口的端跳曲线与径跳曲线；根据网格的划分程度，确定选取的节点个数，提取网格上相应位置的节点，添加真实跳动数据，驱动提取的相对应端面与止口配合面位置的节点的坐标的移动。
6.根据权利要求1的所述的高速旋转机械的同心度预测方法，其特征在于，所述模拟机械装置各零件的装配过程，获取各零件的变形数据，包括对混合单元有限元模型的止口施加过盈量以模拟止口配合；使用不同的螺栓拧紧顺序模拟实际螺栓装配，同时确定装配批次，每个批次施加相应的螺栓预紧力；通过载荷步模拟真实装配情况，得到装配体的变形数据。
7.根据权利要求1所述的高速旋转机械的同心度预测方法，其特征在于，所述完成机械装置的同心度预测，包括：
设圆的中心坐标为(A，B)，半径为R，点i(xi，yi)到圆心的距离di为
di 2＝(xi-A)2+(yi-B)2
其中，(xi,yi)为测量系统中第i个点的位置的坐标，xi表示第i个点的横坐标，yi表示第i个点的纵坐标，A、B、R的数值是通过对各零件的变形数据采取最小二乘法拟合进行确定；
点i到圆的距离li表示为
Figure FDA0003161247540000021
其中，a＝-2A、b＝-2B、c＝A2+B2-R2，需要从给定的数据点计算系数a、b和c；
为了拟合一个最佳圆，将函数g(a,b,c)最小化，如下:
Figure FDA0003161247540000031
其中，a、b和c为函数g(a,b,c)的自变量；
对函数g(a,b,c)分别对系数a,b,c进行部分微分，将每个偏导数设为零是最小化偏差平方的必要条件，得到三个联立方程:
Figure FDA0003161247540000032
其中，a、b、c的数值为
Figure FDA0003161247540000033
其中，
Figure FDA0003161247540000034
得到最佳拟合圆的圆心和半径:
Figure FDA0003161247540000035
最后同心度e和同心角θ为
Figure FDA0003161247540000036
Figure FDA0003161247540000041
8.一种高速旋转机械的同心度预测系统，其特征在于，包括：
信息处理模块，所述信息处理模块用于对获取的机械装置装配前各零件的跳动数据进行处理，得到各零件的真实跳动数据；
建造模块，所述建造模块用于依据机械装置各零件的实体模型，建立实体和壳体的混合单元模型；
驱动模块，所述驱动模块用于结合各零件的真实跳动数据，驱动节点坐标的移动，建立安装边的几何形貌；
模拟模块，所述模拟模块用于模拟机械装置各零件的装配过程，获取各零件的变形数据，完成机械的同心度预测。
9.一种终端设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1-7任一项所述方法的步骤。
10.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1-7任一项所述方法的步骤。
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