CN115111991A - 一种狭小空间下动态配合间隙的精密测量方法及设备 - Google Patents

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CN115111991A CN202210617092.2A CN202210617092A CN115111991A CN 115111991 A CN115111991 A CN 115111991A CN 202210617092 A CN202210617092 A CN 202210617092A CN 115111991 A CN115111991 A CN 115111991A
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卢文龙
黄凡康
许晋
程燕
曹志晨
李洪武
张玉东
张强
王乐
李亮
郭静
邹天刚
胡铮
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Huazhong University of Science and Technology
China North Vehicle Research Institute
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Huazhong University of Science and Technology
China North Vehicle Research Institute
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Abstract

本发明公开了一种狭小空间下动态配合间隙的精密测量方法及设备。该方法包括：为待测零件安装柔性铰链结构，利用柔性铰链结构测量待测零件的间隙，其中，柔性铰链结构的结构参数的确定需考虑到待测零件尺寸、测量空间、固有频率、最大应力、静态误差等限制条件，并且需要对柔性铰链结构的位移放大比进行修正；另外本申请还设计了“轴向双排、周向多点”的传感器布局方法。本发明基于柔性铰链结构的位移导出、放大功能，实现了狭小空间下动态配合间隙的高精度测量。

Description

一种狭小空间下动态配合间隙的精密测量方法及设备
技术领域
本申请涉及机械装备技术领域，更具体地，涉及一种狭小空间下动态配合间隙的精密测量方法及设备。
背景技术
在复杂装配体中，零部件装配关系复杂，装配结构紧凑，装配体内未留有足够的测量空间，对于配合构件之间存在相对运动的配合间隙，难以在配合构件运动状态下对配合间隙进行精密测量。因此，研究狭小空间下动态配合间隙的精密测量方法具有重要意义。
发明内容
针对现有技术的至少一个缺陷或改进需求，本发明提供了一种狭小空间下动态配合间隙的精密测量方法及设备，基于柔性铰链结构的位移导出、放大功能，实现了狭小空间下动态配合间隙的高精度测量。
为实现上述目的，按照本发明的第一个方面，提供了一种狭小空间下动态配合间隙的精密测量方法，为待测零件安装柔性铰链结构，利用所述柔性铰链结构测量待测零件的间隙，其中，所述柔性铰链结构的结构参数的确定包括：
根据待测零件尺寸和测量空间设置所述柔性铰链结构的参数初始值；
基于所述参数初始值进行所述柔性铰链结构的仿真，校核所述参数初始值是否使得所述柔性铰链结构满足固有频率限制条件、最大应力限制条件、静态误差限制条件，若不满足上述限制条件中的任意一个，对所述参数初始值进行调整，直至调整后的参数使得所述柔性铰链结构满足上述所有限制条件，对所述柔性铰链结构的位移放大比进行修正，基于修正后的位移放大比进行间隙测量。
进一步地，所述柔性铰链结构包括固定端、测量杆和用于连接所述固定端、所述测量杆的铰链，所述利用所述柔性铰链结构测量待测间隙包括：
在所述柔性铰链结构的测量杆上布置测量探针和传感器，所述测量探针的位置相对于所述传感器的位置更靠近所述铰链，将所述传感器测量的所述测量杆的振幅转换为待测间隙的长度。
进一步地，所述布置传感器包括：
在所述柔性铰链结构的测量杆轴向设置至少两个间距大于预设值的测量截面，在每个所述测量截面设置至少三个测量点，在每个所述测量点布置传感器。
进一步地，所述柔性铰链结构参数包括a、b、t、R、l0，l1，l2，l3，a表示所述固定端的高度，b表示所述固定端的宽度，t表示所述铰链的厚度，R表示所述铰链的圆弧半径，l0表示所述测量杆的长度，l1表示所述铰链到所述测量探针布置点的距离，l2表示所述铰链到所述传感器布置点的距离，l3表示所述铰链到所述固定端的距离。
进一步地，所述静态误差的计算包括：
以所述测量杆处于静止状态时与所述测量杆垂直的方向作为y轴，以所述测量杆处于静止状态时沿所述测量杆长度方向作为x轴，以笛卡尔坐标系右手定则确定垂直于xoy平面的方向为z轴，所述柔性铰链结构在所述测量探针处受y方向测量力作用后，所述柔性铰链结构在扭矩作用下的转动位移的理想测量值记为yM，铰链y方向受力弯曲变形yF、测量杆y方向受力弯曲变形yC，在传感器布置点的三部分位移分别为：
Figure RE-RE-GDA0003821380610000021
式中，F为所述测量探针处测量力，
Figure RE-RE-GDA0003821380610000022
为所述铰链绕z轴的转动刚度，
Figure RE-RE-GDA0003821380610000023
为所述铰链沿y轴的移动刚度，E为所述柔性铰链结构材料弹性模量，Iz为测量杆对z轴的转动惯量。
理想测量值与两种误差的比值为：
Figure RE-RE-GDA0003821380610000031
误差相对值与铰链厚度t5/2成正比，与高度a3、铰链圆弧半径R3/5成反比。
进一步地，以所述测量杆处于静止状态时与所述测量杆垂直的方向作为y 轴，以所述测量杆处于静止状态时沿所述测量杆长度方向作为x轴，以笛卡尔坐标系右手定则确定垂直于xoy平面的方向为z轴，所述固有频率包括所述柔性铰链结构在z轴方向上振动的固有频率和在y轴方向上振动的固有频率；
所述柔性铰链结构在z轴方向上振动的固有频率的计算包括：
在z轴方向上，将所述柔性铰链结构用两个转动刚度分别为k1、k2的串联单自由度系统进行等效；
根据两个单自由度系统的转动刚度计算串联系统的绕z轴的等效转动惯量；
根据串联系统的绕z轴的等效转动惯量计算串联系统在z轴方向上振动的固有频率，将串联系统在z轴方向上振动的固有频率作为所述柔性铰链结构在z 轴方向上振动的固有频率；
所述柔性铰链结构在y轴方向上振动的固有频率的计算包括：
在y方向上，将所述柔性铰链结构视为由简支梁与悬臂梁相结合的等效简支梁，将等效简支梁在y轴方向上振动的固有频率作为所述柔性铰链结构在y 轴方向上振动的固有频率；
调整后的参数使得所述柔性铰链结构满足其在z轴方向上振动的固有频率和在y轴方向上振动的固有频率均大于激励频率与预设阈值之和。
进一步地，所述柔性铰链结构在z轴方向上振动的固有频率f为：
Figure RE-RE-GDA0003821380610000032
Figure RE-RE-GDA0003821380610000033
式中，ρ为材料密度；
所述柔性铰链结构在z轴方向上振动的固有频率f等效为：
Figure RE-RE-GDA0003821380610000041
式中，I为悬臂梁对z轴的惯性矩，I＝ba3/12，A为悬臂梁截面积。
进一步地，所述最大应力的计算包括：
Figure RE-RE-GDA0003821380610000042
式中，σmax为所述最大应力。
进一步地，所述对所述柔性铰链结构的位移放大比进行修正包括：
利用近似修正公式，对所述柔性铰链结构的位移放大比误差进行修正：
Figure RE-RE-GDA0003821380610000043
其中，A1为所述柔性铰链结构在位移输出点的理论振幅，A3为所述柔性铰链结构在位移输出点的实际振幅，
Figure RE-RE-GDA0003821380610000044
为根据所述柔性铰链结构确定的定值，ω为输入端激励频率。
按照本发明的第二个方面，还提供了一种狭小空间下动态配合间隙的精密测量设备，包括至少一个处理单元、以及至少一个存储单元，其中，所述存储单元存储有计算机程序，当所述计算机程序被所述处理单元执行时，使得所述处理单元执行上述任一项所述方法的步骤。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
(1)综合考虑待测零件尺寸、测量空间、固有频率、最大应力、静态误差等限制条件，调整柔性铰链结构参数，并对柔性铰链结构位移放大比进行修正，结合修正后的放大比，计算配合间隙，可以实现狭小空间下动态配合间隙的高精度测量。
(2)还提出了“轴向双排、周向多点”的传感器布局方法，可以进一步提高狭小空间下动态配合间隙的测量精度。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，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的附图。
图1为本申请实施例的柔性铰链结构与参数示意图；
图2为本申请实施例的柔性铰链结构z方向振动等效模型示意图；
图3为本申请实施例的柔性铰链结构y方向振动等效模型示意图；
图4为本申请实施例的柔性铰链结构在惯性力作用下弯曲变形示意图；
图5为本申请实施例的动密封轴孔配合结构与相关尺寸；
图6为本申请实施例的柔性铰链设计实例结构；
图7为本申请实施例的放大比修正前后柔性铰链结构放大比仿真结果对比；
图8为本申请实施例的所设计测量方法的柔性铰链及其安装结构；
图9为本申请实施例的本申请实施例的传感器布局示意图；
附图标记说明：1-固定螺钉，2-柔性铰链结构，3-形成待测轴孔间隙的配流套，4-测量探针，5-形成待测轴孔间隙的油缸，6-位移传感器，21-固定端，22- 铰链，23-测量杆。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本申请的说明书和权利要求书中，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或单元。
本发明实施例的一种狭小空间下动态配合间隙的精密测量方法，包括：为待测零件安装柔性铰链结构，利用所述柔性铰链结构测量待测零件的间隙。具体地，如何为待测零件间隙安装柔性铰链结构，根据待测零件而不同。柔性铰链结构一般安装于形成待测间隙的固定零件上，对于安装空间不足的情况，可采用在固定零件上开设工艺孔的形式为柔性铰链结构提供安装空间；安装时，将柔性铰链结构固定端通过螺钉与零件端面固定，使测量杆上测量探针与形成待测间隙的另一零件接触，并留有一定预压量，保证测量时测量探针始终与零件表面接触。
其中，所述柔性铰链结构的结构参数的确定包括：
步骤1，根据待测零件尺寸和测量空间设置所述柔性铰链结构的参数初始值。
步骤2，基于所述参数初始值进行所述柔性铰链结构的仿真，校核所述参数初始值是否使得所述柔性铰链结构满足固有频率限制条件、最大应力限制条件、静态误差限制条件，若不满足上述限制条件中的任意一个，对所述参数初始值进行调整，直至调整后的参数使得所述柔性铰链结构满足上述所有限制条件，对所述柔性铰链结构的位移放大比进行修正，基于修正后的位移放大比进行间隙测量。
以图1所示半圆形切口柔性铰链结构为例。柔性铰链结构包括固定端21、测量杆23和用于连接固定端、测量杆的铰链22。铰链可为圆弧形切口。在柔性铰链结构的测量杆上布置测量探针和传感器，测量探针的位置相对于传感器的位置更靠近铰链，将传感器测量的测量杆的振幅转换为待测间隙的长度。测量时左端面固定，测量探针安装点为位移输入端，通过柔性铰链的杠杆作用将位移放大，在右侧自由端输出位移。
固有频率限制条件是指柔性铰链结构的固有频率与激励频率大于第一预设阈值。
最大应力限制条件是指柔性铰链结构中铰链能够承受的最大应力大于第二预设阈值。
静态误差限制条件是指由柔性铰链结构变形导致的输出端位移误差小于第三预设阈值。
柔性铰链结构参数主要包括a、b、t、R、l0，l1，l2，l3，a表示固定端的高度， b表示固定端的宽度，t表示铰链的厚度，R表示铰链的圆弧半径，l0表示测量杆的长度，l1表示铰链到测量探针布置点的距离，l2表示铰链到与该柔性铰链机构配合测量的传感器布置点的距离，l3表示铰链到固定端的距离。其中l0，l1，l2， l3为基本结构参数，由零件尺寸、测量空间限制等约束条件进行确定；a，b，t， R为影响柔性铰链转动刚度的功能结构参数，需综合考虑测量空间限制、柔性铰链固有频率、柔性铰链最大应力、静态形变误差、动态响应误差等因素进行确定。
以所述测量杆处于静止状态时沿所述测量杆长度方向为x轴，以述测量杆处于静止状态时与测量杆垂直的方向作为y轴，以笛卡尔坐标系右手定则确定垂直于xoy平面的方向为z轴，建立参考坐标系。以该参考坐标系说明柔性铰链结构参数的固有频率、最大应力、静态误差等计算方法。
柔性铰链的刚度特性包括扭转刚度与弯曲刚度。扭转刚度
Figure RE-RE-GDA0003821380610000071
主要影响柔性铰链受力后绕z轴的转角，从而决定柔性铰链的位移放大比。弯曲刚度
Figure RE-RE-GDA0003821380610000072
主要影响柔性铰链受力后沿y轴方向的挠度。设铰链宽度为b，厚度为t，圆弧切口半径为R，则圆弧部分铰链绕z轴的扭转刚度
Figure RE-RE-GDA0003821380610000073
为：
Figure RE-RE-GDA0003821380610000074
式中，E为柔性铰链结构材料弹性模量；γ为圆弧切口半径R与铰链厚度t 的比值，即γ＝R/t。当t很小而R较大时，近似有：
Figure RE-RE-GDA0003821380610000075
圆弧部分铰链沿y轴方向的弯曲刚度为：
Figure RE-RE-GDA0003821380610000076
当t很小而R较大时，近似有：
Figure RE-RE-GDA0003821380610000081
柔性铰链受y方向测量力Fy作用后，铰链某点处的y方向位移包含三部分：由转角引起的位移yM、由圆弧铰链部分弯曲变形引起的位移yF、由测量杆部分弯曲变形引起的位移yC。由于柔性铰链主要通过扭转产生的转角以形成杠杆，进而将输入位移按比例进行放大或缩小，因此，yM为理想输出位移，柔性铰链与测量杆弯曲变形产生的位移yF、yC是影响其测量精度的静态误差，在进行柔性铰链参数设计时需尽量减小弯曲变形产生的位移误差。
测量时被测件位移由探针位置输入，设探针受测量力为F，则在右端位移输出点(传感器测量点)，由铰链受扭矩偏转产生的位移为：
Figure RE-RE-GDA0003821380610000082
铰链部分受力弯曲变形为：
Figure RE-RE-GDA0003821380610000083
测量杆部分受力弯曲变形为：
Figure RE-RE-GDA0003821380610000084
式中，Iz为测量杆对z轴的转动惯量，Iz＝ba3/12。
分别将式(2)、式(4)带入式(5)、式(6)中，可得柔性铰链在传感器测量点的理论输出位移yM与两个静态误差的比值为：
Figure RE-RE-GDA0003821380610000085
由式(8)可知，误差相对值主要与柔性铰链厚度t5/2近似成正比，与高度 a3、铰链圆弧半径R3/5近似成反比，因此，在确定上述柔性铰链结构功能参数时，需充分考虑测量误差的影响，以减小静态误差所占比例。
同理，在位移输入点(探针位置)，有：
Figure RE-RE-GDA0003821380610000091
Figure RE-RE-GDA0003821380610000092
Figure RE-RE-GDA0003821380610000093
故柔性铰链的位移放大比即为位移输出点与位移输入点的位移之比：
Figure RE-RE-GDA0003821380610000094
被测表面的动态变化经由测量杆转化为柔性铰链输入端的上下往复运动，故柔性铰链的实际运动为绕固定端的往复摆动。当被测表面运动速度较高时，如主轴高速回转，柔性铰链所受激励频率较大，因此必须考虑柔性铰链系统振动对测量的影响。所设计的柔性铰链结构可分为两部分，即圆弧切口铰链部分与测量杆部分。铰链转动刚度较小、转动惯量较小，测量杆转动刚度较大、转动惯量较大，由于柔性铰链的转动惯量远小于测量杆，可忽略其影响。
在z方向上，柔性铰链测量杆部分以探针位置为界限等效为两个单自由度振动系统的串联，如图2所示。其中，k1为固定端到探针位置部分的等效刚度， k2为探针位置到自由端部分的等效刚度，故有：
Figure RE-RE-GDA0003821380610000095
Figure RE-RE-GDA0003821380610000096
对于串联系统，其系统等效刚度为：
Figure RE-RE-GDA0003821380610000097
系统绕z轴的等效转动惯量为；
Figure RE-RE-GDA0003821380610000098
式中，ρ为材料密度；
故系统在z方向上振动的固有频率为：
Figure RE-RE-GDA0003821380610000101
在y方向上，柔性铰链可视为由简支梁与悬臂梁相结合的等效简支梁，如图3所示，其中悬臂梁固有频率公式：
Figure RE-RE-GDA0003821380610000102
A为测量杆部分(悬链臂)横截面积。
对于一般悬臂梁与柔性铰链等效简支梁，两者基本参数均相同，不同点在于等效简支梁有两个分段长度l0、l1，因此简支梁计算转动刚度时，需考虑l0部分的影响；计算转动惯量时，只考虑l0-l1部分的影响，因此将悬臂梁固有频率公式中的l4替换为l0 2(l0-l1)2，即可得等效简支梁的固有频率近似计算公式：
Figure RE-RE-GDA0003821380610000103
式中，I为悬臂梁对z轴的惯性矩，I＝ba3/12。经计算，y方向与z方向上，柔性铰链系统固有频率均近似与
Figure RE-RE-GDA0003821380610000104
成正比(m,n<1)。为防止系统在受迫振动时发生共振，设计时应调整相关参数使系统固有频率远大于激励频率。
柔性铰链圆弧切口处易产生应力集中，圆弧切口处最大应力为：
Figure RE-RE-GDA0003821380610000105
式中，Mz为圆弧切口处所受弯矩，αz为圆弧切口处受力后绕z轴的转角，ymax为圆弧切口处受力后沿y轴的最大位移，Iz为圆弧切口部分绕z轴的惯性矩。
由式(20)可知，柔性铰链最大应力近似与
Figure RE-RE-GDA0003821380610000106
成正比，因此在参数设计时，应合理设计铰链厚度t与圆弧半径R，防止最大工作应力超过材料屈服极限。
其次，利用有限元仿真方法，针对静态误差、固有频率、最大应力等限制条件，对所设计的柔性铰链进行校核，并对结构参数与位移放大比进行调整修正。根据式(2)、式(8)、式(17)、式(20)，柔性铰链相关限制条件与结构参数间近似关系总结如表1所示，仿真校核时可参照表1对柔性铰链结构参数进行调整。
表1限制条件与结构参数间近似关系
Figure RE-RE-GDA0003821380610000111
柔性铰链测量杆受迫振动时，其惯性力Fa与激励信号的频率与振幅有关，当惯性力Fa较大时，测量杆产生额外的弯曲变形，如图4所示。图中，y1为柔性铰链结构输出端理论位移，y2为由于惯性力作用额外产生的弯曲变形，y3为柔性铰链结构实际输出位移，即y3＝y1+y2。因此，在惯性力作用下，测量时柔性铰链结构实际位移放大比略大于理论值，因此需对位移放大比进行修正。
设输入位移呈正弦规律，则有：
y1(ω,x,t)＝A1(x)·sin(ωt)＝k1·x·sin(ωt) (21)
式中，A1(x)为柔性铰链理论振幅，ω为输入频率，由于理论输出位移为柔性铰链杠杆原理产生，故有A1(x)＝k1·x，其中k1为与输入位移幅值有关的比例系数。
由于y2远小于y1，故可近似认为柔性铰链结构上各点的加速度a有如下关系：
Figure RE-RE-GDA0003821380610000112
即可认为各点加速度a与ω2近似成正比，因此由各点惯性力叠加产生的变形y2也与ω2成正比：
y2(ω,x,t)＝k2(x)·ω2·sin(ωt) (23)
故有：
y3(ω,x,t)＝y1(ω,x,t)+y2(ω,x,t)＝(k1·x+k2(x)·ω2)·sin(ωt) (24)
即：
Figure RE-RE-GDA0003821380610000113
则在位移输出点x＝l2处，有：
Figure RE-RE-GDA0003821380610000114
其中，A3为柔性铰链结构在位移输出点的实际振幅，
Figure RE-RE-GDA0003821380610000121
为一与柔性铰链结构、输入位移有关的定值，通过不同频率下的有限元谐响应振幅分析即可确定，ω为输入频率。
最后，确定传感器布局策略。针对径向配合间隙，采用“轴向双排、周向多点”的传感器布局方式，在柔性铰链结构的测量杆轴向设置至少两个间距大于预设值的测量截面，在每个测量截面设置至少三个测量点，在每个测量点布置传感器，形成对径向配合间隙全配合长度上的测量。其中一个测量截面上的传感器布置一个柔性铰链结构的测量杆上，其他截面上的传感器可直接测量间隙，不与柔性铰链配合测量。
按照本专利提出的方法，针对某型号湿式离合器动密封结构，设计一套轴孔配合间隙动态测量方法。动密封结构轴孔间隙与测量空间尺寸限制如图5所示。外毂与配流套为固定件，油缸为回转件，转速为3000rpm，待测间隙为配流套与油缸间的轴孔配合间隙。该结构内部零部件紧凑，待测间隙长度较大，需借助柔性铰链完成内侧动态间隙的导出测量。为待测零件安装柔性铰链结构，首先，根据柔性铰链参数与限制条件的关系，初步确定柔性铰链参数为：柔性铰链结构高度a＝5mm，铰链宽度b＝10mm，铰链厚度t＝0.5mm，铰链圆弧半径R＝1.5mm，柔性铰链测量杆长度l0＝55mm，铰链到测量探针距离l1＝8.5mm，铰链到传感器测量点距离l2＝52mm，铰链到固定端距离l3＝2mm。为便于传感器对外侧间隙进行测量，柔性铰链中部开设通孔，如图6所示。
其次，利用有限元分析方法，校核所设计柔性铰链的静态误差、固有频率、最大应力等限制条件，并对位移放大比进行修正。
(1)静态误差。在柔性铰链左端面施加固定约束，探针处施加50mm位移约束，仿真分析位移输出点处的位移。根据仿真结果，传感器处位移量为243.4μm，柔性铰链实际放大比为4.87，柔性铰链理想放大比为4.90。测量误差约为0.7％，满足使用要求。
(2)固有频率。在柔性铰链左端面施加固定约束，探针位置施加支承约束，并在探针位置施加激励频率。仿真结果显示，柔性铰链一阶固有频率f1＝1167Hz，远高于被测构件最高振动频率300Hz，因此不会发生共振现象，满足使用要求。
(3)最大应力。在柔性铰链左端面施加固定约束，探针位置施加100mm 位移约束。柔性铰链材料选用弹簧钢，屈服强度σs＝500MPa，经仿真计算，柔性铰链切口处最大应力σmax＝424.16MPa，低于材料屈服强度，满足使用要求。
(4)放大比修正。在红宝石探针处施加幅值为50μm、频率为0～500Hz的正弦位移，通过谐响应仿真分析传感器处的稳态响应，并对位移放大比进行修正，结果如图7所示。在300Hz处，修正前放大比误差约为6.4％，修正后放大比误差<0.5％，满足使用要求。
最后，设计柔性铰链与传感器布局策略。针对轴向跨度较大的轴孔配合间隙，设计了“轴向双排、周向多点”的传感器布局：在轴向上设置两个间距较大的测量截面，以较好拟合待测间隙在全配合长度上的分布情况；在每个测量截面上，设置五个测量点，以准确拟合该截面上的配合间隙，如图8和图9所示。
需要说明的是，对于前述的各方法实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本申请并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本申请，某些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作和模块并不一定是本申请所必须的。
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。
本实施例还提供了一种狭小空间下动态配合间隙的精密测量设备，其包括至少一个处理器、以及至少一个存储器，其中，存储器中存储有计算机程序，当计算机程序被处理器执行时，使得处理器执行上述任意一种狭小空间下动态配合间隙的精密测量方法的步骤，此处不再赘述；本实施例中，处理器和存储器的类型不作具体限制，例如：处理器可以是微处理器、数字信息处理器、片上可编程逻辑系统等；存储器可以是易失性存储器、非易失性存储器或者它们的组合等。而前述的存储器包括：U盘、只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)、移动硬盘、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上者，仅为本公开的示例性实施例，不能以此限定本公开的范围。即但凡依本公开教导所作的等效变化与修饰，皆仍属本公开涵盖的范围内。本领域技术人员在考虑说明书及实践这里的公开后，将容易想到本公开的其实施方案。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未记载的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的范围和精神由权利要求限定。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
本领域的技术人员容易理解，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种狭小空间下动态配合间隙的精密测量方法，其特征在于，为待测零件安装柔性铰链结构，利用所述柔性铰链结构测量待测零件的间隙，其中，所述柔性铰链结构的结构参数的确定包括：
根据待测零件尺寸和测量空间设置所述柔性铰链结构的参数初始值；
基于所述参数初始值进行所述柔性铰链结构的仿真，校核所述参数初始值是否使得所述柔性铰链结构满足固有频率限制条件、最大应力限制条件、静态误差限制条件，若不满足上述限制条件中的任意一个，对所述参数初始值进行调整，直至调整后的参数使得所述柔性铰链结构满足上述所有限制条件，对所述柔性铰链结构的位移放大比进行修正，基于修正后的位移放大比进行间隙测量。
2.如权利要求1所述的一种狭小空间下动态配合间隙的精密测量方法，其特征在于，所述柔性铰链结构包括固定端、测量杆和用于连接所述固定端、所述测量杆的铰链，所述利用所述柔性铰链结构测量待测间隙包括：
在所述柔性铰链结构的测量杆上布置测量探针和传感器，所述测量探针的位置相对于所述传感器的位置更靠近所述铰链，将所述传感器测量的所述测量杆的振幅转换为待测间隙的长度。
3.如权利要求2所述的一种狭小空间下动态配合间隙的精密测量方法，其特征在于，所述布置传感器包括：
在所述柔性铰链结构的测量杆轴向设置至少两个间距大于预设值的测量截面，在每个所述测量截面设置至少三个测量点，在每个所述测量点布置传感器。
4.如权利要求2所述的一种狭小空间下动态配合间隙的精密测量方法，其特征在于，所述柔性铰链结构参数包括a、b、t、R、l0，l1，l2，l3，a表示所述固定端的高度，b表示所述固定端的宽度，t表示所述铰链的厚度，R表示所述铰链的圆弧半径，l0表示所述测量杆的长度，l1表示所述铰链到所述测量探针布置点的距离，l2表示所述铰链到所述传感器布置点的距离，l3表示所述铰链到所述固定端的距离。
5.如权利要求4所述的一种狭小空间下动态配合间隙的精密测量方法，其特征在于，所述静态误差的计算包括：
以所述测量杆处于静止状态时与所述测量杆垂直的方向作为y轴，以所述测量杆处于静止状态时沿所述测量杆长度方向作为x轴，以笛卡尔坐标系右手定则确定垂直于xoy平面的方向为z轴，所述柔性铰链结构在所述测量探针处受y方向测量力作用后，所述柔性铰链结构在扭矩作用下的转动位移的理想测量值记为yM，铰链y方向受力弯曲变形yF、测量杆y方向受力弯曲变形yC，在传感器布置点的三部分位移分别为：
Figure FDA0003674794230000021
式中，F为所述测量探针处测量力，
Figure FDA0003674794230000022
为所述铰链绕z轴的转动刚度，
Figure FDA0003674794230000023
为所述铰链沿y轴的移动刚度，E为所述柔性铰链结构材料弹性模量，Iz为测量杆对z轴的转动惯量。
理想测量值与两种误差的比值为：
yM:yF:
Figure FDA0003674794230000024
误差相对值与铰链厚度t5/2成正比，与高度a3、铰链圆弧半径R3/5成反比。
6.如权利要求1所述的一种狭小空间下动态配合间隙的精密测量方法，其特征在于，以所述测量杆处于静止状态时与所述测量杆垂直的方向作为y轴，以所述测量杆处于静止状态时沿所述测量杆长度方向作为x轴，以笛卡尔坐标系右手定则确定垂直于xoy平面的方向为z轴，所述固有频率包括所述柔性铰链结构在z轴方向上振动的固有频率和在y轴方向上振动的固有频率；
所述柔性铰链结构在z轴方向上振动的固有频率的计算包括：
在z轴方向上，将所述柔性铰链结构用两个转动刚度分别为k1、k2的串联单自由度系统进行等效；
根据两个单自由度系统的转动刚度计算串联系统的绕z轴的等效转动惯量；
根据串联系统的绕z轴的等效转动惯量计算串联系统在z轴方向上振动的固有频率，将串联系统在z轴方向上振动的固有频率作为所述柔性铰链结构在z轴方向上振动的固有频率；
所述柔性铰链结构在y轴方向上振动的固有频率的计算包括：
在y方向上，将所述柔性铰链结构视为由简支梁与悬臂梁相结合的等效简支梁，将等效简支梁在y轴方向上振动的固有频率作为所述柔性铰链结构在y轴方向上振动的固有频率；
调整后的参数使得所述柔性铰链结构满足其在z轴方向上振动的固有频率和在y轴方向上振动的固有频率均大于激励频率与预设阈值之和。
7.如权利要求5所述的一种狭小空间下动态配合间隙的精密测量方法，其特征在于，
所述柔性铰链结构在z轴方向上振动的固有频率f为：
Figure FDA0003674794230000031
Figure FDA0003674794230000032
式中，ρ为材料密度；
所述柔性铰链结构在z轴方向上振动的固有频率f等效为：
Figure FDA0003674794230000033
式中，I为悬臂梁对z轴的惯性矩，I＝ba3/12，A为悬臂梁截面积。
8.如权利要求5所述的一种狭小空间下动态配合间隙的精密测量方法，其特征在于，所述最大应力的计算包括：
Figure FDA0003674794230000034
式中，σmax为所述最大应力。
9.如权利要求1所述的一种狭小空间下动态配合间隙的精密测量方法，其特征在于，所述对所述柔性铰链结构的位移放大比进行修正包括：
利用近似修正公式，对所述柔性铰链结构的位移放大比误差进行修正：
Figure FDA0003674794230000041
其中，A1为所述柔性铰链结构在位移输出点的理论振幅，A3为所述柔性铰链结构在位移输出点的实际振幅，
Figure FDA0003674794230000042
为根据所述柔性铰链结构确定的定值，ω为输入端激励频率。
10.一种狭小空间下动态配合间隙的精密测量设备，其特征在于，包括至少一个处理单元、以及至少一个存储单元，其中，所述存储单元存储有计算机程序，当所述计算机程序被所述处理单元执行时，使得所述处理单元执行权利要求1～9任一项所述方法的步骤。
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