CN115682918A - 一种预测同轴度和垂直度的基于间隙配合的多级回转构件的装置及基于该装置的预测方法 - Google Patents
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Abstract
一种用于预测间隙配合的多级回转构件的同轴度和垂直度的装置及基于该装置的预测方法，属于零件装配领域。本发明用以在多级回转构件配合时，分析间隙误差在多级回转构件中的耦合与传播，确保各零件运行的稳定。所述装置包括四个电感传感器、四个水平导轨、两根垂直导轨、基座、卡盘、调心调倾工作台和回转主轴；所述方法包括：步骤一：固定待检测的回转构件；步骤二：测量每个回转构件径向和轴向基准面；步骤三：测量多级回转构件的几何轴线；步骤四：改变回转构件的回转轴线角度；步骤五：测量回转构件同心度，步骤六：预测多级回转构件同轴度和垂直度。本发明设计了一种新型多级回转构件装配预测方法。
Description
技术领域
本发明属于零件装配领域，具体涉及到一种用于预测间隙配合的多级回转构件的同轴度和垂直度的装置及基于该装置的预测方法。
背景技术
回转构件存在于各类机械产品，包括机床主轴、各类燃气轮机、航空航天发动机等，多级回转构件配合时，其表面的几何误差将通过配合面进行逐级放大，从而影响多级回转构件的装配质量，最终影响整个系统的运行特性。例如对于转速达到40000r/min的航天发动机回转构件，其装配误差在高速运行下被放大数十倍乃至数百倍，如果装配偏差过大会导致回转构件与机匣等静子的碰磨，使得回转构件磨损乃至损坏，严重影响航天器的运行安全。不少多级回转构件存在间隙配合，间隙的存在将引入新的装配偏差。同轴度和垂直度是多级回转构件装配质量的核心指标，间隙偏差的影响将会直接导致同轴度和垂直度的测量偏差，为优化同轴度和垂直度指标，需要找到装配相位与间隙偏差之间的关系，实现整体模型的优化。因此为分析间隙误差在多级回转构件中的耦合与传播，亟需建立新型的回转构件装配预测方法。
发明内容
本发明提供了一种用于预测间隙配合的多级回转构件的同轴度和垂直度的装置及基于该装置的预测方法，用以在多级回转构件配合时，分析间隙误差在多级回转构件中的耦合与传播，确保各零件运行的稳定。
一种用于预测多级间隙配合的回转构件测量装置，包括四个电感传感器、四个水平导轨、两根垂直导轨、基座、卡盘、调心调倾工作台和回转主轴。
回转主轴垂直嵌入在基座内部、且与基座之间留有间隙，调心调倾工作台固定在回转主轴上端，卡盘固定在调心调倾工作台上表面；回转主轴、调心调倾工作台和卡盘同轴；工作时，回转主轴带动回转构件成逆时针旋转，调心调倾工作台调整回转构件几何轴线和回转轴线一致度满足收敛条件两个轴线偏移量<3μm，此状态下保证测量基准的可靠性。
两根垂直导轨固定基座上侧，且两根垂直导轨与回转主轴的轴线相平行，两根垂直导轨以回转主轴的轴线为对称轴成轴对称，每根垂直导轨上均放置两个水平导轨，水平导轨与垂直导轨的滑块固定连接，每根水平导轨末端均安装一个电感传感器，用于采集位于卡盘上的待测量转构件的物理参数。
一种优选实施例，每根垂直导轨上端电感传感器，用于测量每个回转构件测量面轮廓数据；每根垂直导轨下方电感传感器，用于测量每个回转构件基准面轮廓数据；每根垂直导轨上两个电感传感器垂直距离，能容纳每个回转构件高度位置。
基于上述装置一种用于间隙配合的多级回转构件的同轴度和垂直度的预测方法，测量得出多级回转构件同轴度和垂直度，方法步骤为：
步骤一：将待检测的回转构件通过卡盘固定；
步骤二：控制回转主轴带动待检测的回转构件旋转，通过调整四个电感传感器的位置，测量每个回转构件径向和轴向基准面；
步骤三：上位机系统根据测量数据获得每个回转构件的几何轴线；
步骤四：调整调倾调心工作台角度，改变回转构件的回转轴线角度；
步骤五：测量回转构件同心度，移动水平导轨，使电感传感器测量径向和轴向测的传感器采集回转构件径向和轴向测量面轮廓信息；
步骤六：预测多级回转构件同轴度和垂直度；
其中回转构件的旋转和平移基于Rodrigues公式和指数积映射表示为：
间隙配合的回转构件装配误差由定位和定向误差组成，其表现为回转构件装配时的旋转和平移，位姿变换用Trans＝[R,0；p,R]来表示，其中p表示平移矩阵P的反对称矩阵。如图所示，则装配后n级回转构件误差关系一般表达式为：
其中Transri表示两级回转构件结合面间的变换方程，Transzi表示回转构件i的理想圆心的位置矩阵，Transclearancei表示回转构件i基准面间隙偏心变换方程，Transdzi表示回转构件i基准面加工误差引起的偏心变换方程，Transorientationi表示回转构件i基准面到装配面回转中心的变换方程，Rxi为第i级回转构件基准面绕X轴的旋转矩阵；Ryi为第i级回转构件基准面绕Y轴的旋转矩阵；pi为第i级回转构件装配面圆心的理想位置向量；dpi为第i级回转构件装配面圆心位置的加工误差向量的反对称矩阵；dp′i为第i级回转构件间隙偏心位置矢量的反对称矩阵；pri为第i级回转构件绕Z轴的旋转矩阵的反对称矩阵；Rr1为单位矩阵。
从n级回转构件误差关系一般表达式为：
其中ω0为[0 0 1]T，则装配后第n级回转构件装配面圆心位置向量表示为：
依据ISO标准对同轴度和垂直度的定义，得到n级回转构件同轴度和垂直度分别为：
其中mi为第i级回转构件质量，zi为回转构件i的高度，ρ为垂直度评价法则。
进一步地，步骤二所述的测量每个回转构件过程具体为：移动电感传感器，运动到回转构件径向和轴向基准截面。
进一步地，步骤三所述的获取每个回转构件几何轴线的方法为：转动回转主轴，电感传感器采集每个回转构件径向和轴向基准面轮廓信息，基于上位机系统评定回转构件几何轴线。
进一步地，步骤四所述的调整调倾调心工作台为：依据回转构件几何轴线调整调心调倾工作台，直到回转构件几何轴线和回转轴线一致度满足两个按轴线偏移量<3μm。
进一步地，步骤六所述的评定多级回转构件同轴度和垂直度的方法包括：获得同轴度和垂直度后，依据各级回转构件测量数据按照间隙为0时最优装配相位进行装配。
本发明的有益效果是：针对多级间隙配合的回转构件装配机理不明确问题，提出了基于间隙配合的多级回转构建的同轴度和垂直度预测方法，分析间隙误差在多级回转构件中的耦合与传播，用于指导多级间隙配合的回转构件的精准装配。
附图说明
附图1是本发明的多级间隙回转构件误差传播示意图。
附图2是本实施方式一所述的多级间隙回转构件测量装置示意图。
具体实施方式
下面对本发明的技术方案进行清楚、完整地举例描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。
具体实施方式一：参照图2具体说明本实施方式，本实施方式为多级间隙配合的回转构件测量装置，包括四个电感传感器1、四个水平导轨3、两根垂直导轨4、基座5、卡盘8、调心调倾工作台9和回转主轴10；
回转主轴10垂直嵌入在基座5内部、且与基座5之间留有间隙，调心调倾工作台9固定在回转主轴10上端，卡盘8固定在调心调倾工作台9上表面；回转主轴10、调心调倾工作台9和卡盘8同轴；工作时，回转主轴10带动回转构件成逆时针旋转，调心调倾工作台9调整回转构件几何轴线和回转轴线一致度满足收敛条件两个轴线偏移量<3μm，此状态下保证测量基准的可靠性。
本实施方式中，两根垂直导轨4固定基座5上侧，且两根垂直导轨4与回转主轴10的轴线相平行，两根垂直导轨4以回转主轴10的轴线为对称轴成轴对称，每根垂直导轨4上均放置两个水平导轨3，水平导轨3与垂直导轨4的滑块固定连接，每根水平导轨3末端均安装一个电感传感器1，用于采集位于卡盘8上的待测量转构件的物理参数。
其中每根垂直导轨4上端电感传感器1，用于测量每个回转构件测量面轮廓数据；每根垂直导轨4下方电感传感器1，用于测量每个回转构件基准面轮廓数据；每根垂直导轨4上两个电感传感器1垂直距离，能容纳每个回转构件高度位置。
具体实施方式二：本实施方式是基于具体实施方式一的多级间隙配合的回转构件测量装置的多级间隙配合的回转构件同轴度和垂直度预测方法，同轴度和垂直度预测方法具体操作步骤如下：
步骤一：将待检测的回转构件通过卡盘固定；
在实际操作过程中，操作人员需要佩戴操作配件保证操作安全规范；
步骤二：控制回转主轴10带动待检测的回转构件旋转，通过调整四个电感传感器1测量每个回转构件径向和轴向基准面；
进一步地，移动电感传感器1，运动到回转构件径向和轴向基准截面；
步骤三：上位机系统根据测量数据获得每个回转构件的几何轴线；
进一步地，转动回转主轴，电感传感器1采集每个回转构件径向和轴向基准面轮廓信息，
基于上位机系统评定回转构件几何轴线。
步骤四：调整调倾调心工作台9角度，改变回转构件的回转轴线角度；
进一步地，依据回转构件几何轴线调整调心调倾工作台9，直到回转构件几何轴线和回转轴线一致度满足两个轴线偏移量<3μm。
步骤五：测量回转构件同心度，移动水平导轨3，使电感传感器1测量径向和轴向测的传感器采集回转构件径向和轴向测量面轮廓信息；
步骤六：预测多级回转构件同轴度和垂直度；
进一步地，获得同轴度和垂直度后，依据各级回转构件测量数据按照间隙为0时最优装配相位进行装配。逐级堆叠时，逐级利用超声传感器测量各级回转构件的间隙，并将回转构件间隙值带入公式，得到多级回转构件的同轴度。多级回转构件同轴度和垂直度评定，评定多级回转构件装配后同轴度和垂直度，同时调节各级回转构件装配相位，使得回转构件的装配同轴度和垂直度最优。
其中回转构件的旋转和平移基于Rodrigues公式和指数积映射表示为：
间隙配合的回转构件装配误差由定位和定向误差组成，其表现为回转构件装配时的旋转和平移，位姿变换用Trans＝[R,0；p,R]来表示，其中p表示平移矩阵P的反对称矩阵。如图所示，则装配后n级回转构件误差关系一般表达式为：
其中Transri表示两级回转构件结合面间的变换方程，Transzi表示回转构件i的理想圆心的位置矩阵，Transclearancei表示回转构件i基准面间隙偏心变换方程，Transdzi表示回转构件i基准面加工误差引起的偏心变换方程，Transorientationi表示回转构件i基准面到装配面回转中心的变换方程，Rxi为第i级回转构件基准面绕X轴的旋转矩阵；Ryi为第i级回转构件基准面绕Y轴的旋转矩阵；pi为第i级回转构件装配面圆心的理想位置向量；dpi为第i级回转构件装配面圆心位置的加工误差向量的反对称矩阵；dp′i为第i级回转构件间隙偏心位置矢量的反对称矩阵；pri为第i级回转构件绕Z轴的旋转矩阵的反对称矩阵；Rr1为单位矩阵。
从n级回转构件误差关系一般表达式得到：
其中ω0为[0 0 1]T，则装配后第n级回转构件装配面圆心位置向量表示为：
依据ISO标准对同轴度和垂直度的定义，得到n级转子同轴度和垂直度分别为：
其中mi为第i级回转构件质量，zi为回转构件i的高度，ρ为垂直度评价法则。
Claims (7)
1.多级间隙配合的回转构件测量装置，其特征在于，所述装置包括四个电感传感器(1)、四个水平导轨(3)、两根垂直导轨(4)、基座(5)、卡盘(8)、调心调倾工作台(9)和回转主轴(10)；
回转主轴(10)垂直嵌入在基座(5)内部、且与所述基座(5)之间留有间隙，调心调倾工作台(9)固定在所述回转主轴(10)上端，卡盘(8)固定在所述调心调倾工作台(9)上表面；所述回转主轴(10)、调心调倾工作台(9)和卡盘(8)同轴；
两根垂直导轨(4)固定基座(5)上侧，且所述两根垂直导轨(4)与所述回转主轴(10)的轴线相平行，两根垂直导轨(4)以所述回转主轴(10)的轴线为对称轴成轴对称，每根垂直导轨(4)上均放置两个水平导轨(3)，所述水平导轨(3)与垂直导轨(4)的滑块固定连接，每根水平导轨(3)末端均安装一个电感传感器(1)，用于采集位于卡盘(8)上的待测量转构件的物理参数。
2.根据权利要求1所述多级间隙配合的回转构件测量装置，其特征在于，每根垂直导轨(4)上端电感传感器(1)，用于测量每个回转构件测量面轮廓数据；每根垂直导轨(4)下方电感传感器(1)，用于测量每个回转构件基准面轮廓数据；每根垂直导轨(4)上两个电感传感器(1)垂直距离，能容纳每个回转构件高度位置。
3.一种基于间隙配合的多级回转构件的同轴度和垂直度的预测方法，其特征在于，所述预测方法包括：
步骤一：将待检测的回转构件通过卡盘固定；
步骤二：控制回转主轴(10)带动待检测的回转构件旋转，通过调整四个电感传感器(1)测量每个回转构件径向和轴向基准面；
步骤三：上位机系统根据测量数据获得每个回转构件的几何轴线；
步骤四：调整调倾调心工作台(9)角度，改变回转构件的回转轴线角度；
步骤五：测量回转构件同心度，移动水平导轨(3)，使电感传感器(1)测量径向和轴向测的传感器采集回转构件径向和轴向测量面轮廓信息；
步骤六：预测多级回转构件同轴度和垂直度；
回转构件的旋转和平移基于Rodrigues公式和指数积映射表示为：
间隙配合的回转构件装配误差由定位和定向误差组成，其表现为回转构件装配时的旋转和平移，位姿变换用Trans＝[R,0；p,R]来表示，其中p表示平移矩阵P的反对称矩阵，则装配后n级回转构件误差关系表达式为：
其中Transri表示两级回转构件结合面间的变换方程，Transzi表示回转构件i的理想圆心的位置矩阵，Transclearancei表示回转构件i基准面间隙偏心变换方程，Transdzi表示回转构件i基准面加工误差引起的偏心变换方程，Transorientationi表示回转构件i基准面到装配面回转中心的变换方程，Rxi为第i级回转构件基准面绕X轴的旋转矩阵；Ryi为第i级回转构件基准面绕Y轴的旋转矩阵；pi为第i级回转构件装配面圆心的理想位置向量；dpi为第i级回转构件装配面圆心位置的加工误差向量的反对称矩阵；dp′i为第i级回转构件间隙偏心位置矢量的反对称矩阵；pri为第i级回转构件绕Z轴的旋转矩阵的反对称矩阵；Rr1为单位矩阵；
从n级回转构件误差关系表达式为：
其中ω0为[0 0 1]T，则装配后第n级回转构件装配面圆心位置向量表示为：
依据ISO标准对同轴度和垂直度的定义，得到n级转子同轴度和垂直度分别为：
其中mi为第i级回转构件质量，zi为回转构件i的高度，ρ为垂直度评价法则。
4.根据权利要求3所述的一种基于间隙配合的多级回转构件的同轴度和垂直度的预测方法，其特征在于，步骤二所述的测量每个回转构件过程具体为：移动电感传感器(1)，运动到回转构件径向和轴向基准截面。
5.根据权利要求4所述的一种基于间隙配合的多级回转构件的同轴度和垂直度的预测方法，其特征在于，步骤三所述的获取每个回转构件几何轴线的方法为：转动回转主轴，电感传感器(1)采集每个回转构件径向和轴向基准面轮廓信息，基于上位机系统评定回转构件几何轴线。
6.根据权利要求4所述的一种基于间隙配合的多级回转构件的同轴度和垂直度的预测方法步，其特征在于，步骤四所述的调整调倾调心工作台(9)为：依据回转构件几何轴线调整调心调倾工作台(9)，直到回转构件几何轴线和回转轴线一致度满足两个轴线偏移量<3μm。
7.根据权利要求4所述的一种基于间隙配合的多级回转构件的同轴度和垂直度的预测方法步，其特征在于，步骤六所述的评定多级回转构件同轴度和垂直度的方法包括：获得同轴度和垂直度后，依据各级回转构件测量数据按照间隙为0时最优装配相位进行装配。
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115979118A (zh) * | 2023-03-17 | 2023-04-18 | 山东科技大学 | 圆柱形零件垂直度误差和误差方位角的测量装置及方法 |
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2022
- 2022-10-10 CN CN202211237713.0A patent/CN115682918A/zh active Pending
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|---|---|---|---|---|
| CN115979118A (zh) * | 2023-03-17 | 2023-04-18 | 山东科技大学 | 圆柱形零件垂直度误差和误差方位角的测量装置及方法 |
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