CN116642444A - 基于偏心和倾斜耦合的大型高速回转装备轴向测量方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于偏心和倾斜耦合的大型高速回转装备轴向测量方法及系统，属于表面轮廓测量和和航空发动机装配技术领域，其中，该方法包括：在测量大型高速回转装备单级转子轴向时，采集真实转子轴向采样角度偏移量求解耦合偏心误差和倾斜误差后轴向的实际采样角度；在测量大型高速回转装备单级转子几何轴线与测量回转轴线时，根据实际采样角度获取实际转子轴向端面跳动测量值偏移量，再求解偏心误差和倾斜误差耦合后的轴向端面跳动测量值。该方法解决了面向大型高速回转装备单机转子轴向测量过程中偏心误差、倾斜误差相互耦合严重降低表面轮廓测量精度，导致大型高速回转装备无法精准装配、无故障时间和寿命缩短的问题。

Description

基于偏心和倾斜耦合的大型高速回转装备轴向测量方法及 系统

技术领域

本发明涉及表面轮廓测量和和航空发动机装配技术领域，特别涉及一种基于偏心和倾斜耦合的大型高速回转装备轴向测量方法及系统。

背景技术

大型高速回转装备由于长期工作在高温、高压、交变载荷的恶劣服役环境中，导致测量系统的偏心误差、倾斜误差引入和传递，相互耦合并被放大，严重降低表面轮廓测量精度，导致其垂直度误差被放大，大型高速回转装备装配轴线偏离理想轴线，当轴线偏移达到微米级时，航空发动机开始产生振动，一旦振动幅值过大，便会产生故障停止工作，缩短无故障时间和寿命。因此，实现大型高速回转装备转子表面轮廓准确测量是保证航空发动机精准装配、减小振动的前提，但因大型高速回转装备转子的特殊结构，多系统误差在测量过程中会进行传递并被放大，因此测量精度大大降低。随着对大型高速回转装备转子表面轮廓测量精度要求不断提高，系统误差造成的影响在测量误差中占比越来越高。因此，正确认识测量系统中偏心误差、倾斜误差源及影响机理，建立综合考虑基于偏心和倾斜耦合的单级转子轴向测量模型，对于减小因其产生的测量误差，实现垂直度准确测量具有重要意义。

面向大型高速回转装备转子轴向测量过程中偏心误差、倾斜误差相互耦合严重降低表面轮廓测量精度，导致大型高速回转装备无法精准装配、无故障时间和寿命缩短的问题，亟需提出一种基于偏心和倾斜耦合的大型高速回转装备转子轴向测量模型，为回转装备的测量装配提供理论基础。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明的第一个目的在于提出一种基于偏心和倾斜耦合的大型高速回转装备轴向测量方法，该方法解决了面向大型高速回转装备转子轴向测量过程中偏心误差、倾斜误差相互耦合严重降低表面轮廓测量精度。

本发明的第二个目的在于提出一种基于偏心和倾斜耦合的大型高速回转装备轴向测量系统。

本发明的第三个目的在于提出一种计算机设备。

本发明的第四个目的在于提出一种非临时性计算机可读存储介质。

为达到上述目的，本发明第一方面实施例提出了基于偏心和倾斜耦合的大型高速回转装备轴向测量方法，包括以下步骤：步骤S1，在测量大型高速回转装备单级转子轴向时，采集真实转子轴向采样角度偏移量，以求解耦合偏心误差和倾斜误差后轴向的实际采样角度；步骤S2，在测量大型高速回转装备单级转子几何轴线与测量回转轴线时，根据所述实际采样角度获取实际转子轴向端面跳动测量值偏移量；步骤S3，根据所述实际转子轴向端面跳动测量值偏移量求解偏心误差和倾斜误差耦合后的轴向端面跳动测量值。

本发明实施例的基于偏心和倾斜耦合的大型高速回转装备轴向测量方法，解决了面向大型高速回转装备单机转子轴向测量过程中偏心误差、倾斜误差相互耦合严重降低表面轮廓测量精度，导致大型高速回转装备无法精准装配、无故障时间和寿命缩短的问题，且为大型高速回转装备单级转子的表面轮廓测量与转子装配提供理论基础。

另外，根据本发明上述实施例的基于偏心和倾斜耦合的大型高速回转装备轴向测量方法还可以具有以下附加的技术特征：

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述真实转子轴向采样角度偏移量为：

其中，Δθ_a为真实转子轴向采样角度偏移量，为实际采样角度，θ_a为理想采样角度，w′为转子端面偏心量，α′_w为端面偏心角，r₀为采样半径。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述实际转子轴向端面跳动测量值偏移量为：

当时，

当时，

其中，为实际采样角度，β为几何轴线在测量平面上的投影方向与初始测量方向的夹角，ν_a为实际转子轴向端面跳动测量值偏移量，χ为几何轴线倾斜角，r₀为采样半径。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述轴向端面跳动测量值为：

Δd_a′＝ν_a+Δc

其中，Δd_a′为轴向端面跳动测量值，ν_a为实际转子轴向端面跳动测量值偏移量，Δc为转子轴向端面跳动理论值。

为达到上述目的，本发明第二方面实施例提出了基于偏心和倾斜耦合的大型高速回转装备轴向测量系统，包括：实际采样角度求解模块，用于在测量大型高速回转装备单级转子轴向时，采集真实转子轴向采样角度偏移量，以求解耦合偏心误差和倾斜误差后轴向的实际采样角度；偏移量求解模块，用于在测量大型高速回转装备单级转子几何轴线与测量回转轴线时，根据所述实际采样角度获取实际转子轴向端面跳动测量值偏移量；测量值求解模块，用于根据所述实际转子轴向端面跳动测量值偏移量求解偏心误差和倾斜误差耦合后的轴向端面跳动测量值。

本发明实施例的基于偏心和倾斜耦合的大型高速回转装备轴向测量系统，解决了面向大型高速回转装备单机转子轴向测量过程中偏心误差、倾斜误差相互耦合严重降低表面轮廓测量精度，导致大型高速回转装备无法精准装配、无故障时间和寿命缩短的问题，且为大型高速回转装备单级转子的表面轮廓测量与转子装配提供理论基础。

另外，根据本发明上述实施例的基于偏心和倾斜耦合的大型高速回转装备轴向测量系统还可以具有以下附加的技术特征：

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述真实转子轴向采样角度偏移量为：

其中，Δθ_a为真实转子轴向采样角度偏移量，为实际采样角度，θ_a为理想采样角度，w′为转子端面偏心量，α′_w为端面偏心角，r₀为采样半径。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述实际转子轴向端面跳动测量值偏移量为：

当时，

当时，

其中，为实际采样角度，β为几何轴线在测量平面上的投影方向与初始测量方向的夹角，ν_a为实际转子轴向端面跳动测量值偏移量，χ为几何轴线倾斜角，r₀为采样半径。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述轴向端面跳动测量值为：

Δd_a′＝ν_a+Δc

其中，Δd_a′为轴向端面跳动测量值，ν_a为实际转子轴向端面跳动测量值偏移量，Δc为转子轴向端面跳动理论值。

本发明又一方面实施例提供一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在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，实现如上述实施例所述的基于偏心和倾斜耦合的大型高速回转装备轴向测量方法。

本发明还一方面实施例提供一种非临时性计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上述实施例所述的基于偏心和倾斜耦合的大型高速回转装备轴向测量方法。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明一个实施例的基于偏心和倾斜耦合的大型高速回转装备轴向测量方法的流程图；

图2是本发明一个实施例的偏心误差示意图；

图3是本发明一个实施例的倾斜误差示意图；

图4是本发明一个实施例的模型仿真示意图；

图5是本发明一个实施例的基于偏心和倾斜耦合的大型高速回转装备轴向测量系统的结构示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参照附图描述根据本发明实施例提出的基于偏心和倾斜耦合的大型高速回转装备轴向测量方法及系统，首先将参照附图描述根据本发明实施例提出的基于偏心和倾斜耦合的大型高速回转装备轴向测量方法。

图1是本发明一个实施例的基于偏心和倾斜耦合的大型高速回转装备轴向测量方法的流程图。

如图1所示，该基于偏心和倾斜耦合的大型高速回转装备轴向测量方法包括以下步骤：

在步骤S1中，在测量大型高速回转装备单级转子轴向时，采集真实转子轴向采样角度偏移量，以求解耦合偏心误差和倾斜误差后轴向的实际采样角度。

具体地，本发明实施例考虑了大型高速回转装备单级转子在测量时，由于自身装配面的加工误差，导致转子的几何中心与理想中心轴线有所偏差，同时测量系统中高精度回转平台的回转轴线和单级转子自身的轴线实际上不可能重合，因此在测量时造成单机转子装配面存在偏心误差。如图2所示，在大型高速回转装备单级转子轴向测量时，偏心误差会导致采样角度发生偏移，其实际采样角度偏移量表达如下：

其中，w为初始偏心量，α_w为相应偏心角，为拟合半径，/>为实际采样角度，θ_a为理想采样角度；

进一步地，真实转子轴向采样角度偏移量表达如下：

其中，w′'为转子端面偏心量，表达式为α′_w为端面偏心角，表达式为/>r₀是采样半径，d_vd_v为端面的高度。

在步骤S2中，在测量大型高速回转装备单级转子几何轴线与测量回转轴线时，根据实际采样角度获取实际转子轴向端面跳动测量值偏移量。

具体地，如图3所示，当大型高速回转装备单级转子几何轴线与测量回转轴线存在偏差时，产生的倾斜误差不仅导致测量截面发生二次偏心，使得截面偏心随高度的增加呈线性增大，同时造成重构的轮廓形状发生畸变，引起转子轴向轮廓垂直度测量值出现偏移，其实际转子轴向端面跳动测量值偏移量表达如下：

当时，

当时，

其中，为实际采样角度，β为几何轴线在测量平面上的投影方向与初始测量方向的夹角，ν_a为实际转子轴向端面跳动测量值偏移量，χ为几何轴线倾斜角，/>方向向量为(a',b',c')，r₀为采样半径。

在步骤S3中，根据实际转子轴向端面跳动测量值偏移量求解偏心误差和倾斜误差耦合后的轴向端面跳动测量值。

具体地，偏心误差和倾斜误差耦合后轴向端面跳动测量值为：

Δd_a′＝ν_a+Δc

其中，Δd_a′为轴向端面跳动测量值，ν_a为实际转子轴向端面跳动测量值偏移量，Δc为转子轴向端面跳动理论值。

耦合偏心误差和倾斜误差后轴向实际采样角度分别为：

最后基于轴向端面跳动可以评定出端面的垂直度。

下面通过一个具体实施例对本发明实施例提出的基于偏心和倾斜耦合的大型高速回转装备轴向测量方法进一步说明。

如图3所示，为分析五系统误差在模型中的耦合规律，由小到大设置Level 1～5五个误差等级，对模型整体进行仿真。

Level 1:e＝1μm,γ＝1′；

Level 2:e＝4μm,γ＝4′；

Level 3:e＝8μm,γ＝7′；

Level 4:e＝18μm,γ＝10′；

Level 5:e＝30μm,γ＝13′；

当误差量级从Level 1逐渐增大到Level 5时，测量模型的误差逐渐增大，轴向垂直度最大误差从27.6μm增大到367.4μm，表明五系统误差的耦合会对测量精度产生显著影响。

根据本发明实施例提出的基于偏心和倾斜耦合的大型高速回转装备轴向测量方法，解决了面向大型高速回转装备单机转子轴向测量过程中偏心误差、倾斜误差相互耦合严重降低表面轮廓测量精度，导致大型高速回转装备无法精准装配、无故障时间和寿命缩短的问题，且为大型高速回转装备单级转子的表面轮廓测量与转子装配提供理论基础。

其次参照附图描述根据本发明实施例提出的基于偏心和倾斜耦合的大型高速回转装备轴向测量系统。

图5是本发明一个实施例的基于偏心和倾斜耦合的大型高速回转装备轴向测量系统的结构示意图。

如图5所示，该系统10包括：实际采样角度求解模块100、偏移量求解模块200和测量值求解模块300。

其中，实际采样角度求解模块100用于在测量大型高速回转装备单级转子轴向时，采集真实转子轴向采样角度偏移量，以求解耦合偏心误差和倾斜误差后轴向的实际采样角度。偏移量求解模块200用于在测量大型高速回转装备单级转子几何轴线与测量回转轴线时，根据实际采样角度获取实际转子轴向端面跳动测量值偏移量。测量值求解模块300用于根据实际转子轴向端面跳动测量值偏移量求解偏心误差和倾斜误差耦合后的轴向端面跳动测量值。

进一步地，在本发明的一个实施例中，真实转子轴向采样角度偏移量为：

其中，Δθ_a为真实转子轴向采样角度偏移量，为实际采样角度，θ_a为理想采样角度，w′为转子端面偏心量，α′_w为端面偏心角，r₀为采样半径。

进一步地，在本发明的一个实施例中，实际转子轴向端面跳动测量值偏移量为：

当时，

当时，

其中，为实际采样角度，β为几何轴线在测量平面上的投影方向与初始测量方向的夹角，ν_a为实际转子轴向端面跳动测量值偏移量，χ为几何轴线倾斜角，r₀为采样半径。

进一步地，在本发明的一个实施例中，轴向端面跳动测量值为：

Δd_a′＝ν_a+Δc

其中，Δd_a′为轴向端面跳动测量值，ν_a为实际转子轴向端面跳动测量值偏移量，Δc为转子轴向端面跳动理论值。

需要说明的是，前述对基于偏心和倾斜耦合的大型高速回转装备轴向测量方法实施例的解释说明也适用于该实施例的系统，此处不再赘述。

根据本发明实施例提出的基于偏心和倾斜耦合的大型高速回转装备轴向测量系统，解决了面向大型高速回转装备单机转子轴向测量过程中偏心误差、倾斜误差相互耦合严重降低表面轮廓测量精度，导致大型高速回转装备无法精准装配、无故障时间和寿命缩短的问题，且为大型高速回转装备单级转子的表面轮廓测量与转子装配提供理论基础。

为了实现上述实施例，本发明还提出了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在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，实现如前述实施例所述的基于偏心和倾斜耦合的大型高速回转装备轴向测量方法。

为了实现上述实施例，本发明还提出了一种非临时性计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如前述实施例所述的基于偏心和倾斜耦合的大型高速回转装备轴向测量方法。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或N个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“N个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更N个用于实现定制逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。

在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，"计算机可读介质"可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或N个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，可擦除可编辑只读存储器(EPROM或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(CDROM)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。

应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，N个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。如，如果用硬件来实现和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。

本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。

此外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。

上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种基于偏心和倾斜耦合的大型高速回转装备轴向测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1，在测量大型高速回转装备单级转子轴向时，采集真实转子轴向采样角度偏移量，以求解耦合偏心误差和倾斜误差后轴向的实际采样角度；

步骤S2，在测量大型高速回转装备单级转子几何轴线与测量回转轴线时，根据所述实际采样角度获取实际转子轴向端面跳动测量值偏移量；

步骤S3，根据所述实际转子轴向端面跳动测量值偏移量求解偏心误差和倾斜误差耦合后的轴向端面跳动测量值。

2.根据权利要求1所述的基于偏心和倾斜耦合的大型高速回转装备轴向测量方法，其特征在于，所述真实转子轴向采样角度偏移量为：

其中，Δθ_a为真实转子轴向采样角度偏移量，为实际采样角度，θ_a为理想采样角度，w′为转子端面偏心量，α′_w为端面偏心角，r₀为采样半径。

3.根据权利要求1所述的基于偏心和倾斜耦合的大型高速回转装备轴向测量方法，其特征在于，所述实际转子轴向端面跳动测量值偏移量为：

当时，

当时，

其中，为实际采样角度，β为几何轴线在测量平面上的投影方向与初始测量方向的夹角，ν_a为实际转子轴向端面跳动测量值偏移量，χ为几何轴线倾斜角，r₀为采样半径。

4.根据权利要求1所述的基于偏心和倾斜耦合的大型高速回转装备轴向测量方法，其特征在于，所述轴向端面跳动测量值为：

Δd_a′＝ν_a+Δc

其中，Δd_a′为轴向端面跳动测量值，ν_a为实际转子轴向端面跳动测量值偏移量，Δc为转子轴向端面跳动理论值。

5.一种基于偏心和倾斜耦合的大型高速回转装备轴向测量系统，其特征在于，包括：

实际采样角度求解模块，用于在测量大型高速回转装备单级转子轴向时，采集真实转子轴向采样角度偏移量，以求解耦合偏心误差和倾斜误差后轴向的实际采样角度；

偏移量求解模块，用于在测量大型高速回转装备单级转子几何轴线与测量回转轴线时，根据所述实际采样角度获取实际转子轴向端面跳动测量值偏移量；

测量值求解模块，用于根据所述实际转子轴向端面跳动测量值偏移量求解偏心误差和倾斜误差耦合后的轴向端面跳动测量值。

6.根据权利要求5所述的基于偏心和倾斜耦合的大型高速回转装备轴向测量系统，其特征在于，所述真实转子轴向采样角度偏移量为：

其中，Δθ_a为真实转子轴向采样角度偏移量，为实际采样角度，θ_a为理想采样角度，w′为转子端面偏心量，α′_w为端面偏心角，r₀为采样半径。

7.根据权利要求5所述的基于偏心和倾斜耦合的大型高速回转装备轴向测量系统，其特征在于，所述实际转子轴向端面跳动测量值偏移量为：

当时，

当时，

其中，为实际采样角度，β为几何轴线在测量平面上的投影方向与初始测量方向的夹角，ν_a为实际转子轴向端面跳动测量值偏移量，χ为几何轴线倾斜角，r₀为采样半径。

8.根据权利要求5所述的基于偏心和倾斜耦合的大型高速回转装备轴向测量系统，其特征在于，所述轴向端面跳动测量值为：

Δd_a′＝ν_a+Δc

其中，Δd_a′为轴向端面跳动测量值，ν_a为实际转子轴向端面跳动测量值偏移量，Δc为转子轴向端面跳动理论值。

9.一种计算机设备，其特征在于，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在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，实现如权利要求1-4中任一所述的基于偏心和倾斜耦合的大型高速回转装备轴向测量方法。

10.一种非临时性计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，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1-4中任一所述的基于偏心和倾斜耦合的大型高速回转装备轴向测量方法。