CN117470165A - 一种转子组件半径和柱面跳动的测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种转子组件半径和柱面跳动的测量方法，包括如下步骤：将转子组件安装在转台上，测距传感器依次对不同高度待测进行测量，测距传感器以采样频率f对测距传感器测量基准与转子组件外壁之间的距离进行测量，得到第i个待测截面示数点集{s(h_i，θ)}；将测距传感器的示数点表示为待测点到转台回转中心的距离ρ′(h_i，θ)，然后所有测点的坐标都表示在测量坐标系中，利用最小二乘原理求得待测件半径。本发明根据测量过程所要求的测量时间和测量截面数量，确定测量过程中竖直导轨运动速度、水平导轨的运动速度、转台转速和测距传感器采样频率，并利用测量时测量装置与测件的位置关系以及测距传感器示数，快速得到待测件的实际半径和柱面跳动。

Description

一种转子组件半径和柱面跳动的测量方法

技术领域

本发明涉及表明形状测量技术领域，更具体地，涉及一种转子组件半径和柱面跳动的测量方法。

背景技术

转子组件是航空发动机的部件之一，转子组件中叶尖、篦齿、轮毂的直径测量和跳动测量是判断转子组件是否装配合格的重要依据，也是后续预测转静子装配间隙、发动机气动性能中必不可少的输入数据，对于发动机的装配效率、一次装成率等都有着很大影响。

现行航空发动机装配工艺中，采用打点计量的方法获取转子的跳动数据或对组件进行三坐标计量，用三坐标测量的点云数据反应转子组件的跳动和直径。但采用打点计量的方法获取转子的跳动数据数据量过少且不能准确的将跳动和角度对应，采用三坐标测量的方法计量一套转静子周期通常需12h以上，较为低效。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中对航空发动机的转子组件的直径和跳动测量精度和效率较低的不足，提供一种转子组件半径和柱面跳动的测量方法。

本发明的目的可采用以下技术方案来达到：

一种转子组件半径和柱面跳动的测量方法，包括如下步骤：

将转子组件安装在转台上，以转子组件上与转台配合的前支承的配合端面作为测量基准面，测距传感器依次对不同高度待测进行测量，测量过程如下：

根据转子组件的第i个待测截面的轴向设计高度H_i，使得测距传感器沿竖直方向移动距离h_i到达待测截面的高度，根据转子组件在第i个待测截面的设计直径D_i，使得测距传感器沿水平方向移动距离l_i，从而使得转子组件第i个待测截面的外周侧壁在测距传感器的测量范围内；

根据测量过程所需要的时间t和测量的待测截面数N，转台使得转子组件以转速v_r转动，测距传感器以采样频率f对测距传感器测量基准与转子组件外壁之间的距离进行测量，得到第i个待测截面的测距传感器的示数点集{s(h_i，θ)}；

根据同一待测截面上测距传感器示数的最大值和最小值之差可得出改待测截面的柱面跳动，利用测距传感器的测量基准面和回转台中心的几何关系，将测距传感器的示数点表示为待测点到转台回转中心的距离ρ′(h_i，θ)，然后所有测点的坐标都表示在测量坐标系中，利用最小二乘原理求得待测件半径。

本发明通过表示出待测截面相对于测量基准面的相对设计轴向高度和设计直径，确定测量待测截面时竖直导轨的运动距离和水平导轨的运动距离，使得测距传感器的测量基准面对准所要测试的待测截面，由于转子组件在不同的轴向设计高度上待测截面的设计直径可能不一致，为了保证转子组件靠近测距传感器的一侧位于测距传感器的量程内，因此通过水平导轨将测距传感器移动到距离转子组件合适的位置。根据测量过程所要求的测量时间和测量截面数量，确定测量过程中竖直导轨运动速度、水平导轨的运动速度、转台转速和测距传感器采样频率，进而可以开展测量，并利用测量时测量装置与测件的位置关系以及测距传感器示数，快速得到待测件的实际半径。通过测量柱面位移的相对波动即可体现柱面跳动。

进一步的，所述测距传感器沿竖直方向的移动距离h_i＝H_i-H₀。

其中，h_i为测量第i个待测截面时竖直导轨的运动距离，H_i为第i个待测截面相对于测量基准面的相对设计轴向高度，H₀为测距传感器测量基准点相对于测量基准面的相对设计轴向高度。

进一步的，所述测距传感器沿水平方向的移动距离

其中，l_i为测量第i个待测截面时水平导轨的运动距离，L为测距传感器测量零位到转台回转轴线距离，D_i为第i个待测截面的设计直径，F为测距传感器测量量程。这样使得测量目标尽量位于量程的中间，从而使得转子组件外侧壁的形状有起伏时，测量数据上下波动都在量程范围。

进一步的，所述测距传感器沿竖直方向的运动时长t_h、测距传感器沿水平方向的运动时长t_l、测距传感器的测量时长t_s，三者需满足t_h+t_l+t_s≤T，其中T为最大允许测量用时。

所述T为最大允许测量用时，根据需求合理设置T并合理分配t_h、t_l和t_s。

进一步的，所述测距传感器沿竖直方向运动时的运动速度

所述测距传感器沿水平方向运动时的运动速度

所述转台转速

根据用时t_h确定测距传感器沿竖直方向运动时的运动速度v_h，根据用时t_l确定测距传感器沿水平方向运动时的运动速度v_l，根据用时t_s确定转台转速ω_r。其中N为待测截面数量，测量每个截面时转台需要转动n圈。

进一步的，确定所述测距传感器的采样频率时，待测截面包括连续曲面和非连续曲面，连续曲面需要的测量点个数为M_s，非连续曲面中每个叶尖需要的测量点个数为M_d；

则测量连续曲面时测距传感器的采样频率

测量非连续曲面时测距传感器的采样频率

其中，N为待测截面数量，Δh为叶尖的厚度，r_ma为待测截面中的最大半径。连续曲面需要的测量点个数M_s和非连续曲面中每个叶尖需要的测量点个数M_d需要根据该曲面的测量要求确定。由于转子组件包括叶尖、篦齿、轮毂等部件，其中，叶尖的外轮廓为非连续曲面，而篦齿、轮毂的外轮廓为连续曲面，对于非连续曲面为了更全面地实现对柱面跳动的测量，则需要根据叶尖的形状对采样频率进行相应的调整。

进一步的，所述待测点到转台回转中心的距离ρ′(h_i，θ)＝L-l_i-s(h_i,θ)。

进一步的，以转台回转中心为原点，以转台回转中心到第一个测点的方向为x轴正方向的测量坐标系中，测量点的坐标在测量坐标系中表示为：

进一步的，利用最小二乘原理求待测件半径时，求其最小二乘圆构建目标函数使其值最小，目标函数为：

则特定高度h_i和特定转角θ处的待测半径:

进一步的，所述测量装置包括用于放置转子组件的转台、竖直导轨、设于所述竖直导轨上的水平导轨、设于所述水平导轨上的测距传感器、以及控制装置，所述转台内设有用于测量所述转台转动角度的圆光栅，所述竖直导轨和水平导轨内设有用于测量位移的直线光栅，所述控制装置与所述转台、竖直导轨、水平导轨、测距传感器、圆光栅、直线光栅电连接。

水平导轨和直线导轨先将测距传感器移动到相应的位置，使得转子组件对应高度的待测截面位于测距传感器的量程内，将转台的光栅脉冲信号转换为测距传感器的I/O触发信号，这样当转台开始转动时测距传感器开始同步测量。转台开始转动后计算机记录其转角θ(t)，转台开始转动后测距传感器按所确定的采样频率f同步开始测量，计算机记录其示数s(t)，t为测量点相对于开始测量时所经过的时间，利用t相同将转角θ(t)和测距传感器示数s(t)对应，即得到同高度、不同角度下的测距传感器示数s(h_i,θ)。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明通过表示出待测截面相对于测量基准面的相对设计轴向高度和设计直径，确定测量待测截面时竖直导轨的运动距离和水平导轨的运动距离，根据测量过程所要求的测量时间和测量截面数量，确定测量过程中竖直导轨运动速度、水平导轨的运动速度、转台转速和测距传感器采样频率，进而可以开展自动测量，并利用测量时测量装置与测件的位置关系以及测距传感器示数，快速得到待测件的实际半径和柱面跳动。

附图说明

图1为本发明测量装置的结构示意图。

图示标记说明如下：

1-转子组件，2-转台，3-竖直导轨，4-水平导轨，5-测距传感器。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”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，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，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，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的具体含义。

实施例1

如图1所示，一种转子组件半径和柱面跳动的测量方法，包括如下步骤：

将转子组件安装在转台上，以转子组件上与转台配合的前支承的配合端面作为测量基准面，测距传感器依次对不同高度待测进行测量，测量过程如下：

根据转子组件的第i个待测截面的轴向设计高度H_i，使得测距传感器沿竖直方向移动距离h_i到达待测截面的高度，根据转子组件在第i个待测截面的设计直径D_i，使得测距传感器沿水平方向移动距离l_i，从而使得转子组件第i个待测截面的外周侧壁在测距传感器的测量范围内；

根据测量过程所需要的时间t和测量的待测截面数N，转台使得转子组件以转速v_r转动，测距传感器以采样频率f对测距传感器测量基准与转子组件外壁之间的距离进行测量，得到第i个待测截面的测距传感器的示数点集{s(h_i，θ)}；

根据同一待测截面上测距传感器示数的最大值和最小值之差可得出改待测截面的柱面跳动，利用测距传感器的测量基准面和回转台中心的几何关系，将测距传感器的示数点表示为待测点到转台回转中心的距离ρ′(h_i，θ)，然后所有测点的坐标都表示在测量坐标系中，利用最小二乘原理求得待测件半径。

本发明通过表示出待测截面相对于测量基准面的相对设计轴向高度和设计直径，确定测量待测截面时竖直导轨的运动距离和水平导轨的运动距离，使得测距传感器的测量基准面对准所要测试的待测截面，由于转子组件在不同的轴向设计高度上待测截面的设计直径可能不一致，为了保证转子组件靠近测距传感器的一侧位于测距传感器的量程内，因此通过水平导轨将测距传感器移动到距离转子组件合适的位置。根据测量过程所要求的测量时间和测量截面数量，确定测量过程中竖直导轨运动速度、水平导轨的运动速度、转台转速和测距传感器采样频率，进而可以开展测量，并利用测量时测量装置与测件的位置关系以及测距传感器示数，快速得到待测件的实际半径。通过测量柱面位移的相对波动即可体现柱面跳动。

所述测距传感器沿竖直方向的移动距离h_i＝H_i-H₀。

其中，h_i为测量第i个待测截面时竖直导轨的运动距离，H_i为第i个待测截面相对于测量基准面的相对设计轴向高度，H₀为测距传感器测量基准点相对于测量基准面的相对设计轴向高度。

所述测距传感器沿水平方向的移动距离

其中，l_i为测量第i个待测截面时水平导轨的运动距离，L为测距传感器测量零位到转台回转轴线距离，D_i为第i个待测截面的设计直径，F为测距传感器测量量程。这样使得测量目标尽量位于量程的中间，从而使得转子组件外侧壁的形状有起伏时，测量数据上下波动都在量程范围。

所述测距传感器沿竖直方向的运动时长t_h、测距传感器沿水平方向的运动时长t_l、测距传感器的测量时长t_s，三者需满足t_h+t_l+t_s≤T，其中T为最大允许测量用时。

其中，t_h+t_l+t_s＝t，所述T为最大允许测量用时，根据需求合理设置T并合理分配t_h、t_l和t_s。

所述测距传感器沿竖直方向运动时的运动速度

所述测距传感器沿水平方向运动时的运动速度

所述转台转速

根据用时t_h确定测距传感器沿竖直方向运动时的运动速度v_h，根据用时t_l确定测距传感器沿水平方向运动时的运动速度v_l，根据用时t_s确定转台转速ω_r。其中N为待测截面数量，测量每个截面时转台需要转动n圈。

确定所述测距传感器的采样频率时，待测截面包括连续曲面和非连续曲面，连续曲面需要的测量点个数为M_s，非连续曲面中每个叶尖需要的测量点个数为M_d；

则测量连续曲面时测距传感器的采样频率

测量非连续曲面时测距传感器的采样频率

其中，N为待测截面数量，Δh为叶尖的厚度，r_ma为待测截面中的最大半径。连续曲面需要的测量点个数M_s和非连续曲面中每个叶尖需要的测量点个数M_d需要根据该曲面的测量要求确定。由于转子组件包括叶尖、篦齿、轮毂等部件，其中，叶尖的外轮廓为非连续曲面，而篦齿、轮毂的外轮廓为连续曲面，对于非连续曲面为了更全面地实现对柱面跳动的测量，则需要根据叶尖的形状对采样频率进行相应的调整。对于非连续曲面，仅改测量截面上的外轮廓点为有效测量点，进行半径计算或柱面跳动计算时仅采用测距传感器对有效测量点测量的数据。

实施例2

本实施例与实施例1类似，所不同之处在于，本实施例还包括：

所述待测点到转台回转中心的距离ρ′(h_i，θ)＝L-l_i-s(h_i,θ)。

以转台回转中心为原点，以转台回转中心到第一个测点的方向为x轴正方向的测量坐标系中，测量点的坐标在测量坐标系中表示为：

利用最小二乘原理求待测件半径时，求其最小二乘圆构建目标函数使其值最小，目标函数为：

则特定高度h_i和特定转角θ处的待测半径:

实施例3

本实施例与实施例1或2类似，所不同之处在于，本实施例还包括：

如图1所示，所述测量装置包括用于放置转子组件的转台、竖直导轨、设于所述竖直导轨上的水平导轨、设于所述水平导轨上的测距传感器、以及控制装置，所述转台内设有用于测量所述转台转动角度的圆光栅，所述竖直导轨和水平导轨内设有用于测量位移的直线光栅，所述控制装置与所述转台、竖直导轨、水平导轨、测距传感器、圆光栅、直线光栅电连接。

水平导轨和直线导轨先将测距传感器移动到相应的位置，使得转子组件对应高度的待测截面位于测距传感器的量程内，将转台的光栅脉冲信号转换为测距传感器的I/O触发信号，这样当转台开始转动时测距传感器开始同步测量。转台开始转动后计算机记录其转角θ(t)，转台开始转动后测距传感器按所确定的采样频率f同步开始测量，计算机记录其示数s(t)，t为测量点相对于开始测量时所经过的时间，利用t相同将转角θ(t)和测距传感器示数s(t)对应，即得到同高度、不同角度下的测距传感器示数s(h_i,θ)。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。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，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种转子组件半径和柱面跳动的测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

将转子组件安装在转台上，以转子组件上与转台配合的前支承的配合端面作为测量基准面，测距传感器依次对不同高度待测进行测量，测量过程如下：

根据转子组件的第i个待测截面的轴向设计高度H_i，使得测距传感器沿竖直方向移动距离h_i到达待测截面的高度，根据转子组件在第i个待测截面的设计直径D_i，使得测距传感器沿水平方向移动距离l_i，从而使得转子组件第i个待测截面的外周侧壁在测距传感器的测量范围内；

根据测量过程所需要的时间t和测量的待测截面数N，转台使得转子组件以转速ω_r转动，测距传感器以采样频率f对测距传感器测量基准与转子组件外壁之间的距离进行测量，得到第i个待测截面的测距传感器的示数点集{s(h_i，θ)}；

根据同一待测截面上测距传感器示数的最大值和最小值之差可得出改待测截面的柱面跳动，利用测距传感器的测量基准面和回转台中心的几何关系，将测距传感器的示数点表示为待测点到转台回转中心的距离ρ′(h_i，θ)，

然后所有测点的坐标都表示在测量坐标系中，利用最小二乘原理求得待测件半径。

2.根据权利要求1所述的转子组件半径和柱面跳动的测量方法，其特征在于，所述测距传感器沿竖直方向的移动距离h_i＝H_i-H₀。

3.根据权利要求2所述的转子组件半径和柱面跳动的测量方法，其特征在于，所述测距传感器沿水平方向的移动距离

4.根据权利要求1至3任意一项所述的转子组件半径和柱面跳动的测量方法，其特征在于，所述测距传感器沿竖直方向的运动时长t_h、测距传感器沿水平方向的运动时长t_l、测距传感器的测量时长t_s，三者需满足t_h+t_l+t_s≤T，其中T为最大允许测量用时。

5.根据权利要求4所述的转子组件半径和柱面跳动的测量方法，其特征在于，所述测距传感器沿竖直方向运动时的运动速度

所述测距传感器沿水平方向运动时的运动速度

所述转台转速

6.根据权利要求5所述的转子组件半径和柱面跳动的测量方法，其特征在于，确定所述测距传感器的采样频率时f，待测截面包括连续曲面和非连续曲面，连续曲面需要的测量点个数为M_s，非连续曲面中每个叶尖需要的测量点个数为M_d；

则测量连续曲面时测距传感器的采样频率

测量非连续曲面时测距传感器的采样频率

7.根据权利要求6所述的转子组件半径和柱面跳动的测量方法，其特征在于，所述待测点到转台回转中心的距离ρ′(h_i，θ)＝L-l_i-s(h_i,θ)。

8.根据权利要求7所述的转子组件半径和柱面跳动的测量方法，其特征在于，以转台回转中心为原点，以转台回转中心到第一个测点的方向为x轴正方向的测量坐标系中，测量点的坐标在测量坐标系中表示为：

9.根据权利要求8所述的转子组件半径和柱面跳动的测量方法，其特征在于，利用最小二乘原理求待测件半径时，求其最小二乘圆构建目标函数使其值最小，目标函数为：

则特定高度h_i和特定转角θ处的待测半径:

10.根据权利要求1至9任意一项所述的转子组件半径和柱面跳动的测量方法，其特征在于，所述测量装置包括用于放置转子组件的转台、竖直导轨、设于所述竖直导轨上的水平导轨、设于所述水平导轨上的测距传感器、以及控制装置，所述转台内设有用于测量所述转台转动角度的圆光栅，所述竖直导轨和水平导轨内设有用于测量位移的直线光栅，所述控制装置与所述转台、竖直导轨、水平导轨、测距传感器、圆光栅、直线光栅电连接。