一種在位測量圓環形平面形狀誤差的方法與流程

2023-10-23 15:39:57

本發明屬於平面度誤差在位測量方法，可廣泛應用於如航空發動機、離心壓縮機等重大工程裝備的圓環形零件的平面度測量。

背景技術：

在機械零件進行裝配時，裝配界面的形狀誤差非常重要，形狀誤差往往會影響接觸剛度和裝配精度，為了精確控制裝配體性能，需要測試零件的形狀誤差。目前，我國的很多重大裝備中廣泛存在大型圓環形平面，例如航空發動機中的高壓、低壓渦輪軸，高壓壓氣機盤鼓等零件中就存在著大量的圓環形平面，這些高精密零件的裝配問題與形狀誤差的檢測關係十分密切，而在裝配過程中工件往往不能隨意轉動，因而針對這些高精密零件的裝配問題，進行在位測量至關重要。

逐次二點法是一種應用於直線度誤差測量的重要方法，通過對多列測試數據的處理，可以獲得矩形平面的平面度誤差，但其處理算法能夠消除傳感器測頭的不平齊誤差，卻不能分離出傳感器安裝過程中的支架轉角誤差，同時也較難應用於狹窄的環形平面的平面度誤差檢測中；三點法是逐次二點法的延伸，在以圓環面作為測量對象檢測平面度誤差時，由於三點法可以將初始對準誤差分離出來，因而具有較高的測量精度，但其不能應用於在位測量，即在測量過程中傳感器固定不動而要使得工件旋轉，不適用於在裝配過程中的形位公差測量。

本文提出了一種基於三點法的在位測量方法，該方法可以實現裝配過程中對大型圓環形平面的平面度誤差測量，且可以通過算法有效消除調零誤差的影響，具有重要的現實意義。

技術實現要素：

針對航空發動機中具有大型圓環形平面的零件裝配問題，本發明基於三點法測量圓環形平面的基本原理，結合工程實踐，提出了一種針對圓環形平面平面度誤差的在位測量方法。

本方法的技術方案：

一種圓環面平面度在線測量系統，應用於航空發動機軸盤與錐壁端面的平面度測量儀器結構包括調姿部分、迴轉部分和測量部分；

調姿部分包括調姿臺5、調姿臺電機4和轉接板6；調姿臺5用於調節沿z軸和x軸的迴轉角度，由調姿臺電機4控制，調姿臺電機4由控制器控制；z軸為垂直於調姿臺5平面的軸，調整角度為0°～360°；x軸為垂直調姿臺電機4軸方向的軸，調整角度為-30°～30°；轉接板6的下表面連接在調姿臺5檯面上，其上表面一側連接有迴轉分度盤底座7；

迴轉部分包括迴轉分度盤底座7和分迴轉分度盤1；迴轉分度盤底座7主體為方體框架結構，兩側表面和底面開有t型槽，t型槽與轉接板6通過螺栓螺母配合連接；迴轉分度盤1上的齒輪與迴轉分度盤底座7上的齒輪嚙合；迴轉分度盤底座7頂面設有扳手，扳手向前扳動，帶動迴轉分度盤1向前運動，使迴轉分度盤1上的齒輪與迴轉分度盤底座7上的齒輪嚙合，可以手動轉動所需角度，扳手向回扳動，使迴轉分度盤1與迴轉分度盤底座7上的齒輪脫離嚙合，並卡死以固定；

迴轉分度盤1的最小迴轉角度為1°，迴轉精度為10``，迴轉分度盤1檯面上開有t型槽和中心孔；迴轉分度盤1一側通過中心孔與傳感器夾具10的心軸定位，通過t型槽和螺栓螺母2配合固定，另一側通過齒輪與迴轉分度盤底座7上的齒輪嚙合；

測量部分包括傳感器夾具10、傳感器保持架9和接觸式傳感器8；傳感器夾具10為圓盤結構，在傳感器夾具10上共布置有4組傳感器插孔，其中兩組為單排傳感器插孔，數量為3個，另兩組為雙排傳感器插孔，每排3個，共6個；每排傳感器插孔的中心插孔位置設為0°、90°、180°和270°，中心傳感器插孔兩側的傳感器插孔與中心的夾角為10°；每排中所有傳感器插孔與圓心的距離相等，排與排之間不相等，傳感器插孔與傳感器夾具10的圓心距離為100mm～300mm；單排傳感器插孔用來測量法蘭面上孔中心線上的形狀誤差，雙排傳感器插孔用來測量孔徑向兩側的形狀誤差；每個傳感器插孔內安裝一個傳感器保持架9用來固定接觸式傳感器8；接觸式傳感器8測量的數據通過rs232總線傳輸到上位機，在上位機內編寫labview程序進行數據讀取和分析。

由於要實現在位測量，即工件不動，測量儀器轉動，此時測量儀器與圓環面的同軸度對測量值的影響很大，該設備可以實現對同軸度的調平，使得在位測量圓環平面度可靠性大幅提高。

本發明的有益效果：本發明實現了三點法在測量圓環面平面形狀誤差上的應用，同時實現了對三點法能夠實現在位測量圓環面平面形狀誤差的算法改進，能夠實現對圓環面平面形狀誤差的在位測量，可以大大減小零件加工工期，減小多次裝夾對於零件精度的影響。

附圖說明

圖1是本發明的結構示意圖。

圖2是傳感器調平示意圖。

圖3是測量誤差示意圖。

圖中：1迴轉分度盤；2螺栓螺母；3t型螺栓螺母；4調姿臺電機；5調姿臺；6轉接板；7迴轉分度盤底座；8接觸式傳感器；9傳感器保持架；10傳感器夾具；11扳手。

具體實施方式

以下結合附圖和技術方案，進一步說明本發明的具體實施方式。

實施例

一種在位測量圓環形平面形狀誤差的方法，步驟如下：

步驟a：傳感器夾具10上至少安裝五個接觸式傳感器8，其中，三個接觸式傳感器8v1、v2和v3是測量用傳感器，可安裝於任一組中的任一排插孔中，但必須安裝在同一排；第四個接觸式傳感器8v4安裝於與v2夾角為90°的插孔中，且位於中心插孔；第五個接觸式傳感器8v5安裝於與v2夾角為90°的插孔中，且位於中心插孔，其與v4對稱；其中v1、v2所夾圓心角為α1，v2、v3所夾圓心角為α2，其中；α1＝α2＝α，且n為待測件上的測量點數量；

步驟b：設待測件與傳感器夾具10盤面的軸的傾角為θ，每次測量時的轉角為α，設v1，v2，v3三個接觸式傳感器8在y軸方向與待測件的距離分別為d1，d2，d3，由於安裝誤差很難完全調平，因此有不平度誤差δ1＝d2-d1，δ2＝d3-d1，則對於第k個測量點，有：

δ′1＝δ1+rθ{cos(kα)-cos[(k+1)α]}(1)

δ′2＝δ2+rθ{cos(kα)-cos[(k+2)α]}(2)

上式表明：工件在在位測量時，調零誤差δ′1和δ′2並非定值，而是轉角α的函數，但我們可以通過調平過程使δ1＞＞rθ，因而可近似認為δ′1＝δ1，δ′2＝δ2；

對v2，v4，v5三個接觸式傳感器8測頭進行調平處理，調平由調姿臺5實現，調姿臺5具有兩個自由度，可以通過調姿臺電機4調節x軸方向與z軸方向的旋轉；首先調節z軸方向的旋轉，使得v4和v5兩傳感器的讀數相同，再調節x軸方向的旋轉，使得v2的讀數與v4和v5的讀數相同；

步驟c：在調平操作後，v2，v4，v5確定一個基面；v1，v3兩個接觸式傳感器8與此基面在y軸方向上會有一定的傳感器安裝誤差，可以通過反覆調整傳感器夾具10以儘量減小差值，安裝誤差δ1、δ2很難完全調平，調平只能使δ1、δ2儘可能減小；

步驟d：完成步驟b和步驟c後，讀取v1，v2，v3數值並記錄第一組讀數；然後向前扳動扳手11使迴轉分度盤1可以旋轉，之後順時針或逆時針轉動迴轉分度盤1，轉角為α，向後扳動扳手11使迴轉分度盤1固定，記錄第二組讀數，以此類推，讀取n組讀數；

設s(k)為待測件第k次測量點平面度誤差在y軸方向上的分量，r(k)為傳感器夾具10第k次測量點在y軸上的分量，tanγ(k)是傳感器夾具平面誤差導致的夾角。v1(k)、v2(k)、v3(k)分別是傳感器v1、v2、v3的同組測量值，δl為兩相鄰測量點間的間隔，則有：

v1(k)＝s(k)+r(k)(3)

v2(k)＝s(k+1)+r(k)+δltanγ(k)(4)

v3(k)＝s(k+2)+r(k)+2δltanγ(k)(5)

令r(1)＝0，則有s(1)＝v1(1)，s(2)＝v2(1)，從而求得遞推公式：

s(k+2)＝v1(k)-2v2(k)+v3(k)-s(k)+2s(k+1)(6)

當考慮安轉造成的不平度誤差時有：

v1(k)＝s(k)+r(k)(7)

v2(k)＝s(k+δl)+r(k)+δltanγ(k)+δ1(8)

v3(k)＝s(k+2δl)+r(k)+2δltanγ(k)+δ2(9)

利用歸納法從而可得s(k+2)的誤差項為：

步驟e：讀取n組讀數之後繼續轉動迴轉分度盤1，讀取第n+1組與第n+2組數據，用以消除初值誤差。由於被測面是圓環，又有故第n+1點和第1點重合，第n+2點和第2點重合，令

a＝s(n+2)-s(2)，b＝s(n+1)-s(1)，(11)

可解出δ1和δ2的值分別為：

解出，δ1和δ2代入式(6)中，可得到s(k+2)的誤差項的值δs(k+2)，則誤差分離公式為