一種用于測量大型環(huán)形機匣類零件的幾何變形的裝置的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明是一種用于測量機匣等大型環(huán)形零件的幾何變形的裝置，它利用非接觸式的測距傳感器實現(xiàn)變形量的精確測量，并通過運算獲得待測環(huán)形零件變形后的偏心位移和輪廓形狀參數(shù)。在航空發(fā)動機中，機匣通常設計成薄壁環(huán)形結構，在產(chǎn)生幾何變形后，其外形輪廓由圓形變?yōu)闄E圓形，并產(chǎn)生偏心位移，從而導致測距傳感器的輸出數(shù)值發(fā)生變化，通過采集各個傳感器的輸出數(shù)據(jù)并進行后期運算，就可以獲得待測機匣的變形情況。因此，該測量裝置可以用于地面試車過程中的發(fā)動機機匣類零件的幾何變形量的在線測量，從而提供一種用于發(fā)動機性能測試的技術方案和手段。本發(fā)明原理簡單、測量精度高、使用方便，可以進行在線測量，也可應用于多種大型薄壁環(huán)形零件的幾何變形量的在線檢測。
【專利說明】
一種用于測量大型環(huán)形機匣類零件的幾何變形的裝置
技術領域
[0001] 本發(fā)明涉及一種用于測量大型環(huán)形機匣類零件的幾何變形的裝置，屬于測量技術 領域。
【背景技術】
[0002] 在航空領域中，作為發(fā)動機中的主要承力部件，機匣通常設計成薄壁圓環(huán)形的結 構，主要由外部機匣、內(nèi)部機匣和若干個徑向承力支板連接而成。其中，外部機匣和內(nèi)部機 匣都是由圓柱形和圓錐形組合而成的薄壁筒形零件，承力支板則沿圓周方向?qū)ΨQ分布，其 兩端分別與外部機匣和內(nèi)部機匣固接，由此構成輪輻式框架結構。在發(fā)動機的運行過程中， 機匣不僅要承受氣體負載和質(zhì)量慣性力，還要承受由溫差引起的熱載荷，并受到軸承載荷 和傳動附件安裝彎矩的影響。因此，在發(fā)動機的工作過程中，機匣會存在諸多問題，其中以 外部機匣產(chǎn)生的徑向幾何變形最為突出，會導致其輪廓由圓形變?yōu)闄E圓形狀，失去穩(wěn)定，給 飛行帶來巨大的安全隱患。
[0003] 目前，針對發(fā)動機機匣等大型薄壁環(huán)形零件的幾何變形量，還沒有有效的檢測手 段，這主要是由于發(fā)動機的工作環(huán)境惡劣，使許多傳感器無法應用。因此，通過一定的測量 手段獲取機匣類零件的變形參數(shù)，從而為解決機匣類零件的變形問題提供源頭數(shù)據(jù)，已成 為航空發(fā)動機設計過程中迫在眉睫的任務。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明正是針對上述現(xiàn)有的技術狀況而設計并提供了一種用于測量大型環(huán)形機 匣類零件的幾何變形的裝置，其目的是通過采集每個安裝節(jié)處的變形量獲得發(fā)動機機匣產(chǎn) 生變形后的幾何形狀參數(shù)。
[0005] 本發(fā)明的目的是通過以下技術方案來實現(xiàn)的：
[0006] 該種用于測量大型環(huán)形機匣類零件的幾何變形的裝置，其特征在于:該裝置中，針 對發(fā)動機機匣（10)外壁上處于同一截面上的四個安裝節(jié)(5)，布置四臺非接觸式的光學測 距傳感器(6)，分別監(jiān)測每個安裝節(jié)(5)處的受力變形情況;光學測距傳感器(6)基于非接觸 測量原理，可以對處于其測量范圍內(nèi)的被測物體的位移進行非接觸式的精密測量;光學測 距傳感器(6)設置在安裝節(jié)(5)的外圍，對向分布的兩臺光學測距傳感器(6)的測量光束重 合，并位于所測對向分布的兩個安裝節(jié)(5)所確定的經(jīng)過發(fā)動機機匣（10)中心的直線上，通 過運算最終獲得機匣產(chǎn)生變形后的幾何參數(shù)。
[0007] 將兩臺光學測距傳感器(6)通過姿態(tài)調(diào)整機構（2)安裝在左側(cè)立柱(3)上，將另兩 臺光學測距傳感器(6)通過姿態(tài)調(diào)整機構(2)安裝在右側(cè)立柱(4)上;姿態(tài)調(diào)整機構(2)由三 維平移臺和一維旋轉(zhuǎn)臺組成，三維平移臺安裝在一維旋轉(zhuǎn)臺上，一維旋轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)軸與發(fā)動 機機匣（10)外壁上四個安裝節(jié)(5)所在的截面垂直，左側(cè)立柱（3)和右側(cè)立柱(4)分別通過 彎板(9)固定在底座(7)上，左側(cè)立柱(3)和右側(cè)立柱(4)之間的距離可根據(jù)待測發(fā)動機機匣 (10)的徑向尺寸進行調(diào)節(jié)，在測量發(fā)動機機匣（10)的幾何變形時，發(fā)動機機匣（10)位于左 側(cè)立柱(3)和右側(cè)立柱(4)之間，并處于由四臺光學測距傳感器(6)圍成的區(qū)域內(nèi)；底座（7) 的底部安裝有用于調(diào)節(jié)底座(7)水平的調(diào)整墊塊(8)。
[0008] 光學測距傳感器(6)固定在姿態(tài)調(diào)整機構（2)的三維平移臺上的安裝臺面（12)上， 姿態(tài)調(diào)整機構(2)的一維旋轉(zhuǎn)臺通過一個三角形支撐板(1)安裝在左側(cè)立柱(3)和右側(cè)立柱 上(4)，在三角形支撐板(1)上鉆有圓弧槽(13)，一維旋轉(zhuǎn)臺通過螺栓與圓弧槽(13)連接，以 調(diào)整一維旋轉(zhuǎn)臺的方位。
[0009] 姿態(tài)調(diào)整機構（2)的三維平移臺上配有三個調(diào)節(jié)手柄（11)，可以進行三個方向上 的位移手動調(diào)節(jié);姿態(tài)調(diào)整機構(2)的一維旋轉(zhuǎn)臺上配有一個調(diào)節(jié)手柄（11)，可以進行角度 手動調(diào)節(jié)。
【附圖說明】
[0010] 圖1為本發(fā)明的整體結構示意圖；
[0011] 圖2為本發(fā)明的姿態(tài)調(diào)整機構結構示意圖；
[0012] 圖3為本發(fā)明的三角形支撐板結構示意圖；
[0013]圖4為機匣產(chǎn)生變形前的計算原理示意圖；
[0014]圖5為機匣產(chǎn)生變形后的計算原理示意圖；
[0015]圖6為工控機中的軟件流程圖。
【具體實施方式】
[0016] 以下將結合附圖和實施例對本發(fā)明的技術方案作進一步詳述：
[0017] 參見附圖1~3所示，該種用于測量航空發(fā)動機機匣幾何變形的裝置中，在發(fā)動機 機匣10外壁上位于同一截面上的四個安裝節(jié)5處，分別布置一臺基于光學三角反射原理的 激光位移傳感器6,以監(jiān)測每個安裝節(jié)5處的受力變形情況，并將所測得的變形量通過數(shù)據(jù) 采集卡輸入到工控機中，由軟件進行數(shù)據(jù)處理，以獲得發(fā)動機機匣10產(chǎn)生變形后的幾何參 數(shù)，從而實現(xiàn)對發(fā)動機試車過程中的機匣變形情況的實時監(jiān)測;激光位移傳感器6安置在安 裝節(jié)5的外圍，對向分布的兩臺激光位移傳感器6的測量光束重合，并位于所測量的對向分 布的兩個安裝節(jié)5所確定的經(jīng)過發(fā)動機機匣10中心的直線上;將兩臺激光位移傳感器6分別 通過四自由度的姿態(tài)調(diào)整機構2安裝在左側(cè)立柱3上，另兩臺激光位移傳感器6分別通過四 自由度的姿態(tài)調(diào)整機構2安裝在右側(cè)立柱4上;姿態(tài)調(diào)整機構2由三維平移臺和一維旋轉(zhuǎn)臺 組成，三維平移臺上配有三個調(diào)節(jié)手柄11，可以進行三個方向上的位移手動調(diào)節(jié)，一維旋轉(zhuǎn) 臺上配有一個調(diào)節(jié)手柄11，可以進行角度手動調(diào)節(jié);三維平移臺安裝在一維旋轉(zhuǎn)臺上，一維 旋轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)軸與發(fā)動機機匣10外壁上四個安裝節(jié)5所在的截面垂直;左側(cè)立柱3和右側(cè)立柱 4可采用型材制作，并分別通過彎板9固定在花崗巖底座7上，左側(cè)立柱3和右側(cè)立柱4之間的 距離可根據(jù)待測發(fā)動機機匣10的徑向尺寸進行調(diào)節(jié)，以使被測發(fā)動機機匣10處于由四臺激 光位移傳感器6所圍成的區(qū)域內(nèi)；花崗巖底座7的底部安裝有四個調(diào)整墊塊8,調(diào)節(jié)四個調(diào)整 墊塊8的高度，使花崗巖底座7的上表面水平。
[0018] 激光位移傳感器6固定在姿態(tài)調(diào)整機構2的三維平移臺的安裝臺面12上，姿態(tài)調(diào)整 機構2的一維旋轉(zhuǎn)臺通過一個三角形支撐板1安裝在左側(cè)立柱3和右側(cè)立柱4上，在三角形支 撐板1上鉆有圓弧槽13,一維旋轉(zhuǎn)臺通過螺栓與圓弧槽13連接，以調(diào)整一維旋轉(zhuǎn)臺的方位。
[0019] 參見附圖4所示，在開始測量前，機匣10通過四個安裝節(jié)5安裝到發(fā)動機上，將本裝 置安裝于待測機匣10的外圍，通過姿態(tài)調(diào)整機構2使四臺激光位移傳感器6處于正確方位， 啟動四臺激光位移傳感器6，使工控機中的軟件系統(tǒng)能夠采集到四臺激光位移傳感器6的輸 出信號，發(fā)動機機匣1 〇在產(chǎn)生變形前為圓形，以發(fā)動機機匣10的圓心〇為坐標原點，以對向 分布的兩個安裝節(jié)5所確定的經(jīng)過發(fā)動機機匣10圓心的直線為X、Y軸，建立直角坐標系XOY， 可以獲得以下參數(shù)：
[0020] r:機匣產(chǎn)生變形前的圓周半徑；
[0021] (ΧΑ，0):機匣產(chǎn)生變形前A點的坐標，其中XA=r;
[0022] (0々）：機匣產(chǎn)生變形前8點的坐標，其中￥8 = 〇
[0023] (Xe，0):機匣產(chǎn)生變形前C點的坐標，其中Xc = -r;
[0024] (0，Yd):機匣產(chǎn)生變形前D點的坐標，其中Yd = -r;
[0025]參見附圖5所示，在測量過程中，發(fā)動機可處于試車狀態(tài)，發(fā)動機轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的慣性 力與氣動載荷通過四個安裝節(jié)5傳遞到發(fā)動機機匣10上，四臺激光位移傳感器6能夠?qū)崟r采 集到發(fā)動機機匣10所產(chǎn)生的變形量。假設發(fā)動機機匣10的幾何形狀對稱、材料分布均勻，因 而其受到四個安裝節(jié)5處的作用力后會發(fā)生幾何形狀的改變，由圓形變?yōu)闄E圓形，使四臺激 光位移傳感器6的輸出發(fā)生變化，可以獲得以下參數(shù)：
[0026] (Xa'，0):機匣產(chǎn)生變形后A'點的坐標，其中Χα'=Χα+ΔΧα;
[0027] (0，Yb'）：機匣產(chǎn)生變形后B'點的坐標，其中Yb' = Yb+ Δ Yb;
[0028] (Xc'，0):機匣產(chǎn)生變形后C'點的坐標，其中Xc'=Xc+AXc;
[0029] (0，Yd'）：機匣產(chǎn)生變形后D'點的坐標，其中Yd' =Yd+ Δ Yd;
[0030 ] Δ Xa :機匣產(chǎn)生變形后A處的光學測距傳感器的輸出變化量；
[0031 ] Δ YB:機匣產(chǎn)生變形后B處的光學測距傳感器的輸出變化量；
[0032 ] Δ Xc:機匣產(chǎn)生變形后C處的光學測距傳感器的輸出變化量；
[0033] Δ YD:機匣產(chǎn)生變形后D處的光學測距傳感器的輸出變化量；
[0034] 其中，A、B、C、D分別代表四臺光學測距傳感器的測量點；
[0035]通過上述參數(shù)，可以獲得發(fā)動機機匣10產(chǎn)生變形后的幾何形狀參數(shù)：
[0036] (Xo，Yo):橢圓中心0 '的在直角坐標系XOY中的坐標；
[0037] a:橢圓的長半軸；
[0038] b:橢圓的短半軸；
[0039] 參數(shù)(XoJo)和a、b的解算過程為：
[0040]發(fā)動機機匣10未產(chǎn)生幾何變形時，其輪廓為理想的圓形，圓心為0，半徑為r，在直 角坐標系XOY中，圓周方程為：
[0041 ] x2+Y2 = r2
[0042] 發(fā)動機機匣10產(chǎn)生幾何變形后，其外形輪廓變?yōu)闄E圓形，中心為0'，長半軸為a，短 半軸為b，中心0'的坐標為(Xo, Yo)，則橢圓周方程為：
[0043]
[0044] 將A'、B'、C'和D'的坐標代入橢圓周方程，經(jīng)過解算即可得到機匣產(chǎn)生幾何變形后 的偏心位移(Xo，Yo)和輪廓形狀參數(shù)a、b，如下所示：
[0045]
[0046]
[0047]
[0048]
[0049] 上述運算過程是通過工控機中的軟件完成的，附圖6所示為軟件的流程圖，該軟件 是在Microsoft Visual Studio 2010平臺上編寫而成的。
[0050] 通過獲得的發(fā)動機機匣10的偏心位移(Χ〇，Υ〇)和輪廓形狀參數(shù)a、b，可以直觀地得 到發(fā)動機機匣10在工作過程中幾何形狀的變化，從而為發(fā)動機機匣10的結構改進與優(yōu)化設 計提供一項測量測試技術支持。
【主權項】
1. 一種用于測量大型環(huán)形機匣類零件的幾何變形的裝置，其特征在于:該裝置中，針對 發(fā)動機機匣（10)外壁上處于同一截面上的四個安裝節(jié)(5)，布置四臺非接觸式的光學測距 傳感器(6)，分別監(jiān)測每個安裝節(jié)(5)處的受力變形情況;光學測距傳感器(6)安置在安裝節(jié) (5)的外圍，對向分布的兩臺光學測距傳感器(6)的測量光束重合，并且位于所測對向分布 的兩個安裝節(jié)(5)所確定的經(jīng)過發(fā)動機機匣（10)中心的直線上;將兩臺光學測距傳感器(6) 通過姿態(tài)調(diào)整機構（2)安裝在左側(cè)立柱（3)上，將另兩臺光學測距傳感器(6)通過姿態(tài)調(diào)整 機構（2)安裝在右側(cè)立柱(4)上;姿態(tài)調(diào)整機構（2)由三維平移臺和一維旋轉(zhuǎn)臺組成，三維平 移臺安裝在一維旋轉(zhuǎn)臺上，一維旋轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)軸與發(fā)動機機匣（10)外壁上的四個安裝節(jié)(5) 所在的截面垂直;左側(cè)立柱（3)和右側(cè)立柱(4)分別通過彎板(9)固定在底座（7)上，并且左 側(cè)立柱(3)和右側(cè)立柱(4)之間的距離可根據(jù)待測發(fā)動機機匣（10)的徑向尺寸進行調(diào)節(jié)，底 座(7)的底部安裝有用于調(diào)節(jié)底座(7)水平的調(diào)整墊塊(8)。2. 根據(jù)權利要求1所述的用于測量大型環(huán)形機匣類零件的幾何變形的裝置，其特征在 于:光學測距傳感器(6)固定在姿態(tài)調(diào)整機構（2)的三維平移臺上的安裝臺面（12)上;姿態(tài) 調(diào)整機構（2)的一維旋轉(zhuǎn)臺通過一個三角形支撐板（1)安裝在左側(cè)立柱（3)和右側(cè)立柱上 (4);在三角形支撐板(1)上鉆有圓弧槽(13)，一維旋轉(zhuǎn)臺通過螺栓與圓弧槽（13)連接，以調(diào) 整一維旋轉(zhuǎn)臺的方位。3. 根據(jù)權利要求1所述的用于測量大型環(huán)形機匣類零件的幾何變形的裝置，其特征在 于:姿態(tài)調(diào)整機構（2)的三維平移臺上配有三個調(diào)節(jié)手柄（11)，可以進行三個方向上的位移 手動調(diào)節(jié);姿態(tài)調(diào)整機構(2)的一維旋轉(zhuǎn)臺上配有一個調(diào)節(jié)手柄（11)，可以進行角度的手動 調(diào)節(jié)。
【文檔編號】G01B11/16GK105841627SQ201610305954
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年5月10日
【發(fā)明人】畢超, 鄭會龍, 趙世遷, 郭霞
【申請人】中國航空工業(yè)集團公司北京航空精密機械研究所