一种用于测量大型环形机匣类零件的几何变形的装置的制造方法
【专利摘要】本发明是一种用于测量机匣等大型环形零件的几何变形的装置，它利用非接触式的测距传感器实现变形量的精确测量，并通过运算获得待测环形零件变形后的偏心位移和轮廓形状参数。在航空发动机中，机匣通常设计成薄壁环形结构，在产生几何变形后，其外形轮廓由圆形变为椭圆形，并产生偏心位移，从而导致测距传感器的输出数值发生变化，通过采集各个传感器的输出数据并进行后期运算，就可以获得待测机匣的变形情况。因此，该测量装置可以用于地面试车过程中的发动机机匣类零件的几何变形量的在线测量，从而提供一种用于发动机性能测试的技术方案和手段。本发明原理简单、测量精度高、使用方便，可以进行在线测量，也可应用于多种大型薄壁环形零件的几何变形量的在线检测。
【专利说明】
一种用于测量大型环形机匣类零件的几何变形的装置
技术领域
[0001] 本发明涉及一种用于测量大型环形机匣类零件的几何变形的装置，属于测量技术 领域。
【背景技术】
[0002] 在航空领域中，作为发动机中的主要承力部件，机匣通常设计成薄壁圆环形的结 构，主要由外部机匣、内部机匣和若干个径向承力支板连接而成。其中，外部机匣和内部机 匣都是由圆柱形和圆锥形组合而成的薄壁筒形零件，承力支板则沿圆周方向对称分布，其 两端分别与外部机匣和内部机匣固接，由此构成轮辐式框架结构。在发动机的运行过程中， 机匣不仅要承受气体负载和质量惯性力，还要承受由温差引起的热载荷，并受到轴承载荷 和传动附件安装弯矩的影响。因此，在发动机的工作过程中，机匣会存在诸多问题，其中以 外部机匣产生的径向几何变形最为突出，会导致其轮廓由圆形变为椭圆形状，失去稳定，给 飞行带来巨大的安全隐患。
[0003] 目前，针对发动机机匣等大型薄壁环形零件的几何变形量，还没有有效的检测手 段，这主要是由于发动机的工作环境恶劣，使许多传感器无法应用。因此，通过一定的测量 手段获取机匣类零件的变形参数，从而为解决机匣类零件的变形问题提供源头数据，已成 为航空发动机设计过程中迫在眉睫的任务。
【发明内容】
[0004] 本发明正是针对上述现有的技术状况而设计并提供了一种用于测量大型环形机 匣类零件的几何变形的装置，其目的是通过采集每个安装节处的变形量获得发动机机匣产 生变形后的几何形状参数。
[0005] 本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
[0006] 该种用于测量大型环形机匣类零件的几何变形的装置，其特征在于:该装置中，针 对发动机机匣（10)外壁上处于同一截面上的四个安装节(5)，布置四台非接触式的光学测 距传感器(6)，分别监测每个安装节(5)处的受力变形情况;光学测距传感器(6)基于非接触 测量原理，可以对处于其测量范围内的被测物体的位移进行非接触式的精密测量;光学测 距传感器(6)设置在安装节(5)的外围，对向分布的两台光学测距传感器(6)的测量光束重 合，并位于所测对向分布的两个安装节(5)所确定的经过发动机机匣（10)中心的直线上，通 过运算最终获得机匣产生变形后的几何参数。
[0007] 将两台光学测距传感器(6)通过姿态调整机构（2)安装在左侧立柱(3)上，将另两 台光学测距传感器(6)通过姿态调整机构(2)安装在右侧立柱(4)上;姿态调整机构(2)由三 维平移台和一维旋转台组成，三维平移台安装在一维旋转台上，一维旋转台的转轴与发动 机机匣（10)外壁上四个安装节(5)所在的截面垂直，左侧立柱（3)和右侧立柱(4)分别通过 弯板(9)固定在底座(7)上，左侧立柱(3)和右侧立柱(4)之间的距离可根据待测发动机机匣 (10)的径向尺寸进行调节，在测量发动机机匣（10)的几何变形时，发动机机匣（10)位于左 侧立柱(3)和右侧立柱(4)之间，并处于由四台光学测距传感器(6)围成的区域内；底座（7) 的底部安装有用于调节底座(7)水平的调整垫块(8)。
[0008] 光学测距传感器(6)固定在姿态调整机构（2)的三维平移台上的安装台面（12)上， 姿态调整机构(2)的一维旋转台通过一个三角形支撑板(1)安装在左侧立柱(3)和右侧立柱 上(4)，在三角形支撑板(1)上钻有圆弧槽(13)，一维旋转台通过螺栓与圆弧槽(13)连接，以 调整一维旋转台的方位。
[0009] 姿态调整机构（2)的三维平移台上配有三个调节手柄（11)，可以进行三个方向上 的位移手动调节;姿态调整机构(2)的一维旋转台上配有一个调节手柄（11)，可以进行角度 手动调节。
【附图说明】
[0010] 图1为本发明的整体结构示意图；
[0011] 图2为本发明的姿态调整机构结构示意图；
[0012] 图3为本发明的三角形支撑板结构示意图；
[0013]图4为机匣产生变形前的计算原理示意图；
[0014]图5为机匣产生变形后的计算原理示意图；
[0015]图6为工控机中的软件流程图。
【具体实施方式】
[0016] 以下将结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步详述：
[0017] 参见附图1~3所示，该种用于测量航空发动机机匣几何变形的装置中，在发动机 机匣10外壁上位于同一截面上的四个安装节5处，分别布置一台基于光学三角反射原理的 激光位移传感器6,以监测每个安装节5处的受力变形情况，并将所测得的变形量通过数据 采集卡输入到工控机中，由软件进行数据处理，以获得发动机机匣10产生变形后的几何参 数，从而实现对发动机试车过程中的机匣变形情况的实时监测;激光位移传感器6安置在安 装节5的外围，对向分布的两台激光位移传感器6的测量光束重合，并位于所测量的对向分 布的两个安装节5所确定的经过发动机机匣10中心的直线上;将两台激光位移传感器6分别 通过四自由度的姿态调整机构2安装在左侧立柱3上，另两台激光位移传感器6分别通过四 自由度的姿态调整机构2安装在右侧立柱4上;姿态调整机构2由三维平移台和一维旋转台 组成，三维平移台上配有三个调节手柄11，可以进行三个方向上的位移手动调节，一维旋转 台上配有一个调节手柄11，可以进行角度手动调节;三维平移台安装在一维旋转台上，一维 旋转台的转轴与发动机机匣10外壁上四个安装节5所在的截面垂直;左侧立柱3和右侧立柱 4可采用型材制作，并分别通过弯板9固定在花岗岩底座7上，左侧立柱3和右侧立柱4之间的 距离可根据待测发动机机匣10的径向尺寸进行调节，以使被测发动机机匣10处于由四台激 光位移传感器6所围成的区域内；花岗岩底座7的底部安装有四个调整垫块8,调节四个调整 垫块8的高度，使花岗岩底座7的上表面水平。
[0018] 激光位移传感器6固定在姿态调整机构2的三维平移台的安装台面12上，姿态调整 机构2的一维旋转台通过一个三角形支撑板1安装在左侧立柱3和右侧立柱4上，在三角形支 撑板1上钻有圆弧槽13,一维旋转台通过螺栓与圆弧槽13连接，以调整一维旋转台的方位。
[0019] 参见附图4所示，在开始测量前，机匣10通过四个安装节5安装到发动机上，将本装 置安装于待测机匣10的外围，通过姿态调整机构2使四台激光位移传感器6处于正确方位， 启动四台激光位移传感器6，使工控机中的软件系统能够采集到四台激光位移传感器6的输 出信号，发动机机匣1 〇在产生变形前为圆形，以发动机机匣10的圆心〇为坐标原点，以对向 分布的两个安装节5所确定的经过发动机机匣10圆心的直线为X、Y轴，建立直角坐标系XOY， 可以获得以下参数：
[0020] r:机匣产生变形前的圆周半径；
[0021] (ΧΑ，0):机匣产生变形前A点的坐标，其中XA=r;
[0022] (0々）：机匣产生变形前8点的坐标，其中￥8 = 〇
[0023] (Xe，0):机匣产生变形前C点的坐标，其中Xc = -r;
[0024] (0，Yd):机匣产生变形前D点的坐标，其中Yd = -r;
[0025]参见附图5所示，在测量过程中，发动机可处于试车状态，发动机转子产生的惯性 力与气动载荷通过四个安装节5传递到发动机机匣10上，四台激光位移传感器6能够实时采 集到发动机机匣10所产生的变形量。假设发动机机匣10的几何形状对称、材料分布均匀，因 而其受到四个安装节5处的作用力后会发生几何形状的改变，由圆形变为椭圆形，使四台激 光位移传感器6的输出发生变化，可以获得以下参数：
[0026] (Xa'，0):机匣产生变形后A'点的坐标，其中Χα'=Χα+ΔΧα;
[0027] (0，Yb'）：机匣产生变形后B'点的坐标，其中Yb' = Yb+ Δ Yb;
[0028] (Xc'，0):机匣产生变形后C'点的坐标，其中Xc'=Xc+AXc;
[0029] (0，Yd'）：机匣产生变形后D'点的坐标，其中Yd' =Yd+ Δ Yd;
[0030 ] Δ Xa :机匣产生变形后A处的光学测距传感器的输出变化量；
[0031 ] Δ YB:机匣产生变形后B处的光学测距传感器的输出变化量；
[0032 ] Δ Xc:机匣产生变形后C处的光学测距传感器的输出变化量；
[0033] Δ YD:机匣产生变形后D处的光学测距传感器的输出变化量；
[0034] 其中，A、B、C、D分别代表四台光学测距传感器的测量点；
[0035]通过上述参数，可以获得发动机机匣10产生变形后的几何形状参数：
[0036] (Xo，Yo):椭圆中心0 '的在直角坐标系XOY中的坐标；
[0037] a:椭圆的长半轴；
[0038] b:椭圆的短半轴；
[0039] 参数(XoJo)和a、b的解算过程为：
[0040]发动机机匣10未产生几何变形时，其轮廓为理想的圆形，圆心为0，半径为r，在直 角坐标系XOY中，圆周方程为：
[0041 ] x2+Y2 = r2
[0042] 发动机机匣10产生几何变形后，其外形轮廓变为椭圆形，中心为0'，长半轴为a，短 半轴为b，中心0'的坐标为(Xo, Yo)，则椭圆周方程为：
[0043]
[0044] 将A'、B'、C'和D'的坐标代入椭圆周方程，经过解算即可得到机匣产生几何变形后 的偏心位移(Xo，Yo)和轮廓形状参数a、b，如下所示：
[0045]
[0046]
[0047]
[0048]
[0049] 上述运算过程是通过工控机中的软件完成的，附图6所示为软件的流程图，该软件 是在Microsoft Visual Studio 2010平台上编写而成的。
[0050] 通过获得的发动机机匣10的偏心位移(Χ〇，Υ〇)和轮廓形状参数a、b，可以直观地得 到发动机机匣10在工作过程中几何形状的变化，从而为发动机机匣10的结构改进与优化设 计提供一项测量测试技术支持。
【主权项】
1. 一种用于测量大型环形机匣类零件的几何变形的装置，其特征在于:该装置中，针对 发动机机匣（10)外壁上处于同一截面上的四个安装节(5)，布置四台非接触式的光学测距 传感器(6)，分别监测每个安装节(5)处的受力变形情况;光学测距传感器(6)安置在安装节 (5)的外围，对向分布的两台光学测距传感器(6)的测量光束重合，并且位于所测对向分布 的两个安装节(5)所确定的经过发动机机匣（10)中心的直线上;将两台光学测距传感器(6) 通过姿态调整机构（2)安装在左侧立柱（3)上，将另两台光学测距传感器(6)通过姿态调整 机构（2)安装在右侧立柱(4)上;姿态调整机构（2)由三维平移台和一维旋转台组成，三维平 移台安装在一维旋转台上，一维旋转台的转轴与发动机机匣（10)外壁上的四个安装节(5) 所在的截面垂直;左侧立柱（3)和右侧立柱(4)分别通过弯板(9)固定在底座（7)上，并且左 侧立柱(3)和右侧立柱(4)之间的距离可根据待测发动机机匣（10)的径向尺寸进行调节，底 座(7)的底部安装有用于调节底座(7)水平的调整垫块(8)。2. 根据权利要求1所述的用于测量大型环形机匣类零件的几何变形的装置，其特征在 于:光学测距传感器(6)固定在姿态调整机构（2)的三维平移台上的安装台面（12)上;姿态 调整机构（2)的一维旋转台通过一个三角形支撑板（1)安装在左侧立柱（3)和右侧立柱上 (4);在三角形支撑板(1)上钻有圆弧槽(13)，一维旋转台通过螺栓与圆弧槽（13)连接，以调 整一维旋转台的方位。3. 根据权利要求1所述的用于测量大型环形机匣类零件的几何变形的装置，其特征在 于:姿态调整机构（2)的三维平移台上配有三个调节手柄（11)，可以进行三个方向上的位移 手动调节;姿态调整机构(2)的一维旋转台上配有一个调节手柄（11)，可以进行角度的手动 调节。
【文档编号】G01B11/16GK105841627SQ201610305954
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年5月10日
【发明人】毕超, 郑会龙, 赵世迁, 郭霞
【申请人】中国航空工业集团公司北京航空精密机械研究所