一种飞机桨叶力矩自动测量系统的制作方法

本发明涉及直升机螺旋桨叶测试与配平技术，特别是一种飞机桨叶力矩自动测量系统。

背景技术：

直升机螺旋桨的平衡问题直接关系到飞机的轴系振动、机体的振动以及飞行安全。因此在螺旋桨制造过程中如何解决螺旋桨的平衡问题就显得尤其重要。螺旋桨必须经过平衡测量，才能装配到飞机上，保证直升机的飞行稳定性和飞行安全。

标准的直升机螺旋桨叶由桨毂和桨叶组成，在精加工完成并装配后可以对其进行整体平衡测量。但是螺旋桨的桨毂和桨叶是分别浇铸和加工的，因此需分别对桨毂和桨叶先进行静平衡测量。由于桨叶不在螺旋桨桨轴中心线上，且外形不规则。要控制安装在同一桨毂上的不同桨叶力矩的差值在设计的最大允许的范围内，同时达到桨叶的互换性，必须对桨叶进行准确的静平衡测量，可以认为桨叶力矩平衡是螺旋桨平衡的基本条件，其平衡测量方法和最大允许不平衡度直接关系到整个螺旋桨的平衡。因此，需要对桨叶力矩开展高效高精度测量方法，以保障桨叶静平衡装调的可靠实施。

如图12所示，桨叶的平衡力矩是螺旋桨总重量与螺旋桨质心对螺旋桨旋转中心的距离(偏心距)之积。桨叶力矩由桨叶大轴线力矩(桨叶大矩)和桨叶小轴线力矩(桨叶小矩)组成，其中桨叶大矩是桨叶的重量与桨叶质心在桨叶安装轴线方向上与旋转中心的距离之积，桨叶小矩是桨叶的重量与桨叶质心对桨叶安装轴线的距离之积。图12中g为桨叶的质心，mog为桨叶的力矩，mox为桨叶大矩，moy为桨叶小矩。桨叶的不平衡度值桨叶与标准桨叶平衡力矩的偏离情况，通常需保证桨叶的平衡力矩与标准桨叶的偏离大小必须小于最大允许不平衡度m。

mog＝geog

螺旋桨桨叶的静平衡测量就是对单个桨叶的质量、桨叶大矩、桨叶小矩的测量。对桨叶静平衡测量通常有两种测试原理：(1)绝对法测量原理，直接测量被测桨叶的平衡测量方法；(2)比较法测量原理，采用被测桨叶与标准桨叶进行比较的平衡测量方法。通常采用绝对法测量确定标准桨叶的数值，然后通过比较法完成桨叶的力矩平衡测量。

桨叶力矩平衡测量根据所选用的手段不同，可以分为天平力矩平衡测量法和传感器力矩平衡测量法2种方法。目前国内外仍大量采用天平力矩平衡测量法，通过砝码来测量桨叶的数值，利用天平平衡原理，通过悬挂标准砝码和移动砝码的位置实现桨叶力矩的测量，该方法存在测试精度低，测试效率低，人员操作因素影响大，测试重复性难以保证；随着测试技术的发展，出现了传感器力矩平衡测量法，利用测力传感器直接测量桨叶的力矩数据，但目前桨叶力矩传感器测试方法仍存在测试精度低，采用单次测量随机性大，重复性差。

因此，在目前的桨叶力矩测试与配平领域中，存在着测试精度低、重复性差、测试效率低、人员操作对桨叶力矩测试的影响大的问题，难以高效高精度实现桨叶力矩的测量与装调。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种飞机桨叶力矩自动测量系统，可以实现桨叶大矩、小矩的高效高精度测量。

实现本发明目的的技术方案为：一种飞机桨叶力矩自动测量系统，包括测试架、旋转装置、力矩测量装置；测试架包括测试框架、测试架底板和用于固定待测桨叶的芯轴，测试框架固定于测试架底板上底面，芯轴固定于测试架底板上且沿水平与地面的旋转轴转动；旋转装置包括旋转托架、旋转轴承、旋转驱动装置，旋转托架与测试架底板浮动连接，旋转轴承的内圈与旋转托架固定连接，旋转驱动装置垂直于地面的旋转轴驱动旋转托架旋转；力矩测试装置包括与旋转轴承的外圈固定连接的平衡测试板、传感器，传感器包括于同一水平面且前后设置的前传感器和后传感器，平衡测试板下底面与传感器接触。

采用上述系统，测试架还包括测试框架、旋转装置连接座、仿形工装、工装安装板、工装安装板、锁紧圆螺母、定位销、固定套筒、锁紧定位销、分度盘；测试框架固定于测试架底板上底面，旋转装置连接座设置于测试架底板下底面，旋转托架上设置与旋转装置连接座相配合的测试架连接支脚，固定套筒固定于测试框架上端面上，工装安装板一端固定于芯轴上且与测试架底板平行，仿形工装设置于工装安装板上端面另一端，分度盘设置于固定套筒后侧壁上，芯轴穿过固定套筒和分度盘的通孔，锁紧圆螺母套于芯轴上，定位销设置于芯轴内定位销孔内，锁紧定位销穿过固定套筒与芯轴配合。

采用上述系统，力矩测量装置包括平衡测试架、力矩测试装置、安全保护装置、弹性支撑装置、系统平衡装置；平衡测试架包括平衡测试板、前回转刀口、前回转刀口座、后回转刀口、后回转刀口座；其中前回转刀口座和后回转刀口座前后的设置于平台上，前回转刀口上端固定于平衡测试板下端面且下端与前回转刀口座凹槽接触，后回转刀口上端固定于平衡测试板下端面且下端与后回转刀口座凹槽接触；力矩测试装置包括传感器支脚、传感器上垫块、前传感器、后传感器、传感器垫板，传感器支脚固定于平衡测试板下底面，传感器上垫块固定于传感器支脚下端，前传感器、后传感器通过传感器连接板设置于传感器垫板上，传感器垫板可在平台上前后移动；安全保护装置包括可调支撑座、顶升螺杆、手轮、可调支撑块，可调支撑座固定于平台上端面近力矩测试装置处，可调支撑块固定且与可调支撑座之间设置间隙，手轮设置于间隙内，顶升螺杆穿过可调支撑座、手轮和可调支撑块，顶升螺杆通过含油轴承与可调支撑块连接，顶升螺杆与手轮螺纹连接；弹性支撑装置包括支撑座、弹簧阻尼隔振器，支撑座固定于平台上端面远离力矩测试装置处，弹簧阻尼隔振器下端固定于支撑座上且上端位于平衡测试板下方。

采用上述系统，力矩测量装置还包括系统平衡装置，系统平衡装置包括步进电机、安装箱体、丝杆、轴承座、配重块、固定座；安装箱体固定于平衡测试板下端面近弹性支撑装置处，步进电机设置于安装箱体外部，丝杆设置于安装箱体内，丝杆一端与步进电机伸入安装箱体的旋转输出轴连接且另一端与固定于安装箱体内的固定做通过轴承连接，配重块与丝杆螺纹连接。

采用上述系统，还包括升降保护装置，升降保护装置包括左升降台、右升降台，左升降台和右升降台均包括导杆、涡轮升降机、直线轴承；涡轮升降机设置于平台的升降机通孔内，直线轴承固定于平台下底面，导杆穿过涡轮升降机与直线轴承连接；左升降台和右升降台中的导杆最上端总是齐平且导杆位于测试架的下方。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：(1)测试精度高，测试过程中通过调整桨叶处于若干个工作位，将传统桨叶力矩的单次随机测量转变为多次动态定点测量，通过差值计算得到待测桨叶的质偏量，降低系统测试误差，大幅度提高桨叶力矩测试精度，同时通过理论计算实现桨叶平衡力矩的高精度配平；(2)重复性好，系统采用伺服电机控制实现桨叶四个测试工位的调整，实现桨叶测试位置的高精度定位，避免人员操作引起的误差，测试系统工位一致性好，能够有效保证系统测试的重复性；(3)自动化程度高，采用系统控制实现桨叶力矩的测试，通过系统控制实现测试架的升降、伺服电机的运动和系统平衡，测试过程中减少人员参与，提高了系统的自动化水平，提高了桨叶力矩测试效率。

下面结合说明书附图对本发明作进一步描述。

附图说明

图1是本发明飞机桨叶力矩自动测量系统的结构示意图。

图2是图1的左视图。

图3是图1的附视图。

图4是待测桨叶与桨叶力矩自动测量系统的总体装配结构示意图。

图5是安装定位机构结构示意图。

图6是平衡测试架31结构示意图。

图7是图1中安全保护装置详图。

图8是图1中系统平衡装置详图。

图9是本发明飞机桨叶力矩测试原理图。

图10是本发明飞机桨叶高度方向质心测试示意图。

图11是本发明飞机桨叶力矩测试计算原理示意图。

图12是桨叶的平衡力矩计算示意图。

具体实施方式

结合图1、图2、图3、图4，一种飞机桨叶力矩自动测量系统，包括测试架1、旋转装置2、力矩测量装置3、升降保护装置4和测试平台5。所述测试架1用于安装固定待测桨叶；旋转装置2用于实现待测桨叶力矩的自动旋转，实现桨叶测试工位的调整；力矩测量装置3用于实现桨叶平衡力矩的测量，同时可实现测试系统的自动平衡；升降保护装置4用于实现测试架1的安全升降，避免安装待测桨叶时的直接冲击对测试传感器造成损伤；测试平台5用于承载测试架1、旋转装置2、力矩测量装置3、升降保护装置4和待测桨叶，是整体测量装调装置的安装支撑平台。

结合图1、2、5，测试架1包括测试架框架11、升降保护装置连接座12、测试架底板13、旋转装置连接座14、仿形工装15、工装安装板16、安装定位机构17；所述安装定位机构17包括锁紧圆螺母171、定位销172、芯轴173、固定套筒174、锁紧定位销175、分度盘176。测试框架11固定于测试架底板13上底面。升降保护装置连接座12设置两个且分别固定于图1中测试架框架11下端面的左右两端。旋转装置连接座14设置于测试架底板13下底面。旋转托架21上设置与旋转装置连接座14相配合的测试架连接支脚22。固定套筒174下端面固定于测试框架11上端面上，固定套筒174设置高于测试框架11的凸起，该凸起从沿图1的左右方向的轴设置通孔。工装安装板16一端固定于固定套筒174的左侧壁上且与测试架底板13平行。仿形工装15与待测桨叶外形相同，用于承载桨叶，仿形工装15设置于工装安装板16上端面另一端。分度盘176设置于固定套筒174后侧壁上。芯轴173穿过固定套筒174和分度盘176的通孔，锁紧圆螺母171套于芯轴173上，定位销172设置于芯轴173内定位销孔内，芯轴173沿周向均匀分布四个锁紧定位销孔，锁紧定位销175穿过固定套筒174与芯轴173配合，当芯轴173旋转到某一工作位上时，锁紧定位销175插入锁紧定位销孔并锁紧芯轴173。

所述测试架框架11是待测桨叶的安装支架，升降保护装置连接座12置于测试架框架下方，用于实现和升降保护装置4的连接，测试架底板13置于测试架框架11下方，与测试架框架11固定连接，旋转装置连接座14置于测试架底板12之下，用于实现和旋转装置2的连接，工装安装板16与安装定位机构17固定，仿形工装15安装在工装安装板16上，用于实现桨叶支撑，安装定位机构17通过安装孔安装在测试架框架11之上，可以绕安装孔轴线相对于测试架框架11回转，锁紧圆螺母171套在芯轴173之上，产品安装时与待测桨叶通过螺纹联结实现待测桨叶的安装固定，定位销172置于芯轴173之中，用于实现待测桨叶安装姿态的定位，芯轴173为待测桨叶的安装定位轴，芯轴173的端面为待测桨叶的定位基准面，通过轴线和端面实现待测桨叶的安装定位，固定套筒174用于实现安装定位机构17与测试架框架11的连接，锁紧销175用于锁定安装定位机构17，分度盘176用于实现安装定位机构相对于测试架框架11的回转角度的确定，防止桨叶在特定测试工位下绕安装孔相对于测试架框架11旋转。

结合图1、2，旋转装置2包括旋转托架21、旋转轴承23、旋转驱动装置24。旋转托架21与测试架底板13浮动连接，旋转轴承23的内圈与旋转托架21固定连接，旋转驱动装置24垂直于地面的旋转轴与旋转托架21固定连接。测试架连接支脚22置于旋转托架21之上，用于和测试架的连接，旋转轴承23置于旋转托架之下，其轴承内圈与旋转托架21固定，其轴承外圈与力矩测量装置装置3固定连接，旋转驱动装置24置于旋转托架下方，旋转驱动装置驱动旋转托架绕旋转轴承23的轴线旋转，实现待测桨叶测试工位的调整，为旋转装置2的旋转提供驱动动力。

结合图1、2、6、7、8，所述力矩测量装置3包括平衡测试架31、力矩测试装置32、安全保护装置33、弹性支撑装置34、系统平衡装置35。平衡测试架31上方与旋转装置2中的旋转轴承外圈固定连接，承载其上方所有零部件的重量和载荷，力矩测试装置32置于平衡测试架31的下方，用于实现桨叶力矩的测量，安全保护装置33和弹性支撑装置34对称分布在平衡测试架31下方，安全保护装置33用于防止测试架1与旋转装置2接触过程中的过大载荷损坏测试传感器，弹性支撑装置34用于稳定平衡测试架31，防止平衡测试架31倾覆，系统平衡装置35固定在平衡测试架31之上，通过调整其配重块位置实现系统质量的平衡。

平衡测试架31包括平衡测试板311、前回转刀口312、前回转刀口座313、后回转刀口314、后回转刀口座315。前回转刀口座313和后回转刀口座315前后的设置于平台51上，前回转刀口312上端固定于平衡测试板311下端面且下端与前回转刀口座313凹槽接触，后回转刀口314上端固定于平衡测试板311下端面且下端与后回转刀口座315凹槽接触。平衡测试板311在前回转刀口312、前回转刀口座313、后回转刀口314、后回转刀口座315的作用下可以相对于前后刀口接触位置的连线转动。

力矩测试装置32包括传感器支脚321、传感器上垫块322、前传感器323、前传感器连接板324、后传感器325、后传感器连接板326、传感器垫板327、左导轨及滑块328、右导轨及滑块329。传感器支脚321固定于平衡测试板311下底面，传感器上垫块322固定于传感器支脚321下端，前传感器323、后传感器324通过传感器连接板设置于图1中传感器垫板327上的前后两端，传感器垫板327可在平台51上前后移动，传感器垫板327下方与左导轨及滑块328、右导轨及滑块329固定连接。传感器支脚321将来自于平衡测试架31及其上方的载荷通过传感器上垫板322作用在平行布置的前传感器323、后传感器325上，前传感器323、后传感器325通过测量测量作用在其上方的载荷，实现对待测桨叶力矩的测量。传感器垫板327可以沿导轨前后滑动，用于实现传感器位置的调整及传感器的保护，避免测试系统安装过程中过大载荷作用在传感器上而导致传感器的损坏。

安全保护装置33包括可调支撑座331、顶升螺杆332、手轮333、可调支撑块335。可调支撑座331固定于平台51上端面近力矩测试装置32处，可调支撑块335固定且与可调支撑座331之间设置间隙，手轮333设置于间隙内，顶升螺杆332穿过可调支撑座331、手轮333和可调支撑块335，顶升螺杆332通过含油轴承334与可调支撑块335连接，顶升螺杆332与手轮螺纹连接。通过旋转手轮333可以实现顶升螺杆332的升降运动，当顶升螺杆332处于上升状态时顶起平衡测试架，使传感器支脚321与传感器脱离。

弹性支撑装置34包括支撑座341、弹簧阻尼隔振器342。支撑座341固定于平台51上端面远离力矩测试装置32处，弹簧阻尼隔振器342下端固定于支撑座341上且上端位于平衡测试板311下方。当安全保护装置33处于上工位状态下，安全保护装置33的顶升螺杆332与平衡测试架31接触，平衡测试架31绕其刀口轴线旋转，平衡测试架刀口的另一侧与弹性支撑装置34接触，压缩弹簧阻尼隔振器342，支撑座341置于弹簧阻尼隔振器下方，实现对弹簧阻尼隔振器的支撑。

系统平衡装置35，系统平衡装置35包括步进电机351、安装箱体353、丝杆354、轴承座355、配重块356、固定座357。安装箱体353固定于平衡测试板311下端面近弹性支撑装置34处，步进电机351设置于安装箱体353外部，丝杆354设置于安装箱体353内，丝杆354一端与步进电机351伸入安装箱体353的旋转输出轴连接且另一端与固定于安装箱体353内的固定做357通过轴承连接，配重块356与丝杆354螺纹连接。通过步进电机351和步进电机减速器352驱动，可实现丝杠354绕其轴线的旋转，配重块356与丝杠354t型螺纹连接，可以沿丝354杠轴线方向运动，进而平衡系统。

结合图1，所述升降保护装置4包括左升降台41、联动轴42、升降步进电机43、涡轮减速机44、右升降台45，左升降台41和右升降台45左右对称布置，可以上下运动，实现测试系统工位的转换，联动轴用于实现左升降台41和右升降台45联动，保证左右升降台运动速度和运动位置一致，升降步进电机43和涡轮减速机44驱动联动轴的旋转。所述左升降台41包括左导杆411、左涡轮蜗杆升降机412、左升降机安装板413、左连接板414，左直线轴承415，左升降机安装板413安装在测试平台5下方，左涡轮升降机412固定在左升降机安装板413下方，左连接板414置于涡轮升降机412下方，左直线轴承415与测试平台5固连，左导杆411在左涡轮蜗杆升降机412和左直线轴承415的作用下可以上下运动，实现测试系统工位的转换。所述右升降台45包括右导杆451、右涡轮蜗杆升降机452、右升降机安装板453、右连接板454、右直线轴承455，连接方式与左升降台41相同。升降步进电机43固定于平台51上，涡轮减速机44与升降步进电机43的输出轴连接，联动轴42输入端与涡轮减速机44连接且两个输出端分别与两根导杆螺纹连接。

结合图1，所述测试平台5包括平台51、机架52、调水平地脚53，平台51置于机架52上方，调水平地脚53置于机架52下方。

所述测试架1下方与旋转装置2和升降保护装置4浮动连接，当升降保护装置3处于上工位时，测试架1与旋转装置2脱离，测试架1与升降保护装置4接触，测试架1通过升降保护装置4支撑。当升降保护装置4处于下工位时，测试架1与升降保护装置4脱离，测试架1与旋转装置2接触，测试架1通过旋转装置2支撑，实现对待测桨叶力矩的测量。旋转装置2置于力矩测量装置3之上，旋转装置2可相对于力矩测量装置旋转，实现待测桨叶测试工位的调整，力矩测量装置3置于测试平台4之上，升降保护装置4安装固定在测试平台上。

本系统的测试方法包括准备工作、调整安装工作、测试工作和收尾工作。

(1)准备工作：

步骤1.1，调整旋转装置使旋转托架与测试架对正，保证测试架与旋转装置可以可靠接触；

步骤1.2，将桨叶的仿形工装安装到位，调整系统平衡装置，保证系统空载状态下4个测试工位位置传感器的测量值基本一致，并测试记录空载状态下4个测试工位位置传感器的测量值；

步骤1.3，将升降保护装置调整到上工位，使测试架与升降保护装置接触。

(2)调整安装工作：

步骤2.1，调整好芯轴的安装角度，使芯轴的刻度线与分度盘的0度刻度线对准，并通过锁紧销将芯轴锁紧固定；

步骤2.2，将桨叶的安装接口与安装定位机构的芯轴连接，并通过定位销确定桨叶的安装姿态；

步骤2.3，通过螺纹联结将锁紧螺母与桨叶相对固定；

步骤2.4，将升降保护装置调整到下工位，测试架与升降保护装置脱离，测试架与旋转装置接触.

(3)测试工作：

步骤3.1，缓慢调整安全保护装置，使安全保护装置的顶升螺杆和弹性支撑装置的弹簧阻尼隔振器与平衡测试架脱离，使传感器支脚与传感器上连接板接触，系统进入测试状态；

步骤3.2，桨叶大矩、小距的测量：通过旋转驱动装置实现旋转托架的相对于平衡测试架的旋转，得到桨叶在4个方位状态下作用在传感器上的作用力大小，通过数据采集、差值计算，得到桨叶绕螺旋桨转轴的大矩和小矩；相邻工作位与中心的连线间的夹角为90度；

步骤3.3，桨叶高度方向质心的测量：通过旋转驱动装置将旋转托架调整到第二工位，即将初始测试状态下的旋转托架绕其旋转轴转动90度，使桨叶的安装轴线与平衡测试架的前后刀口接触点的连线平行，通过旋转安装定位机构，将芯轴的刻度线分别与分度盘的90度、180度和270度对准，得到4个角度位置上传感器的测量值，通过数据采集、差值计算，得到桨叶高度方向质心参数。

(4)收尾工作：

步骤4.1，通过旋转驱动装置将旋转托架调整到初始位置，使测试架的升降保护装置连接座与升降保护装置对正，保证两者能称为一个整体；

步骤4.2，调整安全保护装置，使传感器支脚脱离传感器上连接板；

步骤4.3，取下被测桨叶，完成测试。

结合图9、10、11，本发明的测试原理详述如下：

(1)测试机理：通过将被测桨叶绕测试系统垂直方向的旋转轴转动，实现被测桨叶测试工位的调整，通过测量四个工位状态下传感器的测量值，通过差值计算，可以得到被测桨叶的质心相对于测试系统旋转轴的相对位置，由此计算得到桨叶大矩和小矩；同时将被测桨叶绕其水平方向轴线转动，通过调整四个角度位置，实现被测桨叶高度方向质心参数的测量。

(2)力矩计算方法：测试系统处于平衡稳定状态下，根据力矩平衡原理，可以得到作用在力矩测量装置上的力矩平衡方程，通过测量作用在传感器上载荷的变化情况，得到被测桨叶的质心相对于测试系统旋转轴的相对位移，由此得到大矩方向和小矩方向质心位置,结合测试基准到转轴的相对位置关系,可以得到被测桨叶的大矩、小矩。

(3)高度方向质心的计算：桨叶绕其安装轴线旋转时，任意一个角度位置下可以得到测试系统的力矩平衡方程，通过测量4个角度位置下传感器的测量值，通过差值计算可以实现桨叶高度方向的测量。

本发明将待测桨叶绕垂直方向轴线的旋转，通过多次定点测试实现了飞机桨叶大矩和小矩的精确测量，大幅度提高了现有飞机桨叶力矩的测试精度，对提升飞机桨叶的静平衡装调提供了可靠的技术手段；通过采用系统控制实现桨叶测试工位的全自动精确定位，避免人为对线的操作误差，在保证系统测试重复性的同时提高了测试效率，提高了测试系统的自动化水平；同时将待测桨叶绕水平方向轴线的旋转，通过多次特定角度的测量，实现飞机桨叶高度方向上质心的高精度测量；待测桨叶通过芯轴、圆螺母和定位销的安装定位方式，能够可靠保障待测桨叶的安装定位，通过仿形工装防止在重力作用下变形，同时有利于产品的安装支撑；采用系统平衡装置实现对系统皮重的配平，保证桨叶4个测试工位状态下作用在传感器上的载荷基本一致，有利于减小传感器的量程，提高系统的测试精度。

实测例

质量为10kg，长度为2m的z8系列尾桨叶，采用传统天平力矩测试方法与高精度飞机桨叶力矩测试系统进行技术对比：