燃油噴嘴螺旋槽的精密測量方法與系統(tǒng)設(shè)計

畢 超 鄂瑪蘭 郝 雪 劉 勇

(北京航空精密機械研究所精密制造技術(shù)航空科技重點實驗室，北京100076)

1 引言

航空工業(yè)作為“工業(yè)之花”，是國家的戰(zhàn)略性高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)，其發(fā)展水平直接關(guān)系到國民經(jīng)濟命脈與國防安全，并且已經(jīng)成為衡量一個國家的國際競爭力與科學(xué)技術(shù)發(fā)展水平的重要標(biāo)志[1]。近年來，隨著一系列新機理、新技術(shù)、新方法和新工藝的不斷涌現(xiàn)，我國的航空工業(yè)進入了全速發(fā)展的新時期，呈現(xiàn)出了蓬勃向上的整體態(tài)勢，正在向建立新型航空工業(yè)、趕超世界先進水平的道路邁進。

在航空領(lǐng)域中，發(fā)動機是飛機最為關(guān)鍵和最為復(fù)雜的部件，它的性能優(yōu)劣和安全性等級，直接關(guān)系到整架飛機的性能和安全性。在航空發(fā)動機的工作過程中，燃燒室是將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能的重要能量轉(zhuǎn)換裝置，從而保證飛機的各種飛行狀態(tài)。其中，燃油噴嘴是燃燒室中的核心零件之一，主要作用是將燃油霧化或氣化，以加速油氣混合氣的形成，然后向火焰筒內(nèi)噴射，從而確保燃燒室的正常與穩(wěn)定工作[2]。作為發(fā)動機燃油供給系統(tǒng)的典型核心組件，噴嘴類零件具有數(shù)量大、種類多、幾何尺寸小、結(jié)構(gòu)和形狀復(fù)雜以及制造精度要求高等特點[3]，并且其加工后的真實幾何技術(shù)狀態(tài)會對燃燒室內(nèi)的燃油霧化質(zhì)量和燃油濃度分布等產(chǎn)生很大影響，進而影響到發(fā)動機的推重比、耗油率和經(jīng)濟性等[4]。

因此，為了確保加工后的燃油噴嘴符合設(shè)計要求，從而為燃燒室提供高質(zhì)量的油氣混合氣，必須對此類零件的重要幾何元素和特征實施監(jiān)控。近年來，對于噴嘴類零件的幾何技術(shù)狀態(tài)的精密、高效檢測已經(jīng)引起了歐美等航空發(fā)達國家的高度關(guān)注。例如，美國的National Jet公司為了保證微小型孔的鉆削質(zhì)量，應(yīng)用Nikon視覺系統(tǒng)實現(xiàn)了對噴嘴微小孔的尺寸精度和表面粗糙度的快速精確檢測[5]；奧地利的Alicona公司研制出了自動變焦三維表面測量儀InfiniteFocus G5，是集微型三坐標(biāo)測量和表面形貌檢測于一體的3D光學(xué)測量系統(tǒng)，可以應(yīng)用于噴嘴類零件的形位參數(shù)的自動掃描與測量[6]。而在國內(nèi)的大多數(shù)航空發(fā)動機研制和生產(chǎn)單位，僅具備圓孔塞規(guī)、游標(biāo)卡尺和螺旋測微器等常規(guī)測量器具，無法高效、精確地獲取諸如噴嘴旋流器上的螺旋槽的槽深、螺旋角和槽寬等重要特征的尺寸信息。這就導(dǎo)致了國內(nèi)在應(yīng)對燃油噴嘴生產(chǎn)線上的零件尺寸檢驗與質(zhì)量控制時，只能通過定性判斷或修配測試來對噴嘴類零件進行篩選，而無法實現(xiàn)定量且一致的檢測。

為了實現(xiàn)航空發(fā)動機燃油噴嘴上的螺旋槽特征的精密與高效檢測，本文提出了其槽深、螺旋角和槽寬等幾何參數(shù)的測量與計算方法，并基于此搭建了非接觸式的燃油噴嘴螺旋槽精密測量系統(tǒng)，從而將光學(xué)掃描與四軸聯(lián)動相結(jié)合以應(yīng)對螺旋槽的檢測任務(wù)。測量系統(tǒng)采用模塊化的設(shè)計思想，其機械主體為立柱移動型三坐標(biāo)測量機的結(jié)構(gòu)形式；基座采用泰山青花崗石材料制成；運動模塊由三個直線運動軸和一個回轉(zhuǎn)運動軸構(gòu)成，能夠?qū)崿F(xiàn)各軸單獨運動和四軸聯(lián)動；傳感器模塊選用新型的錐光偏振全息激光測頭，測量精度高，并且可以實現(xiàn)掃描測量；電氣控制模塊采用上位機與下位機相結(jié)合的二級位置閉環(huán)數(shù)字復(fù)合控制方式。

2 測量與計算原理

在航空發(fā)動機中，燃油噴嘴是一類結(jié)構(gòu)緊湊、形狀復(fù)雜且精度要求高的零件，其典型的幾何特征有螺旋槽、小孔和內(nèi)錐面等[7]。其中，螺旋槽大多分布在燃油噴嘴的旋流器上，數(shù)目一般為3～6個，如圖1所示，多呈現(xiàn)為螺旋狀凹槽的形態(tài)特征，其作用是使燃油高速旋轉(zhuǎn)后噴出，從而產(chǎn)生高質(zhì)量的、旋轉(zhuǎn)著的圓錐狀油霧層[8，9]，進而與經(jīng)過壓氣機增壓后的空氣相撞、混合。因此，螺旋槽在航空發(fā)動機的供油環(huán)節(jié)中發(fā)揮著非常重要的節(jié)流作用，而且其加工質(zhì)量會對燃油噴嘴的流量與霧化錐角等產(chǎn)生很大影響，因而對其尺寸精度和形狀精度的要求很高。

根據(jù)燃油噴嘴旋流器的設(shè)計指標(biāo)，要求螺旋角α的單次測量極限誤差≤±0.5°。

從圖1中可以看出，旋流器為回轉(zhuǎn)體零件，在其周向均勻分布著多個螺旋槽。根據(jù)燃油噴嘴性能的對比試驗研究，對其供油特性產(chǎn)生很大影響的螺旋槽尺寸參數(shù)包括槽深、螺旋角和槽寬等[10]。因此，迫切需要實現(xiàn)對這些尺寸參數(shù)的快速、精確測量，以滿足批量噴嘴類零件的檢測需求。在這樣的背景下，本文在深入研究螺旋槽的幾何結(jié)構(gòu)特征的基礎(chǔ)上，并結(jié)合光學(xué)掃描測量與多軸運動控制的特點，提出了各項參數(shù)的具體測量與解算方法。

圖1 噴嘴旋流器上的螺旋槽特征Fig.1 Swirl slots of the swirler

2.1 槽深d

選取一個與燃油噴嘴中心軸線垂直的截面，使其與槽頂圓柱面和槽底圓柱面相交，從而得到兩條間斷連續(xù)的圓周曲線，并將圓周曲線離散為測量點。然后，在測量系統(tǒng)的回轉(zhuǎn)運動與光學(xué)掃描測頭的相互配合下，采集各個截面上的槽頂圓周和槽底圓周的實測點云數(shù)據(jù)，并通過擬合分別得到槽頂圓周半徑R和槽底圓周半徑r，則槽深d的測量結(jié)果可以采用R與r之差來表示，即

根據(jù)燃油噴嘴旋流器的設(shè)計指標(biāo)，要求槽深d的單次測量極限誤差≤±0.03mm。

2.2 螺旋角α

為了驗證本文所提出的燃油噴嘴螺旋槽的精密測量方法以及所設(shè)計和搭建的測量系統(tǒng)的各項功能，選取了某型航空發(fā)動機的燃油噴嘴樣件作為被測物，測量系統(tǒng)和測量過程如圖7所示。在測量開始前，通過標(biāo)定獲取回轉(zhuǎn)軸A在由測量系統(tǒng)的X、Y和Z軸構(gòu)成的空間直角坐標(biāo)系中的位置，然后將用于裝夾燃油噴嘴的專用夾具安裝在測量系統(tǒng)的回轉(zhuǎn)軸A上，并借助于千分表或者電感測微儀等對專用夾具的位置進行調(diào)整與找正。

圖2 螺旋槽的展開示意圖Fig.2 Schematic diagram of the swirl slot

設(shè)兩個平行截面與兩條槽頂螺旋線的交點分別為A、B和C、D，然后過D點作線段DE，使其垂直于AB，則DE=H。設(shè)展開前的圓弧AE所對應(yīng)的圓心角為γ(單位：rad)，則圓弧AE的長度為

術(shù)中導(dǎo)絲斷裂，無不良并發(fā)癥時不建議刻意取出，一般對愈后無明顯影響。血管損傷若為導(dǎo)絲所致，可抗休克同時密切觀察，暫停手術(shù)操作，待病情穩(wěn)定后進行CT造影確定損傷部位及大??；若為螺釘所致，建議輸血同時立即進行前路手術(shù)翻修［20］。術(shù)中硬膜損傷時應(yīng)調(diào)整釘?shù)篮笾匦轮萌肼葆?，一般能夠封堵，術(shù)后注意觀察傷口及顱內(nèi)壓變化。

韓國在2004年就先于發(fā)起了U-City計劃，希望能通過普及化的信息通信技術(shù)提高城市的綜合競爭力。并于2011年6月以首都首爾為試點，發(fā)起“智慧首爾2015”計劃，通過持續(xù)的發(fā)展投入在“2016智慧城市博覽會（Smart City Expo World Congress）”獲得了“全球智慧城市獎”城市領(lǐng)域大獎。

在直角ΔADE中，直角邊AE的長度與圓弧AE相同，則螺旋角α為

鹽城地區(qū)年平均日太陽輻照量達13 582kJ/m2，全年大部分時間太陽光照充分，6層商業(yè)裙房屋頂面積大，除放置機電各專業(yè)機房及設(shè)備，太陽能集熱板布置條件好。

2.3 槽寬w

如圖2所示，槽寬w可以表示為螺旋槽的兩條槽頂螺旋線之間的距離，即DF。在計算與求解過程中，圓弧CD位于半徑為R的槽頂圓周上，設(shè)其在槽頂圓柱面展開之前所對應(yīng)的圓心角為 θ(單位：rad)，因而圓弧CD的長度可以表示為

傳感器是整個測量系統(tǒng)的核心部件，主要用于工件坐標(biāo)系的建立與整個測量過程的實現(xiàn)。為了快速而精確地采集螺旋槽特征的形貌數(shù)據(jù)，本文選用了以色列OPTIMET公司的ConoProbe系列錐光偏振全息激光測頭作為測量系統(tǒng)的前端傳感器，如圖6所示。

根據(jù)燃油噴嘴旋流器的設(shè)計指標(biāo)，要求槽寬w的單次測量極限誤差≤±0.03mm。

3 系統(tǒng)的設(shè)計與搭建

3.1 總體機械結(jié)構(gòu)

根據(jù)以上提出的螺旋槽特征的測量與解算方法，本文基于多軸運動機構(gòu)和光學(xué)測頭等，設(shè)計并搭建了模塊化的燃油噴嘴螺旋槽精密測量系統(tǒng)。如圖3所示，該測量系統(tǒng)的總體布局為立柱移動型的三坐標(biāo)測量機結(jié)構(gòu)，主要由基座、直線運動軸、回轉(zhuǎn)運動軸和光學(xué)掃描測頭等模塊組成。其中，基座采用具有變形小、不生銹和穩(wěn)定性好等優(yōu)點的泰山青花崗石材料制成，用以作為整個測量系統(tǒng)的承載部件；直線運動軸和回轉(zhuǎn)運動軸用于實現(xiàn)預(yù)定的測量軌跡；而光學(xué)掃描測頭則用于測量數(shù)據(jù)的采集。

測量系統(tǒng)的運動模塊由三個直線運動軸X、Y、Z和一個回轉(zhuǎn)運動軸A構(gòu)成。其中，X、Y和Z軸集成在一起，而A軸單獨布置，因而被測的燃油噴嘴零件可以通過專用夾具裝夾在A軸上。為了保證系統(tǒng)的運動精度和平穩(wěn)性，X軸和A軸的運動模塊均直接安裝到基座上，并且將X軸運動模塊設(shè)計為寬臺面的結(jié)構(gòu)形式，然后再將Y軸運動模塊安裝到X軸托板上。而Z軸運動模塊則先安裝在花崗石立柱上，而后再整體安裝到Y(jié)軸托板上。最后，將光學(xué)測頭支架安裝在Z軸運動模塊的托板上。

圖3 測量系統(tǒng)的總體機械結(jié)構(gòu)Fig.3 Mechanical structure of the measuring system

在直線運動模塊中，X、Y和Z軸均采用了“伺服電機+滾珠絲杠”的傳動形式，并且配置了奧地利RSF Elektronik公司的MS 30.83 MA型單場掃描場敞開式的直線光柵尺。該型光柵尺的信號質(zhì)量對時間和溫度不敏感，并且支持高速運動，經(jīng)過50倍細分后的分辨率可以達到0.1μm，從而確保了X、Y和Z三個直線運動軸能夠?qū)崿F(xiàn)精確的位置閉環(huán)控制。同時，為了平衡Z軸負載的重量以便于通過控制獲得較高的定位精度，本文對Z軸做了配重設(shè)計，根據(jù)實際測量值選用了恒力彈簧(2×3kg)的配重形式，以使Z軸托板在上升和下降過程中的負載是均衡的。相對于配重塊，恒力彈簧的慣性較小，因而會相應(yīng)地減小伺服電機的輸入慣量，從而使測量系統(tǒng)的Z軸可以更快地到達預(yù)定位置，有效提高了系統(tǒng)的運行效率。

隨著環(huán)保要求的日益提高，當(dāng)前涂料行業(yè)需要從兩個方面防治VOCs：第一要大力發(fā)展水性涂料，并且在涂料生產(chǎn)中采用先進的密閉設(shè)備和工藝，從源頭上減少VOCs的產(chǎn)生；第二要不斷進行技術(shù)研發(fā)，積極研究如何降低VOCs的凈化成本并且提高凈化效率，從而能夠切實地減少環(huán)境污染，為人民身體健康和國家環(huán)境保護作出積極貢獻。

在回轉(zhuǎn)運動模塊中，采用了日本Yaskawa公司的SGMCS型直接驅(qū)動伺服電機作為系統(tǒng)的回轉(zhuǎn)運動軸，該型電機可以在不帶減速器的狀態(tài)下直接驅(qū)動負載，額定轉(zhuǎn)矩為4.0N·m，并且內(nèi)置了20位的高分辨率編碼器，轉(zhuǎn)角定位精度可以達到1″，因而可以將被測零件精確定位到所需的角度位置。為了進一步降低系統(tǒng)誤差，還需要通過機械調(diào)整與找正以使A軸的回轉(zhuǎn)軸線與Z軸的運動方向平行。

3.2 電氣控制模塊

為了使所搭建的燃油噴嘴螺旋槽精密測量系統(tǒng)的配置、運動和操作等更具快速性、靈活性和實時性特點，本文采用了二級位置閉環(huán)的數(shù)字復(fù)合控制架構(gòu)形式，由上位機與下位機組成主從控制方式，其技術(shù)方案如圖4所示。

圖4 基于PMAC的多軸運動控制系統(tǒng)Fig.4 Multi-axis motion control system based on PMAC

該光學(xué)測頭的測量精度可以達到亞微米級，激光光斑的直徑小至6μm，重復(fù)測量精度小于0.2μm(1σ)，魯棒測量頻率最高可達3000Hz，并且可以進行大角度測量，其最大可測角度范圍為空間170°(±85°)。同時，其發(fā)射光束與接收光束是共線的，因而尤其適用于深徑比達1∶10的孔和槽等深凹特征的檢測。因此，應(yīng)用該傳感器可以最大程度地真實還原出被測燃油噴嘴表面的微小細節(jié)。

圖5 專用上位機軟件Fig.5 Special measuring software

3.3 傳感器模塊

在直角ΔCDF中，∠DCF=α，而斜邊CD的長度與圓弧CD相同，則槽寬w為

圖7 實驗現(xiàn)場Fig.7 Experimental scene

在圖4中，為了加快數(shù)據(jù)的處理速度，上位機與下位機之間采用工業(yè)以太網(wǎng)進行通訊。上位機為主流工控機，主要用于運行測量軟件、人機交互、發(fā)布各項控制指令、監(jiān)控各軸的運動狀態(tài)以及接收和處理反饋信號等，同時也配備了基于噴嘴CAD模型的專用上位機軟件，如圖5所示；下位機為專用運動控制器，其核心為可編程的多軸運動控制器，主要用于接收上位機發(fā)出的運動指令并進行實時控制與插補運算，同時也對各軸的角擺誤差、直線度誤差、垂直度誤差等進行補償，以實現(xiàn)精確的伺服運動控制，使經(jīng)過誤差補償后的四軸運動模塊的空間定位精度達到了5.0μm。

4 實驗驗證

選取兩個與燃油噴嘴中心軸線垂直且相互距離為H的平行截面，并與槽頂圓柱面相交。為了便于觀察和顯示，將槽頂圓柱面繞中心軸線展開在平面上，如圖2所示，則其螺旋角α即為槽頂螺旋線的螺旋升角。

在測量過程中，首先，根據(jù)回轉(zhuǎn)軸A的位置標(biāo)定結(jié)果，通過上位機程序控制測量系統(tǒng)的X、Y和Z軸帶動光學(xué)測頭運動，使其測量光束與噴嘴零件的中心軸線垂直相交。然后，按照規(guī)劃好的測量軌跡開始測量并進行實測點云數(shù)據(jù)的采集和傳輸，再利用上位機軟件中的最小二乘擬合功能模塊計算出所需要的R、r、H、γ和 θ等參數(shù)。最后，根據(jù)式(1)～(5)即可解算得到被測螺旋槽的槽深d、螺旋角α和槽寬w的數(shù)值。

1260型HPLC儀，包括四元泵、二極管陣列檢測器、在線脫氣裝置、自動進樣器、Openl AB色譜工作站（美國安捷倫公司）；CP225D型電子天平、BSA224S-CW型電子天平（德國賽多利斯公司）。

如圖8所示為測量過程中，測量系統(tǒng)采集到的該燃油噴嘴樣件的螺旋槽在相距為0.5mm的兩個平行截面上的槽頂圓周的三維點云數(shù)據(jù)，對其進行最小二乘圓周擬合即可得到槽頂圓周半徑R的測量結(jié)果，而r、H、γ和θ等參數(shù)的獲取過程與此類似。在實驗過程中，本文對沿周向均勻分布于該燃油噴嘴上的6個螺旋槽的槽深d、螺旋角α和槽寬w依次進行了10次等精度重復(fù)測量，如圖9所示為其中的一個螺旋槽特征的測量結(jié)果。

健脾化濕清熱通絡(luò)藥對活動期強直性脊柱炎患者血小板參數(shù)影響的數(shù)據(jù)挖掘……………………… 方妍妍 劉健 萬磊 等（2）210

圖8 槽頂圓周的三維點云Fig.8 3D Point cloud of the circumference of slot top

對圖9中所示的測量結(jié)果進行數(shù)據(jù)處理與誤差分析，可以進一步得出：對于該螺旋槽來說，槽深d的平均值為1.210mm，標(biāo)準差為0.003mm，單次測量的極限誤差為±0.009mm；螺旋角α的平均值為30.98°，標(biāo)準差為0.11°，單次測量的極限誤差為±0.33°；槽寬w的平均值為1.716mm，標(biāo)準差為0.008mm，單次測量的極限誤差為±0.024mm。根據(jù)此類燃油噴嘴組件的精度指標(biāo)要求，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)既定的測量任務(wù)，并且測量精度可以滿足生產(chǎn)現(xiàn)場的使用需求。

財政、稅務(wù)等部門依法行使監(jiān)督職能，還可以《會計法》為依托，創(chuàng)立經(jīng)濟聯(lián)合執(zhí)法體系，建立以檢查和處罰的聯(lián)動機制和規(guī)范的信息共享制度為基礎(chǔ)的統(tǒng)一的綜合報告平臺以及企業(yè)和會計人員誠信系統(tǒng)，接受社會的監(jiān)督。同時，每6個月對會計單位的信息質(zhì)量聯(lián)合審核一次，杜絕違法造假的通道，加大對企業(yè)會計違法行為的查辦力度，并依法追究違法者的法律責(zé)任。

研究結(jié)果表明，以小檗堿和生物總堿為指標(biāo)，興隆小檗藥材質(zhì)量最好，其次是野雞河，再次是足納。小壩產(chǎn)小檗藥材無論是根、根皮及莖皮，小檗堿和生物總堿的含量均最低，具體原因尚需進一步研究。小檗藥材在畢節(jié)市分布廣，數(shù)量大，具有很高的開發(fā)利用價值。興隆是小檗栽培的最適宜種植區(qū)，小壩不適合小檗的栽培。

圖9 測量結(jié)果Fig.9 Measuring results

5 結(jié)束語

本文提出了燃油噴嘴螺旋槽的槽深、螺旋角和槽寬的測量與解算方法，并采用了光學(xué)掃描測量技術(shù)與四軸聯(lián)動技術(shù)相結(jié)合的方式以應(yīng)對這些幾何參數(shù)的快速、精確檢測。所設(shè)計和搭建的燃油噴嘴螺旋槽精密測量系統(tǒng)，由四軸運動模塊、錐光偏振全息激光測頭、多軸運動控制器和專用夾具等部分構(gòu)成，并且具有四軸聯(lián)動測量功能。通過對某個燃油噴嘴樣件的螺旋槽特征進行多次重復(fù)測量實驗，并解算得到槽深、螺旋角和槽寬的幾何尺寸，所得實驗結(jié)果能夠滿足此類噴嘴零件的檢測需求，因而可以作為一項燃油噴嘴結(jié)構(gòu)尺寸的檢測方案。