某噴管偏轉(zhuǎn)角測量方法研究

王天哲 張?zhí)煲? 王禹

摘要：本文通過分析某噴管在裝配過程中對偏轉(zhuǎn)角測量需求，并考慮到現(xiàn)有的測量設(shè)備和測量手段，根據(jù)某噴管的結(jié)構(gòu)特點、測量設(shè)備的功能等對測量方法進行分析研究，制定了某噴管偏轉(zhuǎn)角測量的工藝路線。同時，對新的工藝路線開展現(xiàn)場試驗，利用激光跟蹤儀中的轉(zhuǎn)站、自動采集、分析評價等功能，迅速有效測量出空間直線與直線、直線與平面之間的夾角。此工藝方法有效解決了生產(chǎn)現(xiàn)場大尺寸零件空間尺寸和位置測量困難的技術(shù)瓶頸，為發(fā)動機裝配過程中結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜、尺表無法測量部位的尺寸測量提供了技術(shù)支持和方法參考。

關(guān)鍵詞：噴管;偏轉(zhuǎn)角;激光跟蹤儀;自動采集;測量

航空發(fā)動機作為國之重器的利刃，其發(fā)展和進步直接關(guān)系到一個國家的工業(yè)發(fā)展和軍事地位。在航空發(fā)動機的發(fā)展過程中，短距離甚至垂直起降的戰(zhàn)斗機中使用的推力矢量技術(shù)[1]要求戰(zhàn)斗機使用的發(fā)動機噴管能夠滿足在常規(guī)矢量噴管偏轉(zhuǎn)角度的前提下，能夠有較大的矢量偏轉(zhuǎn)角且此矢量偏轉(zhuǎn)角能夠連續(xù)可調(diào)。

航空發(fā)動機裝配在整個航空發(fā)動機制造過程中屬于最后環(huán)節(jié)，一旦出現(xiàn)裝配或者測量錯誤等問題將直接影響產(chǎn)品質(zhì)量，甚至帶來嚴重的后果[2]。由于發(fā)動機設(shè)計要求嚴格，在整個裝配過程中，某一些技術(shù)參數(shù)需要進行精確測量，測量合格后才能進行后續(xù)的裝配、試車，以滿足發(fā)動機的性能以及其與飛機的順利裝配。

在發(fā)動機制造裝配過程中，常用的測量方法有三坐標測量、尺表測量等。隨著發(fā)動機性能的提高以及飛機對發(fā)動機要求的增加，發(fā)動機在裝配過程中一些空間尺寸的測量要求也相應(yīng)增加，例如上述中的噴管偏轉(zhuǎn)角.鑒于噴管的結(jié)構(gòu)特點以及測量尺寸的空間性，常規(guī)的尺表量具以及三坐標測量機已無法滿足測量需求，需要引用其它的測量方法來保證發(fā)動機的裝配。

1 激光跟蹤儀原理及功能

激光跟蹤儀是一種新型的測量儀器，可對空間目標進行跟蹤并實時測量目標的空間三維坐標，具有安裝快捷、操作簡便、測量精度及效率高等優(yōu)點[3]。激光跟蹤儀具有高精度的空間幾何量測量與評價系統(tǒng)，能對大型工件、工裝和零部件進行尺寸測量與評價，故廣泛應(yīng)用于汽車制造、航空航天、船舶制造等大型產(chǎn)品的裝配檢測。由于航空發(fā)動機零部件相對尺寸不大，大部分采用尺表量具或者三坐標測量機進行測量，故激光跟蹤儀在航空發(fā)動機制造裝配方面應(yīng)用比較少。

激光跟蹤儀主要有跟蹤頭、控制箱、靶鏡等組成。在測量過程中，根據(jù)需要測量的位置等建立坐標系，并將需要測量的點或者平面按照一定的順序進行采集，得到被測物體上實測點的坐標，根據(jù)坐標值分析出需要測量的幾何量。同時，由于激光是利用光的直線傳播和反射進行測量的，對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜需要測量位置比較多的被測物體，激光跟蹤儀在同一個測量角度無法全部完成所有點的采集，此時需要用到轉(zhuǎn)站功能，在測量的過程中就移動跟蹤頭，實現(xiàn)各個方位測量點的采集。

激光跟蹤儀配置的測量軟件可以實時記錄采集到的數(shù)據(jù)，能夠根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)快速分析計算。故激光跟蹤儀在大尺寸機件的測量上，具有很大的優(yōu)勢。

2 測量方案制定及試驗

某型噴管在裝配完成后，需要在兩種工作狀態(tài)下測量實際偏轉(zhuǎn)角度，并將實際偏轉(zhuǎn)角度與理論偏轉(zhuǎn)角度進行對比，在給定的公差范圍內(nèi)才能滿足設(shè)計需求，然后進行下一步裝配工作。發(fā)動機噴管偏轉(zhuǎn)角即發(fā)動機軸線與噴管軸線之間的夾角[4]，屬于空間兩條直線之間的夾角，尺表量具無法測量;又因結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜尺寸比較大，常規(guī)的三坐標測量機也無法完成對偏轉(zhuǎn)角的測量。

2.1 技術(shù)分析

某噴管的偏轉(zhuǎn)角屬于空間一個圓柱體軸線和一個圓錐體軸線之間的夾角，根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點和需要測量的位置，并綜合考慮激光跟蹤儀的特點，選用激光跟蹤儀對偏轉(zhuǎn)角進行測量分析，以滿足測量的需求。

為了得到圓柱體和圓錐體軸線之間的夾角，且軸線均為空間直線，無法進行直接測量，需要根據(jù)幾何分析將軸線擬合出來。首先沿圓柱體安裝邊一周采集點，形成集合A，沿圓柱體安裝邊平面一周采集點，形成集合B。然后利用軟件中的數(shù)據(jù)分析功能，將集合B中的點擬合成一個平面，再將集合A中的點投影到擬合的平面上，利用投影的點擬合成一個圓，即為圓柱體的一個切面圓，通過圓心并垂直于平面形成一條直線即為圓柱體的軸線。同理可到圓錐體的軸線，將兩條軸線進行對比分析即可得到軸線之間的夾角，即噴管的偏轉(zhuǎn)角。

2.2 方案制定

（1）數(shù)據(jù)采集

為了提高測量準確性，需要盡可能多的采集測量點，故在測量過程中需要圓周各個角向均進行采點，在測量過程中，選取基準點不變，對激光跟蹤儀進行轉(zhuǎn)站處理。另外，采點功能采用連續(xù)自動采點，僅僅需要一次激光對準，相比每次采點均需要激光對準來說，有效降低了單個數(shù)據(jù)采集的時間。

（2）數(shù)據(jù)分析與處理

根據(jù)采集的數(shù)據(jù)，首先對數(shù)據(jù)進行分析評價，將偏差比較大的“壞點”進行舍棄，“好點”修正，之后利用最小二乘法的原理進行平面、圓等幾何型面的擬合和圓心、法向等幾何位置的提取，最終得到需要的測量角度。

在測量分析過程中直接評價測量點采集的質(zhì)量，消除人為因素影響，提高測量準確性和測量效率，實現(xiàn)偏轉(zhuǎn)角的準確測量。

2.3 測量試驗

按照上述測量方法進行測量試驗，在同一種狀態(tài)下測量三遍，測量結(jié)果標準差為6.7%，測量穩(wěn)定性較好。

3 結(jié)束語

激光跟蹤儀在發(fā)動機裝配上的應(yīng)用有效的解決了空間大尺寸無法測量的問題。新的測量方法將激光跟蹤儀的轉(zhuǎn)站、數(shù)據(jù)自動采集、分析等功能進行整理分析，能夠快速有效測量出空間直線與直線、直線與平面之間的夾角，解決了現(xiàn)場測量困難的技術(shù)瓶頸，為發(fā)動機結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜、尺表無法測量部位的尺寸測量提供了技術(shù)支持和方法參考。

參考文獻：

[1] 劉帥，王占學，周莉，等.三軸承旋轉(zhuǎn)噴管矢量偏轉(zhuǎn)規(guī)律及流場特性研究[J].推進技術(shù)，2015年，第36卷（第5期）：656-663.

[2] 張振興，金帥，郝斌.航空發(fā)動機裝配技術(shù)分析[J].中國設(shè)備工程，2019年，第4期：151-153.

[3] 彭瑾，王亞軍，李常峰，等.激光跟蹤儀在航天發(fā)動機裝配檢測中的應(yīng)用[J].飛航導(dǎo)彈，2013年，第10期：72-74.

[4] 楊帆，劉增文，劉帥，等.三軸承旋轉(zhuǎn)噴管型面設(shè)計與分析[J].航空計算技術(shù)，2014年，第2期：77-80.