本发明涉及一种喷管喉部区域腔型的扫描辅助装置及扫描方法。
背景技术：
拉瓦尔喷管在航天、航空等领域有着广泛的应用，是伺服系统的重要部件，拉瓦尔喷管在结构和流体性能方面有着严格的要求，其动力学性能和射流内部流场的分布，是系统效率和精度的关键影响因素之一。喉部区域作为拉瓦尔喷管中最精密的结构(如图1和图2所示)，其尺寸精度对喷管性能影响极大。因此，喉部区域的加工、检测精度是喷管质量保证的核心所在。图1和图2中喉部直径d设计公差0.007mm，喉部长度l设计公差0.2mm。从几何意义上来说，喷管喉部位于整个几何结构的中部，其孔径的测量属于深孔检测。在深孔孔径测量研究方面，目前比较成熟的测量方法由于测量空间受限制，或者测量精度不够高，测量结构和原理上不适用，无法满足拉瓦尔喷管喉径尺寸的检测要求，更无法对喉部区域腔型进行测绘。
技术实现要素：
本发明为了解决现有的测量方法存在空间受限制等问题导致无法满足拉瓦尔喷管喉径尺寸的检测要求，以及无法对喉部区域腔型进行扫描的问题。
一种拉瓦尔喷管喉部区域腔型扫描辅助装置，包括：圆球形测头微给进装置和圆球形测头；
圆球形测头微给进装置包括箱体，箱体中心设有通孔，通孔内部设有第一轴承和第二轴承，千分螺母外侧套有内套筒，内套筒外侧套有外套筒，且内套筒与外套筒之间留有空隙，内套筒与外套筒两端设置第一轴承和第二轴承，内套筒与外套筒共同夹在第一轴承和第二轴承之间；千分螺母穿过第一轴承和第二轴承，千分螺母的头端穿过轴承锁紧螺母，并通过轴承锁紧螺母锁紧第一轴承，千分螺母通过第一轴承和第二轴承设置在箱体的中部，千分螺母的尾端从箱体的通孔伸出；千分螺母伸出通孔的尾端外壁上设有大同步带轮；千分螺杆在千分螺母的长度方向上设置在千分螺母内部，并且千分螺杆的两端分别伸出千分螺母，千分螺母与千分螺杆配套使用，实现千分螺杆的移动；
箱体对应大同步带轮一侧设有箱体侧盖，箱体与侧盖内部形成腔体，大同步带轮位于腔体内部；
侧盖中心开有中心孔；侧盖中心孔对应位置、侧盖外侧设有导向筒；
千分螺杆朝向侧盖方向的端头上穿过侧盖中心孔伸入导向筒内部，在导向筒内部，千分螺杆锁紧帽通过千分螺杆锁紧螺钉锁紧在千分螺杆朝向侧盖方向的端头上；在千分螺杆锁紧螺钉远离箱体的一侧设有电感位移传感器；电感位移传感器固定在导向筒的一端，并且电感位移传感器的测量头位于导向筒内部，电感位移传感器的尾部位于导向筒外部；千分螺杆锁紧帽与导向筒的一端之间设有弹簧，位于导向筒内部的电感位移传感器测量头部分位于弹簧内部；
侧盖的外侧设有步进电机；侧盖还设有电机轴孔，步进电机轴穿过电机轴孔伸入到箱体与侧盖内部的腔体，步进电机轴端设有小同步带轮；小同步带轮通过齿型同步带带动大同步带轮转动；
千分螺杆远离侧盖方向的端头上设置圆球形测头，圆球形测头与千分螺杆同轴设置。
进一步地，所述的圆球形测头微给进装置还包括箱体端盖，箱体端盖中心设有螺杆通过孔，箱体端盖设置在箱体通孔远离侧盖的一端外侧，箱体端盖将千分螺母封闭在箱体通孔内部，千分螺杆从箱体端盖的螺杆通过孔伸出。
进一步地，所述的步进电机的机尾设置有手轮。
进一步地，所述的步进电机是通过电机过渡板固定在侧盖上的。
进一步地，所述的大同步带轮通过大同步带轮锁紧螺母设置在千分螺母伸出通孔的尾端外壁上。
进一步地，所述的千分螺母上还设有平键，千分螺母通过平键与大同步带轮传递转矩。
进一步地，所述的一种拉瓦尔喷管喉部区域腔型扫描辅助装置，还包括拉瓦尔喷管固定装置；
所述的拉瓦尔喷管固定装置包括喷管右端盖、喷管锁紧螺母和喷管左端座；喷管锁紧螺母和喷管左端座通过螺纹配合使用，喷管左端座的轴向上设有气流通孔；喷管左端座朝向喷管锁紧螺母的一端设有喷管安装槽；喷管右端盖的一端能够穿过喷管锁紧螺母，喷管右端盖的另一端能够通过边沿卡在喷管锁紧螺母内部；在拉瓦尔喷管处于安装状态时，拉瓦尔喷管位于喷管右端盖和喷管左端座之间，通过喷管锁紧螺母锁紧。
进一步地，所述的拉瓦尔喷管固定装置还包括喷管内衬，在拉瓦尔喷管处于安装状态时，拉瓦尔喷管的外壁上套有喷管内衬，拉瓦尔喷管通过喷管内衬安装在喷管左端座的喷管安装槽内。
进一步地，所述的拉瓦尔喷管通过喷管内衬安装在喷管左端座的喷管安装槽内时，拉瓦尔喷管的一端与喷管左端座的喷管安装槽底之间设置密封垫片。
一种拉瓦尔喷管喉部区域腔型扫描方法，包括以下步骤：
步骤一、将圆球形测头探入拉瓦尔喷管喉部区域，在圆球形测头最大直径截面与拉瓦尔喷管喉部区域形成环形缝隙；建立短孔流动模型：
其中，q为流进环形缝隙的流量；cd为流量系数；a0为环形缝隙截面积；δp为环形缝隙前后的压差；m为指数，0.5≤m≤1；ρ为流体密度；d为圆球形测头直径；d为当前轴向位置处的当量直径；
由上式得到当前轴向位置处的当量直径：
其中，
步骤二、在环形缝隙的状态下，采用已知孔径尺寸的标准件进行多组实验，根据实验数据的结果求取常数a；
步骤三、根据常数a计算当前位置的当量直径d；
步骤四，将圆球形测头沿喉部轴向进给，进给采用微进给，重复步骤三测得一系列与轴向位移xi相对应的当量直径值di，进而测绘喉部区域腔型。
本发明具有以下有益效果：
针对目前没有能够实现对拉瓦尔喷管喉部区域腔型进行扫描的装置和方法，本发明的装置能够辅助进行拉瓦尔喷管喉部区域腔型扫描，而且结构简单，操作方便。从安装到拉瓦尔喷管喉部区域腔型扫描开始，需要的时间不超过半分钟。同时利用本发明的方法能够实现拉瓦尔喷管喉部区域腔型扫描，不但解决了空间受限制的问题，而且能够满足拉瓦尔喷管喉径尺寸的检测要求，以标准件进行测试，利用本发明方法进行检查的误差不超过5％。
附图说明
图1为某型号拉瓦尔喷管喉部简图；
图2为某型号拉瓦尔喷管喉部简图喉部的放大图；
图3为拉瓦尔喷管喉部区域腔型流体扫描辅助装置结构示意图；
图4为圆球形测头伸入拉瓦尔喷管喉部区域的示意图；
图5为圆球形测头与拉瓦尔喷管喉部区域形成环形缝隙的示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图3说明本实施方式，
一种拉瓦尔喷管喉部区域腔型扫描辅助装置，圆球形测头微给进装置和圆球形测头27；
圆球形测头微给进装置包括箱体25，箱体25中心设有通孔，通孔内部设有第一轴承18和第二轴承21，千分螺母14外侧套有内套筒19，内套筒19外侧套有外套筒20，且内套筒19与外套筒20之间留有空隙，内套筒19与外套筒20两端设置第一轴承18和第二轴承21，内套筒19与外套筒20共同夹在第一轴承18和第二轴承21之间；千分螺母14穿过第一轴承18和第二轴承21，千分螺母14的头端穿过轴承锁紧螺母22，并通过轴承锁紧螺母22锁紧第一轴承18，千分螺母14通过第一轴承18和第二轴承21设置在箱体25的中部，千分螺母14的尾端从箱体25的通孔伸出；千分螺母14伸出通孔的尾端外壁上设有大同步带轮16；千分螺杆13在千分螺母14的长度方向上设置在千分螺母14内部，并且千分螺杆13的两端分别伸出千分螺母14，千分螺母14与千分螺杆13配套使用，实现千分螺杆13的移动；
箱体25对应大同步带轮16一侧设有箱体侧盖17，侧盖17通过侧盖固定螺钉24固定在箱体25，箱体与侧盖17内部形成腔体，大同步带轮16位于腔体内部；
侧盖17中心开有中心孔；侧盖17中心孔对应位置、侧盖17外侧背离箱体的一侧设有导向筒6；
千分螺杆13朝向侧盖17方向的端头上穿过侧盖17中心孔伸入导向筒6内部，在导向筒6内部，千分螺杆锁紧帽12通过千分螺杆锁紧螺钉11锁紧在千分螺杆13朝向侧盖17方向的端头上；在千分螺杆锁紧螺钉11远离箱体25的一侧设有电感位移传感器7；电感位移传感器7通过传感器紧定螺钉10固定在导向筒6的一端，并且电感位移传感器7的测量头位于导向筒6内部，电感位移传感器7的尾部位于导向筒6外部；传感器紧定螺钉10固定电感位移传感器7时传感器紧定螺钉10与电感位移传感器7外壁之间设有传感器垫片9，传感器垫片为柔性垫片；千分螺杆锁紧帽12与导向筒6的一端之间设有弹簧8，位于导向筒6内部的电感位移传感器7测量头部分位于弹簧内部；
侧盖17的外侧背离箱体的一侧设有步进电机3；侧盖17还设有电机轴孔，步进电机轴穿过电机轴孔伸入到箱体与侧盖17内部的腔体3，步进电机轴端设有小同步带轮36；小同步带轮36通过齿型同步带35带动大同步带轮16转动；
千分螺杆13远离侧盖17方向的端头上设置圆球形测头27，圆球形测头27通过圆球形测头紧定螺钉26固定在千分螺杆13远离侧盖17方向的端头上，圆球形测头27与千分螺杆13同轴设置。
具体实施方式二：
本实施方式所述的圆球形测头微给进装置还包括箱体端盖23，箱体端盖23中心设有螺杆通过孔，箱体端盖23设置在箱体25通孔远离侧盖17的一端外侧，箱体端盖23将千分螺母14封闭在箱体25通孔内部，千分螺杆13从箱体端盖23的螺杆通过孔伸出。
其他结构和参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：
本实施方式所述的步进电机3的机尾设置有手轮1。手轮1通过手轮紧定螺钉4固定在步进电机3上。
其他结构和参数与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：
本实施方式所述的步进电机3是通过电机过渡板38固定在侧盖17上的。步进电机3通过过渡板固定螺钉螺钉5与电机过渡板38固定；电机固定螺钉2穿过电机过渡板38，将步进电机3和通过电机过渡板38固定在侧盖17上。
其他结构和参数与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五：
本实施方式所述的大同步带轮16通过大同步带轮锁紧螺母15设置在千分螺母14伸出通孔的尾端外壁上。
其他结构和参数与具体实施方式一至四之一相同。
具体实施方式六：
本实施方式所述的千分螺母14上还设有平键34，千分螺母14通过平键34与大同步带轮16传递转矩。
其他结构和参数与具体实施方式一至五之一相同。
具体实施方式七：
本实施方式所述的一种拉瓦尔喷管喉部区域腔型扫描辅助装置，还包括拉瓦尔喷管固定装置；
所述的拉瓦尔喷管固定装置包括喷管右端盖28、喷管锁紧螺母29和喷管左端座33；喷管锁紧螺母29和喷管左端座33通过螺纹配合使用，喷管左端座33的轴向上设有气流通孔；喷管左端座33朝向喷管锁紧螺母29的一端设有喷管安装槽；喷管右端盖28的一端能够穿过喷管锁紧螺母29，喷管右端盖28的另一端能够通过边沿卡在喷管锁紧螺母29内部；在拉瓦尔喷管30处于安装状态时，拉瓦尔喷管30位于喷管右端盖28和喷管左端座33之间，通过喷管锁紧螺母29锁紧。
其他结构和参数与具体实施方式一至六之一相同。
具体实施方式八：
本实施方式所述的拉瓦尔喷管固定装置还包括喷管内衬31，在拉瓦尔喷管30处于安装状态时，拉瓦尔喷管30的外壁上套有喷管内衬31，拉瓦尔喷管30通过喷管内衬31安装在喷管左端座33的喷管安装槽内。
其他结构和参数与具体实施方式七相同。
具体实施方式九：
本实施方式所述的拉瓦尔喷管30通过喷管内衬31安装在喷管左端座33的喷管安装槽内时，拉瓦尔喷管30的一端与喷管左端座33的喷管安装槽底之间设置密封垫片32。
其他结构和参数与具体实施方式七或八相同。
具体实施方式十：
一种拉瓦尔喷管喉部区域腔型扫描方法，包括以下步骤：
步骤一、将拉瓦尔喷管30安装在拉瓦尔喷管固定装置内部，并通过喷管锁紧螺母29锁紧，然后调整拉瓦尔喷管30轴线与圆球形测头27的轴线在一条直线上，然后将圆球形测头探入拉瓦尔喷管喉部区域，在圆球形测头最大直径截面与拉瓦尔喷管喉部区域形成环形缝隙，如图4和图5所示；建立短孔流动模型：
短孔流动模型为在形成环形缝隙的状态下流体通过所述的环形缝隙所对应的模型；其中，q为流进环形缝隙的流量；cd为流量系数；a0为环形缝隙截面积；δp为环形缝隙前后的压差；m为指数，0.5≤m≤1；ρ为流体密度；d为圆球形测头直径；d为当前轴向位置处的当量直径；
由上式得到当前轴向位置处的当量直径：
式中的系数m、ρ、δp、cd均可视为常数，则流量q的系数可视为常数a，
步骤二、在环形缝隙的状态下，采用已知孔径尺寸的标准件进行多组实验，根据实验数据的结果求取常数a；
步骤三、根据常数a计算当前位置的当量直径d；
步骤四，将圆球形测头沿喉部轴向微进给，进给采用微进给，每次进给步长根据实际的精度要求确定，进给步长可以为1微米至1毫米，重复步骤三测得一系列与轴向位移xi相对应的当量直径值di，进而测绘喉部区域腔型。