发动机喷管轴线的测量系统及方法
【专利摘要】本发明涉及一种发动机喷管轴线的测量系统及方法。该发动机喷管轴线的测量系统包括：调平座架和旋转测量装置；所述旋转测量装置包括测量杆，所述测量杆周向自转；所述测量杆上设有角度传感器和多个激光位移传感器；所述多个激光位移传感器位于所述测量杆的不同高度上，用于测量喷管内壁与相应的激光位移传感器的径向距离；所述角度传感器位于所述测量杆上，用于测量所述测量杆的旋转角度；所述测量杆竖直设置于所述调平座架上；所述调平座架与发动机喷管的喷口相接触。本发明实现了对发动机喷管轴线的非接触式测量，避免了接触式测量对喷管内壁造成的损坏，且测量结果准确。
【专利说明】
发动机喷管轴线的测量系统及方法
技术领域
[0001]本发明涉及力学测量领域，尤其涉及一种发动机喷管轴线的测量系统及方法。
【背景技术】
[0002]发动机喷管轴线作为发动机的推力线，为发动机合成推力的作用线。动力系统中的喷管轴线特别是火箭发动机喷管轴线需要准确设计。现有的火箭发动机喷管轴线只是通过设计来确定，其前提是加工误差较小，成形后喷管变形较小。真实的轴线与设计出现偏差需要通过测量去发现。但使用常规测量方法，采用测量工具接触测量发动机喷管轴线有较大困难。
[0003]轴线在喷管内部，由喷管内部形状决定，喷管外部一般有凸起物，因而轴线测量需要在喷管内部开展。喷管轴线是不能直接测量，需要通过测量内壁各个截圆，由截圆计算得到的圆心，连接各截圆的圆心得到喷管轴线。把喷管内壁各个截圆测量出来，内部截圆可能是椭圆，测量点需要较多，才能准确的得出圆心位置。但在常规测量中不容易保证在内部同一截圆上测量，由于喷管为类似锥形，在不同一截圆测量将带来较大误差，测量本身带来的误差大于轴线实际的偏差，这样的测量变得到没有意义。
[0004]发动机喷管特别是火箭发动机喷管价格昂贵，严禁磕碰，常规测量中需要使用测量工具接触到喷管内壁，难免会磕碰或划伤内壁，造成损失。
【发明内容】
[0005]本发明所要解决的技术问题是:现有的接触式喷管轴线的测量方法会对喷管内壁造成损害且测量误差大的问题。
[0006]为解决上述技术问题，本发明一方面提出了一种发动机喷管轴线的测量系统，该发动机喷管轴线的测量系统包括:
[0007]调平座架和旋转测量装置；
[0008]所述旋转测量装置包括测量杆，所述测量杆周向自转；
[0009]所述测量杆上设有角度传感器和多个激光位移传感器；
[0010]所述多个激光位移传感器位于所述测量杆的不同高度上，用于测量喷管内壁与相应的激光位移传感器的径向距离；
[0011 ]所述角度传感器位于所述测量杆上，用于测量所述测量杆的旋转角度；
[0012]所述测量杆竖直设置于所述调平座架上；
[0013]所述调平座架与发动机喷管的喷口相接触。
[0014]可选地，该发动机喷管轴线的测量系统还包括信号记录与处理器；
[0015]所述信号记录与处理器与所述角度传感器和多个激光位移传感器相连，用于根据所述喷管的内壁与相应的激光位移传感器的径向距离和所述测量杆的旋转角度获取所述喷管的轴线。
[0016]可选地，所述调平座架包括第一轴承和第二轴承；
[0017]所述测量杆包括转轴杆和多个展杆；
[0018]所述转轴杆穿过所述第一轴承和所述第二轴承竖直设置于所述调平座架上；
[0019]所述多个激光位移传感器分别设置于所述多个展杆上。
[0020]可选地，所述角度传感器位于所述转轴杆的底部，所述角度传感器的转轴与所述转轴杆的轴心相连。
[0021]可选地，所述调平座架的形状为三角形。
[0022]可选地，所述测量杆位于发动机喷管轴线的测量系统的预定中心轴线上。
[0023]可选地，该发动机喷管轴线的测量系统还包括:
[0024]三个上调姿板和三根导向杆；
[0025]所述上调姿板设置于所述调平座架上，用于与发动机喷管的喷口相接触，调节喷口处于水平状态；
[0026]所述三根导向杆分别竖直设置在所述三个上调姿板远离所述测量杆的位置上，以对发动机喷管的放置起导向作用。
[0027]可选地，该发动机喷管轴线的测量系统还包括:
[0028]三个下调姿板；
[0029]所述三个下调姿板设置于所述调平座架的底部，用于调节调平座架(I)处于水平状态。
[0030]本发明另一方面提出了一种发动机喷管轴线的测量方法，该方法包括:
[0031]获取喷管内壁与相应的激光位移传感器的径向距离；
[0032]获取测量杆的旋转角度；
[0033]根据所述喷管的内壁与相应的激光位移传感器的径向距离和所述测量杆的旋转角度获取多个截圆的圆心，连接各截圆圆心获得发动机喷管轴线。
[0034]可选地，所述根据所述喷管的内壁与相应的激光位移传感器的径向距离和所述测量杆的旋转角度获取多个截圆的圆心，包括:
[0035]采用最小二乘拟合法对所述喷管的内壁与相应的激光位移传感器的径向距离和所述测量杆的旋转角度进行拟合，获取多个截圆的圆心。
[0036]本发明提出的发动机喷管轴线的测量系统及方法，实现了对发动机喷管轴线的非接触式测量，避免了接触式测量对喷管内壁造成的损坏，通过多个激光位移传感器获取发动机喷管内壁的多个截圆的径向距离，通过角度传感器获取测量杆的旋转角度，根据多个截圆的径向距离和测量杆的旋转角度获取喷管的轴线，测量结果准确。
【附图说明】
[0037]通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中:
[0038]图1示出了本发明一个实施例的发动机喷管轴线的测量系统的结构示意图；
[0039]图2示出了发动机喷管的结构示意图；
[0040]图3示出了下调姿板的结构示意图；
[0041]图4示出了调平座架的结构示意图；
[0042]图5示出了下调姿板与调平座架对接安装的示意图；
[0043]图6示出了上调姿板的结构示意图；
[0044]图7示出了导向杆、上调姿板与调平座架的安装示意图；
[0045]图8示出了轴承安装结构示意图；；
[0046]图9示出了测量杆的结构示意图；
[0047]图10示出了测量杆与轴承的连接示意图；
[0048]图11示出了激光位移传感器的安装示意图；
[0049]图12示出了角度传感器与调平座架的安装示意图；
[0050]图13示出了本发明一个实施例的发动机喷管轴线的测量方法的流程示意图；
[0051]图14示出了角度传感器测量的转角-时间的示意图；
[0052]图15示出了激光位移传感器测量的距离-时间的示意图；
[0053]图16示出了转角-距离关系曲线和截圆的示意图；
[0054]图17示出了四个截圆和喷管轴线的示意图。
[0055]图1-图 12 中:
[0056]I调平座架、2旋转测量装置；
[0057]11第一轴承、12第二轴承、13上调姿板、14下调姿板、15导向杆；
[0058]21测量杆、22角度传感器、23激光位移传感器；
[0059]211转轴杆、212展杆；
[0060]141第一上螺母、142第一下螺母；
[0061]131第二上螺母、132第二下螺母；
[0062]211’螺纹连接孔。
【具体实施方式】
[0063]下面将结合附图对本发明的实施例进行详细描述。
[0064]图1示出了本发明一个实施例的发动机喷管轴线的测量系统的结构示意图。如图1-图12所不，该发动机喷管轴线的测量系统包括:
[0065]调平座架I和旋转测量装置2;
[0066]旋转测量装置2包括测量杆21，测量杆21周向自转；
[0067]测量杆21上设有角度传感器22和多个激光位移传感器23;
[0068]多个激光位移传感器23位于测量杆21的不同高度上，用于测量喷管内壁与相应的激光位移传感器的径向距离；
[0069]角度传感器22位于测量杆21上，用于测量测量杆21的旋转角度；
[0070]测量杆21竖直设置于调平座架上I;
[0071]调平座架I与发动机喷管的喷口相接触。
[0072]本实施例的发动机喷管轴线的测量系统，实现了对发动机喷管轴线的非接触式测量，避免了接触式测量对喷管内壁造成的损坏，通过多个激光位移传感器获取发动机喷管内壁的多个截圆的径向距离，通过角度传感器获取测量杆的旋转角度，根据多个截圆的径向距离和测量杆的旋转角度获取喷管的轴线，测量结果准确。
[0073]在一种可选的实施方式中，该发动机喷管轴线测量系统还包括信号记录与处理器(图中未示出)；
[0074]信号记录与处理器与角度传感器22和多个激光位移传感器23相连，用于根据所述喷管的内壁与相应的激光位移传感器的径向距离和所述测量杆21的旋转角度获取所述喷管的轴线。
[0075]在实际应用中，使用两台供电电源分别给激光位移传感器和角度传感器供电，使用一台信号记录器记录激光位移和角度信号。
[0076]进一步地，调平座架I包括第一轴承11和第二轴承12;
[0077]测量杆21包括转轴杆211和多个展杆212;
[0078]转轴杆211穿过第一轴承11和第二轴承12竖直设置于调平座架I上；
[0079]多个激光位移传感器23分别设置于多个展杆212上。
[0080]进一步地，角度传感器22位于转轴杆211的底部，角度传感器22的转轴与转轴杆211的轴心相连。
[0081]本实施例的发动机喷管轴线的测量系统解决了喷管内部同一截圆连续多点测量问题和非接触式测量问题。
[0082]优选地，调平座架I的形状为三角形。测量杆21位于发动机喷管轴线的测量系统的预定中心轴线上。
[0083]该发动机喷管轴线的测量系统还包括:三个上调姿板13和三根导向杆15;
[0084]上调姿板13设置于调平座架I上，用于与发动机喷管的喷口相接触，调节喷口处于水平状态；
[0085]三根导向杆15分别竖直设置在三个上调姿板13远离所述测量杆21的位置上，以对发动机喷管的放置起导向作用。
[0086]该发动机喷管轴线的测量系统还包括:三个下调姿板(14);
[0087]所述三个下调姿板(14)设置于所述调平座架(I)的底部，用于调节调平座架(I)处于水平状态。
[0088]在实际应用中，测量杆由一根转轴杆和若干展杆垂直焊接而成，转轴杆通过套接轴承安放在调平座架上，测量杆绕轴承可以实现连续旋转，展杆端部安装激光位移传感器，转轴杆下端连接角度传感器。下调姿板用于调整整个测量系统处于水平状态。上调姿板用于安放发动机喷管的喷口，并调整发动机喷管(如图2所示)的喷口平面处于水平状态。导向杆用于发动机喷管与上调姿板对接时起导向作用。
[0089]下调姿板14(如图3所示)的螺杆穿过调平座架I底座(如图4所示)通孔，使用第一上螺母141、第二下螺母142夹持固定(如图5所述)，通过螺母旋转调整座架上端面处于水平状态。上调姿板13(如图6所示)的螺杆穿过调平座架I顶座通孔，使用第一上螺母131、第二下螺母132夹持固定(如图7所示)。导向杆15螺接在调平座架I上，用于控制喷管与上调姿板13对接过程中的方向性。
[0090]在调平座架I中部加工了沉孔，用于安放上、下各一只轴承，使用径向螺钉保证轴承与调平座架I紧配合(如图8所示)。测量杆21(如图9所示)的转轴杆211串过两轴承的内径，转轴杆211与轴承内环略紧配合，转轴杆上的突台压在上轴承的内环上(如图10所示)；展杆212的长度优选地根据所述发动机喷管的尺寸调整，由于喷管为锥形，上窄下宽，因此，图9中所示的多个展杆的长度从上到下依次增大。该喷管轴线的测量系统，测量系统整体水平状态可以通过下调姿板调平，被测试物体的水平状态可以通过上调姿板调平，通过测量杆绕轴承旋转实现旋转测量。
[0091]根据需要测量的截圆数量、激光位移的测量距离和发动机喷管内部形面设计测量杆21的尺寸，保证测量杆21的尺寸小于喷管内部形面，即使测量杆21的高度小于喷管的高度，使测量杆上展杆211的长度的一般小于喷管的半径，使得测量中转动支架不碰到喷管内壁，并且满足激光位移测量距离。
[0092]在测量杆21的展杆211上安装激光位移传感器23。激光位移传感器23通过展杆211上加工的螺纹连接孔211’与测量杆21固定连接(如图11所示)，激光位移传感器23发出激光测量传感器与喷管内壁之间的距离。测量杆的形状和激光位移传感器的数量根据喷管的内部形状和测量截圆数量来调整。
[0093]角度传感器22壳体安装在调平座架I上，角度传感器22的测试转轴与测量杆21的转轴杆211轴心相连(如图12所示)，用于测量测量杆转动的角度。
[0094]在实际应用中，发动机喷管安放与调平的过程如下:采用吊车把喷管吊起，发动机喷管口朝下，喷管缓慢下落，对接过程中观察喷管口外形边缘与三根导向杆距离一致，喷管口最终贴紧上调姿板，喷管与上调姿板不相对运动。
[0095]通过旋转上调姿板的螺母，使得上调姿板升降，使用水平尺测量喷管口角度，从而调节喷管口处于水平状态。
[0096]给传感器连接供电电源，并连接信号记录器，检查激光位移传感器发出激光束，记录器能正常接收激光位移传感器的位移信号和角度传感器的角度信号，可以开展喷管轴线测量。在测量过程中使用手动缓慢大致匀速旋转转动支架，旋转一圈测量结束。检查测量到全部激光位移数据和转角数据。
[0097]根据激光位移测量数据和转角测量数据，采用最小二乘法，拟合得到各个截圆的圆心，连接各截圆圆心得到喷管轴线。
[0098]图13示出了本发明一个实施例的发动机喷管轴线的测量方法的流程示意图。如图13所示，该实施例的发动机喷管轴线的测量方法包括:
[0099]SI31:获取喷管内壁与相应的激光位移传感器的径向距离；
[0100]S132:获取测量杆的旋转角度；
[0101]S133:根据所述喷管的内壁与相应的激光位移传感器的径向距离和所述测量杆的旋转角度获取多个截圆的圆心，连接各截圆圆心获得发动机喷管轴线。
[0102]进一步地，所述根据所述喷管的内壁与相应的激光位移传感器的径向距离和所述测量杆的旋转角度获取多个截圆的圆心，包括:
[0103]采用最小二乘拟合法对所述喷管的内壁与相应的激光位移传感器的径向距离和所述测量杆的旋转角度进行拟合，获取多个截圆的圆心。
[0104]下面结合一具体实施例对本发明的发动机喷管轴线的测量方法进行介绍。
[0105]第一步:转动支架设计
[0106]要求测量喷管内部四个截圆，以四个截圆的圆心连线作为喷管轴线。选用的激光位移传感器的测量距离为80mm-300mm，并根据喷管内部形面设计转动支架，见图9，测量杆的展杆长度小于喷管内部截圆直径约260mm，当激光位移传感器安装在测量杆的展杆上距离喷管内壁面约130mm，满足激光位移传感器的测量距离，保证转动支架和激光位移传感器不会碰到喷管内壁。
[0107]第二步:搭建旋转测量装置
[0108]下调姿板螺杆穿过调平座架底座通孔，使用上、下螺母夹持固定，通过螺母旋转调整座架上端面处于水平状态。上调姿板螺杆穿过座架顶座通孔，使用上、下螺母夹持固定。导向杆螺接在座架上，见图7。
[0109]两只轴承安放在调平座架中部的沉孔中，通过调平座架上的径向螺钉，压挤轴承外环，使得轴承与座架紧配合，见图9。测量杆的转轴杆串过两轴承的内径，转动支架转轴杆上的突台压在上轴承的内环上，转轴杆与下轴承内径间的间隙通过塞薄铁片来消除，使得转轴杆与轴承内径紧配合，见图11。
[0110]第三步:传感器安装
[0111]在测量杆的展杆端部上安装激光位移传感器。激光位移传感器通过测量杆上加工的螺纹连接孔与测量杆固定连接，激光的方向为展杆轴向，见图11。
[0112]角度传感器壳体安装在座架上，角度传感器的测试转轴与测量杆轴心相连，见图12，用于测量测量杆转动的角度。
[0113]第四步:发动机喷管安放与调平
[0114]采用吊车把喷管吊起，发动机喷管口朝下，喷管缓慢下落，对接过程中观察喷管口外形与三根导向杆距离一致，喷管口最终贴紧上调姿板，喷管与上调姿板不相对运动。
[0115]通过旋转上调姿板的螺母，使得上调姿板升降，使用水平尺测量喷管口角度，从而调节喷管口处于水平状态。
[0116]第五步，发动机喷管截圆径向距离和旋转角度测量
[0117]给传感器连接供电电源，并连接信号记录器，检查激光位移传感器发出激光束，记录器能正常接收激光位移传感器的位移信号和角度传感器的角度信号，可以开展喷管轴线测量。在测量过程中使用手动缓慢大致匀速旋转转动支架，旋转一圈测量结束。检查测量到转角数据(见图14)和全部激光位移数据。
[0118]第六步:发动机喷管轴线分析
[0119]激光位移测量数据加上传感器安装点与转轴距离得到喷管内部激光点(截圆上)与转轴距离r(见图15)。转角的测量数据单位为度，需要转化为弧度W，根据距离r和转角W，采用最小二乘法，拟合得到各个截圆及圆心，转角-距离关系曲线和截圆(拟合圆)及圆心见图16。由距离r和转角w采用最小二乘法拟合，得到截圆及圆心。连接各截圆圆心得到喷管轴线，图17示出了四个截圆和喷管轴线。
[0120]本发明提出的发动机喷管轴线的测量系统及方法还可用于其它旋转壳体件的轴线测量和圆度测量。
[0121]本发明提出的发动机喷管轴线的测量系统及方法，实现了对发动机喷管轴线的非接触式测量，避免了接触式测量对喷管内壁造成的损坏，通过多个激光位移传感器获取发动机喷管内壁的多个截圆的径向距离，通过角度传感器获取测量杆的旋转角度，根据多个截圆的径向距离和测量杆的旋转角度获取喷管的轴线，测量结果准确。
[0122]虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。
【主权项】
1.一种发动机喷管轴线的测量系统，其特征在于，包括: 调平座架(I)和旋转测量装置(2); 所述旋转测量装置(2)包括测量杆(21)，所述测量杆(21)周向自转； 所述测量杆(21)上设有角度传感器(22)和多个激光位移传感器(23); 所述多个激光位移传感器(23)位于所述测量杆(21)的不同高度上，用于测量喷管内壁与相应的激光位移传感器的径向距离； 所述角度传感器(22)位于所述测量杆(21)上，用于测量所述测量杆(21)的旋转角度； 所述测量杆(21)竖直设置于所述调平座架上(I); 所述调平座架(I)与发动机喷管的喷口相接触。2.根据权利要求1所述的发动机喷管轴线的测量系统，其特征在于，还包括信号记录与处理器； 所述信号记录与处理器与所述角度传感器(22)和多个激光位移传感器(23)相连，用于根据所述喷管的内壁与相应的激光位移传感器的径向距离和所述测量杆(21)的旋转角度获取所述喷管的轴线。3.根据权利要求1所述的发动机喷管轴线的测量系统，其特征在于，所述调平座架(I)包括第一轴承(II)和第二轴承(12); 所述测量杆(21)包括转轴杆(211)和多个展杆(212); 所述转轴杆(211)穿过所述第一轴承(11)和所述第二轴承(12)竖直设置于所述调平座架(I)上； 所述多个激光位移传感器(23)分别设置于所述多个展杆(212)上。4.根据权利要求3所述的发动机喷管轴线的测量系统，其特征在于， 所述角度传感器(22)位于所述转轴杆(211)的底部，所述角度传感器(22)的转轴与所述转轴杆(211)的轴心相连。5.根据权利要求3所述的发动机喷管轴线的测量系统，其特征在于，所述调平座架(I)的形状为三角形。6.根据权利要求3所述的发动机喷管轴线的测量系统，其特征在于，所述测量杆(21)位于发动机喷管轴线的测量系统的预定中心轴线上。7.根据权利要求3所述的发动机喷管轴线的测量系统，其特征在于，还包括: 三个上调姿板(13)和三根导向杆(15); 所述上调姿板(13)设置于所述调平座架(I)上，用于与发动机喷管的喷口相接触，调节喷口处于水平状态； 所述三根导向杆(15)分别竖直设置在所述三个上调姿板(13)远离所述测量杆(21)的位置上，以对发动机喷管的放置起导向作用。8.根据权利要求3所述的发动机喷管轴线的测量系统，其特征在于，还包括: 三个下调姿板(14); 所述三个下调姿板(14)设置于所述调平座架(I)的底部，用于调节调平座架(I)处于水平状态。9.一种利用权利要求1-8任一项所述的发动机喷管轴线的测量系统的发动机喷管轴线的测量方法，其特征在于，包括: 获取喷管内壁与相应的激光位移传感器的径向距离； 获取测量杆的旋转角度； 根据所述喷管的内壁与相应的激光位移传感器的径向距离和所述测量杆的旋转角度获取多个截圆的圆心，连接各截圆圆心获得发动机喷管轴线。10.根据权利要求9所述的发动机喷管轴线的测量方法，其特征在于，所述根据所述喷管的内壁与相应的激光位移传感器的径向距离和所述测量杆的旋转角度获取多个截圆的圆心，包括: 采用最小二乘拟合法对所述喷管的内壁与相应的激光位移传感器的径向距离和所述测量杆的旋转角度进行拟合，获取多个截圆的圆心。
【文档编号】G01B21/24GK105973188SQ201510920764
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2015年12月11日
【发明人】肖健, 张永杰, 张菩仁, 韦冰峰, 吴强, 田亚平
【申请人】北京强度环境研究所, 中国运载火箭技术研究院