一种飞行器电动机安装同轴度调节方法与流程

1.本发明属于飞行器总体设计技术领域，具体涉及一种飞行器电动机安装同轴度调节方法。


背景技术：

2.典型的固定翼电动飞机包括太阳能有人机和无人机，蓄电池有人机和无人机、燃料电池有人机和无人机等，其相比传统的燃油飞机而言具有节能环保、安全可靠、使用简便、用途广泛、效费比高等特点，目前已在世界范围内受到了广泛关注并开展了大量技术验证与科研试飞工作。为提升固定翼电动飞机的航程、航时、升限等性能指标，所有机型通常采用电动机+螺旋桨的高可靠高效率动力系统推进方式，且在设计和生产制造过程中采用全复合材料工艺与技术，以进一步降低飞机自重。由于固定翼电动飞机翼展通常更大，而其使用的全复合材料工艺操作人员技能经验、熟练水平、设备模具、原材料属性等密切相关，导致所生产出来的产品相比传统金属制造飞机而言在精度、刚度、成型形式等控制方面更加困难，造成了机体结构与安装在其上面的电动机同轴度和理论设计值存在较大偏差，通常难以一次性满足设计规定的偏差要求。这种同轴度偏差会在电动机高速旋转时引起飞机非预期的拉力(推力)分量或力矩分量，引起机体结构振动，给飞行员操纵或无人机飞控系统的控制带来较大的不利影响，埋下安全隐患，影响飞行品质，因此必须对飞机机体结构和电动机同轴度进行精确测量与调节。传统的同轴度控制一般由控制单个零部件的通州度精度进行保证，在装配时采用定位孔、专用工装等进行限制校正，该过程要求操作人员技术水平较高，难度较大、效率较低、劳动强度大，且测量与调节精度有限。传统飞机在进行关键部件的同轴度调节时除采用专用工装外，还会在机体结构相关区域预留部分机械接口来进一步保证同轴度，但对大翼展全复合材料固定翼电动飞机而言，一方面大翼展下同轴度人工操作不便，有一定制约，另一方面，由于其制造误差控制精度相对较差，为保证飞行性能不会进行复杂的机械接口设计而避免增重，此外一般还要求户外维修简单和成本低，因此，传统的各种同轴度调节方法因采用复杂度高、体积笨重以及成本较高的专用工装，不能适应户外维修的要求，必须根据固定翼电动飞机自身特点发展简单可靠、灵活实用的同轴度调节方法。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种飞行器电动机安装同轴度调节方法。本发明方案能够解决上述现有技术中存在的问题。
4.本发明的技术解决方案：
5.一种飞行器电动机安装同轴度调节方法，包括以下步骤：
6.确定飞行器理论三维模型和坐标系；
7.对飞行器安装电动机的局部外形扫描测绘；
8.将飞行器局部外形测绘的数据和飞行器理论三维模型的相同部分在飞行器坐标
系下进性拟合处理，获得飞行器局部外形的模型；
9.对电动机的外形进行扫描测绘；
10.对获得的电动机外形测绘数据在飞行器坐标系下进行计算处理，获得电动机的轴线；
11.计算电动机的轴线和机身坐标系的同轴度偏差；
12.根据同轴度偏差计算同轴度调节量；
13.根据同轴度调节量计算电动机安装位置的调节角度和厚度；
14.根据电动机安装位置的调节角度和厚度，安装调节垫片，完成飞行器电动机安装同轴度调节。
15.进一步的，所述的电动机的轴线和机身坐标系的同轴度偏差包括电动机轴线在xoy平面上的投影与机身y轴的偏差角绝对值α，以及电动机轴线在xoz平面上的投影与机身z轴的偏差角绝对值β。
16.进一步的，所述的同轴度调节量ε＝ε
α-ε
β
，其中ε
α
＝(r1+r2sinφ)sinα，ε
β
＝(r1+r2cosφ)sinβ，r1为法兰盘的外半径，r2为安装孔所在的中半径，φ为铜箔位置在yoz平面内相对于oz轴的夹角，规定逆时针为正。
17.进一步的，对所述的同轴度调节完成后进行校验，若同轴度不符合要求，则返回重新对电动机外形进行扫描测量，再次进行同轴度调节，直到符合要求。
18.本发明与现有技术相比的有益效果：
19.(1)本发明操作简单，对操作人员的技术要求不高，并且劳动强度小、速度快；
20.(2)本发明不需要采用定位孔、专用工装等进行限制校正，便于野外作业进行调整和维护；
21.(3)本发明不需要复杂的机械接口设计，从而避免无人机的增重。
附图说明
22.所包括的附图用来提供对本发明实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本发明的实施例，并与文字描述一起来阐释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
23.图1示出了根据本发明实施例提供的一种飞行器电动机安装同轴度调节方法步骤示意图；
24.图2为本发明实施例提供的一种固定翼电动飞机电动机安装同轴度调节方法中机身与电动机通过法兰盘连接示意图；
25.图3为本发明实施例提供的一种固定翼电动飞机电动机安装同轴度调节方法中偏移角示意图；
26.图4为本发明实施例提供的一种固定翼电动飞机电动机安装同轴度调节方法中铜箔调整示意图。
27.附图中的标号含义：
28.1、螺旋桨；2、电动机；3、法兰盘；4、机身；5、铜箔；6、安装孔。
具体实施方式
29.需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
30.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本技术的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
31.除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
32.如图1所示，根据本发明实施例提供一种飞行器电动机安装同轴度调节方法，包括以下步骤：
33.步骤一，确定飞行器理论三维模型和坐标系；
34.飞行器理论三维模型可从生产厂家获得，可以直接在软件中导入，采用stp格式、igs格式等标准格式，确定飞行器的坐标原点和坐标系，在一个实施例中，原点o为无人机理论顶点，如机头最前端端点，测量坐标系x轴沿机身纵向理论轴线且指向尾部为正，y轴在机身纵向对称面内并垂直于x轴且向上为正，z轴按照右手定则确定且垂直于机体纵向对称面并规定顺航向向左侧为正。
35.步骤二，对飞行器安装电动机的局部外形扫描测绘；
36.在室内无干扰或室外无风条件下，采用激光跟踪仪对飞行器机身中安装电动机的部位区域选取部分站位进行外形扫描。由于机身通常沿xoy平面纵向对称，所扫描的站位部分应包括xoy对称平面的两侧，在一个实施例中，为增加可操作性与实用性，所扫描的机身数据点不要求严格控制在yoz平面内，可利用截面投影进行数据拟合处理，得到完整的飞行器安装电动机的局部外形。
37.步骤三，将飞行器局部外形测绘的数据和飞行器理论三维模型的相同部分在飞行器坐标系下进性拟合处理，从而获得飞行器局部外形的模型；
38.以步骤一中的飞行器理论模型顶点o作为扫描数据参考点，将扫描的飞行器局部外形测绘的数据进行数据拟合处理并与理论外形进行匹配移动，确保扫描外形数据与理论外形对应的坐标重合，从而实现激光跟踪仪参考坐标系及其原点与飞行器坐标系及其顶点一致。
39.步骤四，对电动机的外形进行扫描测绘；
40.在电动机轴向选取部分站位并在对应站位上紧贴电动机截面圆周外表进行扫描测绘，获得有效扫描数据。在一个实施例中，在电动机轴向选取部分站位并在对应站位上紧贴电动机截面圆周外表进行扫描测绘，获得有效扫描数据。优选的，为增加可操作性与实用性，所扫描的机身数据点不要求严格控制在yoz平面内，可利用截面投影进行数据拟合处理。
41.步骤五，对获得的电动机外形测绘数据在飞行器坐标系下进行拟合处理，获得电动机的轴线；
42.将电动机外形测绘数据转换到飞行器坐标下，获取电动机当前轴线坐标，截取所得轴线的小部分，确定该部分的起点坐标(x
start
,y
start
,z
start
)和终点坐标(x
end
,y
end
,z
end
)，坐标点中三分量正负性与步骤1中规定的x轴、y轴、z轴正负方向一致。
43.步骤六，计算电动机的轴线和飞行器坐标系的同轴度偏差；
44.进一步的在一个实施例中，电动机的轴线和机身坐标系的同轴度偏差包括电动机轴线在xoy平面上的投影与机身y轴的偏差角绝对值α，以及电动机轴线在xoz平面上的投影与机身z轴的偏差角绝对值β。
[0045][0046][0047]
其中，α和β的单位为分，若y
end-y
start
＜0，表示电动机轴线沿oy轴上偏，若y
end-y
start
＞0，表示电动机轴线下偏，若y
end-y
start
＝0，表示电动机轴线在oy方向上与机身轴线重合；若z
end-z
start
＜0，表示电动机轴线顺航向左偏，若z
end-z
start
＞0，表示电动机轴线顺航向右偏，若z
end-z
start
＝0，表示电动机轴线沿oz方向与机身轴线重合；符号||表示绝对值运算。
[0048]
步骤七，根据同轴度偏差计算同轴度调节量；
[0049]
在一个实施例中，由于电动机与机身连接一般是通过法兰盘将电动机安装在机身前端或尾部的加强框上，而机身加强框和电动机法兰盘均包括生产制造误差且二者的偏差量具有一定的随机性，因此可通过粘贴调节垫片来调节法兰盘与加强框之间局部区域实现同轴度匹配。假设法兰盘的外半径为r1，安装孔所在的中半径为r2，法兰盘的内半径为r3，调节垫片粘贴位置在相邻两个安装孔之间的中半径位置处，若电动机轴线相对于机身轴线沿oz轴表现为上偏或下偏，则在调节时以平行于oz轴且与法兰盘外径处相切的直线为旋转轴，需要调节的高度ε
α
计算如下：
[0050]
ε
α
＝(r1+r2sinφ)sinα
[0051]
其中，φ为调节垫片位置在yoz平面内相对于oz轴的夹角，规定逆时针为正。与上面过程类似，若电动机轴线相对于机身轴线沿oy轴表现为左偏或右偏，则在调节时以平行于oy轴且与法兰盘外径处相切的直线为旋转轴，需要调节的高度ε
β
计算如下
[0052]
ε
β
＝(r1+r2cosφ)sinβ
[0053]
至此，可得在yoz平面内任意一点处需要调节的高度ε为
[0054]
ε＝ε
α-ε
β
[0055]
步骤八，根据同轴度调节量计算电动机安装位置的调节角度和厚度；
[0056]
在一个实施例中，根据法兰盘安装孔实际分布情况选取典型φ值，得到不同φ下所对应位置处偏离高度。如果某一φ下的偏离高度ε＜0，则表示该位置偏低而需要进行垫高处理；如果ε＝0，则表示该位置不偏而不需要进行任何处理；如果ε＞0，则表示该位置偏高而需要进行降高处理，由于粘贴调节垫片无法进行降高操作，此时可转化为在该位置沿其与圆心连线方向上相对称的位置上进行等量增高处理，从而实现电动机法兰盘与机身加强框接触面间的调节。
[0057]
步骤九，根据电动机安装位置的调节角度和厚度，安装调节垫片，完成飞行器电动机安装同轴度调节。
[0058]
在一个实施例中，假设调节垫片单层厚度为d，某一φ值处对应的偏离量为ε，则需要垫高的铜箔层数n如下所示。
[0059][0060]
其中，符号||表示绝对值运算。如果计算所得n为小数，则对n四舍五入取整。
[0061]
步骤十，对同轴度调节完成后进行校验，若同轴度不符合要求，则返回重新对电动机外形进行扫描测量，再次进行同轴度调节，直到符合要求。
[0062]
为了对本发明提供的一种飞行器电动机安装同轴度调节方法有更进一步了解，下面结合具体实例及附图进行详细说明。
[0063]
假设在总体设计要求中规定电动机安装轴线与机身轴线之间的偏差不超过5’，且根据图2所示的电动机与机身安装连接形式进行连接。
[0064]
步骤一，确定飞行器理论三维模型和坐标系；
[0065]
步骤二，对飞行器安装电动机的局部外形扫描测绘；
[0066]
步骤三，将飞行器局部外形测绘的数据和飞行器理论三维模型的相同部分在飞行器坐标系下进性拟合处理；
[0067]
步骤四，对电动机的外形进行扫描测绘；
[0068]
步骤五，对获得的电动机外形测绘数据在飞行器坐标系下进行拟合处理，获得电动机的轴线；
[0069]
对电动机外形扫描数据进行拟合处理后，获得拟合出的电动机当前轴线部分段起始和终点坐标分别为(173.83,-1.82,0.30)和(240.00,-1.76,0.12)，其中坐标单位分别为mm。
[0070]
步骤六，计算电动机的轴线和飞行器坐标系的同轴度偏差；
[0071]
结合图3，分别计算偏差角绝对值α和β如下所示。
[0072][0073][0074]
由偏移规定可知，电动机轴线沿oy轴下偏，且下偏角为3.12’，电动机沿oz轴顺航向左偏，且左偏角为9.35’，不满足设计要求的不大于5’的要求。
[0075]
步骤七，根据同轴度偏差计算同轴度调节量，根据同轴度调节量计算电动机安装
位置的调节角度和厚度；
[0076]
结合图4，计算电动机同轴度调节量。假设图3中法兰盘外半径r1为44mm，中半径r2为35mm，内半径r3为30mm，法兰盘径向均匀分布有8个安装孔，在同轴度调整时将铜箔粘贴在每两个安装孔之间的位置，则这些位置对应的φ1～φ8角度分别为22.5
°
、67.5
°
、112.5
°
、157.5
°
、202.5
°
、247.5
°
、292.5
°
、337.5
°
。可分别计算得到调节量如下所示。
[0077][0078][0079][0080][0081][0082][0083][0084][0085]
其中表示对应角度为φ1处的调节量，表示步骤7中对应角度为φ1处的ε
α
值大小，表示步骤7中对应角度为φ1处的ε
β
值大小。与之类似，其他对应值表示其他φ值处的数值大小。由计算结果可知，在φ1、φ2、φ3、φ5、φ6、φ7、φ8处对应的垫高厚度为负值，表示该站位处需要进行增高处理，而φ4处对应的垫高厚度为正值，表示该处需进行降高处理，则转换为站位φ4与圆心连线方向上相对称的位置上φ8处进行等量增高处理。
[0086]
步骤八，根据电动机安装位置的调节角度和厚度，安装调节垫片，
[0087]
根据上述结果计算不同站位处的调节垫片的层数，在本实施例中，调节垫片采用铜箔，在其他实施例中可采用其他材质制作。假设铜箔单层厚度为0.03mm，则φ角度分别为22.5
°
、67.5
°
、112.5
°
、157.5
°
、202.5
°
、247.5
°
、292.5
°
、337.5
°
处对应的需要垫高的铜箔层数分别为
[0088][0089]
[0090][0091][0092][0093][0094][0095][0096]
由计算结果可知，需要在站位φ1处垫高铜箔5层，在φ2处垫高铜箔3层，在φ3处不进行垫高处理，在φ4处不进行垫高处理，在φ5处不进行垫高处理，在φ6处垫高铜箔2层，在φ7处垫高铜箔5层，在φ8处垫高铜箔7层(含φ8处本身的6层和φ4处转换到φ8处的1层)。
[0097]
完成上述铜箔层数在对应站位处的垫高处理后，可满足机身与电动机同轴度调节要求。采用激光跟踪仪对机身与电动机同轴度一致性进行复测，考虑到测量误差，两者之间可能还存在一定偏差，但该偏差很小，一般均能满足总体设计要求。
[0098]
综上，本发明提供的一种飞行器电动机安装同轴度调节方法，相比于现有技术至少具有以下优势：
[0099]
(1)本发明操作简单，对操作人员的技术要求不高，并且劳动强度小、速度快；
[0100]
(2)本发明不需要采用定位孔、专用工装等进行限制校正，便于野外作业进行调整和维护；
[0101]
(3)本发明不需要复杂的机械接口设计，从而避免无人机的增重。
[0102]
为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在
……
之上”、“在
……
上方”、“在
……
上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在
……
上方”可以包括“在
……
上方”和“在
……
下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
[0103]
此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
[0104]
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。