一种在位测量圆环形平面形状误差的方法与流程

本发明属于平面度误差在位测量方法，可广泛应用于如航空发动机、离心压缩机等重大工程装备的圆环形零件的平面度测量。

背景技术：

在机械零件进行装配时，装配界面的形状误差非常重要，形状误差往往会影响接触刚度和装配精度，为了精确控制装配体性能，需要测试零件的形状误差。目前，我国的很多重大装备中广泛存在大型圆环形平面，例如航空发动机中的高压、低压涡轮轴，高压压气机盘鼓等零件中就存在着大量的圆环形平面，这些高精密零件的装配问题与形状误差的检测关系十分密切，而在装配过程中工件往往不能随意转动，因而针对这些高精密零件的装配问题，进行在位测量至关重要。

逐次二点法是一种应用于直线度误差测量的重要方法，通过对多列测试数据的处理，可以获得矩形平面的平面度误差，但其处理算法能够消除传感器测头的不平齐误差，却不能分离出传感器安装过程中的支架转角误差，同时也较难应用于狭窄的环形平面的平面度误差检测中；三点法是逐次二点法的延伸，在以圆环面作为测量对象检测平面度误差时，由于三点法可以将初始对准误差分离出来，因而具有较高的测量精度，但其不能应用于在位测量，即在测量过程中传感器固定不动而要使得工件旋转，不适用于在装配过程中的形位公差测量。

本文提出了一种基于三点法的在位测量方法，该方法可以实现装配过程中对大型圆环形平面的平面度误差测量，且可以通过算法有效消除调零误差的影响，具有重要的现实意义。

技术实现要素：

针对航空发动机中具有大型圆环形平面的零件装配问题，本发明基于三点法测量圆环形平面的基本原理，结合工程实践，提出了一种针对圆环形平面平面度误差的在位测量方法。

本方法的技术方案：

一种圆环面平面度在线测量系统，应用于航空发动机轴盘与锥壁端面的平面度测量仪器结构包括调姿部分、回转部分和测量部分；

调姿部分包括调姿台5、调姿台电机4和转接板6；调姿台5用于调节沿z轴和x轴的回转角度，由调姿台电机4控制，调姿台电机4由控制器控制；z轴为垂直于调姿台5平面的轴，调整角度为0°～360°；x轴为垂直调姿台电机4轴方向的轴，调整角度为-30°～30°；转接板6的下表面连接在调姿台5台面上，其上表面一侧连接有回转分度盘底座7；

回转部分包括回转分度盘底座7和分回转分度盘1；回转分度盘底座7主体为方体框架结构，两侧表面和底面开有t型槽，t型槽与转接板6通过螺栓螺母配合连接；回转分度盘1上的齿轮与回转分度盘底座7上的齿轮啮合；回转分度盘底座7顶面设有扳手，扳手向前扳动，带动回转分度盘1向前运动，使回转分度盘1上的齿轮与回转分度盘底座7上的齿轮啮合，可以手动转动所需角度，扳手向回扳动，使回转分度盘1与回转分度盘底座7上的齿轮脱离啮合，并卡死以固定；

回转分度盘1的最小回转角度为1°，回转精度为10``，回转分度盘1台面上开有t型槽和中心孔；回转分度盘1一侧通过中心孔与传感器夹具10的心轴定位，通过t型槽和螺栓螺母2配合固定，另一侧通过齿轮与回转分度盘底座7上的齿轮啮合；

测量部分包括传感器夹具10、传感器保持架9和接触式传感器8；传感器夹具10为圆盘结构，在传感器夹具10上共布置有4组传感器插孔，其中两组为单排传感器插孔，数量为3个，另两组为双排传感器插孔，每排3个，共6个；每排传感器插孔的中心插孔位置设为0°、90°、180°和270°，中心传感器插孔两侧的传感器插孔与中心的夹角为10°；每排中所有传感器插孔与圆心的距离相等，排与排之间不相等，传感器插孔与传感器夹具10的圆心距离为100mm～300mm；单排传感器插孔用来测量法兰面上孔中心线上的形状误差，双排传感器插孔用来测量孔径向两侧的形状误差；每个传感器插孔内安装一个传感器保持架9用来固定接触式传感器8；接触式传感器8测量的数据通过rs232总线传输到上位机，在上位机内编写labview程序进行数据读取和分析。

由于要实现在位测量，即工件不动，测量仪器转动，此时测量仪器与圆环面的同轴度对测量值的影响很大，该设备可以实现对同轴度的调平，使得在位测量圆环平面度可靠性大幅提高。

本发明的有益效果：本发明实现了三点法在测量圆环面平面形状误差上的应用，同时实现了对三点法能够实现在位测量圆环面平面形状误差的算法改进，能够实现对圆环面平面形状误差的在位测量，可以大大减小零件加工工期，减小多次装夹对于零件精度的影响。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是传感器调平示意图。

图3是测量误差示意图。

图中：1回转分度盘；2螺栓螺母；3t型螺栓螺母；4调姿台电机；5调姿台；6转接板；7回转分度盘底座；8接触式传感器；9传感器保持架；10传感器夹具；11扳手。

具体实施方式

以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。

实施例

一种在位测量圆环形平面形状误差的方法，步骤如下：

步骤a：传感器夹具10上至少安装五个接触式传感器8，其中，三个接触式传感器8v1、v2和v3是测量用传感器，可安装于任一组中的任一排插孔中，但必须安装在同一排；第四个接触式传感器8v4安装于与v2夹角为90°的插孔中，且位于中心插孔；第五个接触式传感器8v5安装于与v2夹角为90°的插孔中，且位于中心插孔，其与v4对称；其中v1、v2所夹圆心角为α1，v2、v3所夹圆心角为α2，其中；α1＝α2＝α，且n为待测件上的测量点数量；

步骤b：设待测件与传感器夹具10盘面的轴的倾角为θ，每次测量时的转角为α，设v1，v2，v3三个接触式传感器8在y轴方向与待测件的距离分别为d1，d2，d3，由于安装误差很难完全调平，因此有不平度误差δ1＝d2-d1，δ2＝d3-d1，则对于第k个测量点，有：

δ′1＝δ1+rθ{cos(kα)-cos[(k+1)α]}(1)

δ′2＝δ2+rθ{cos(kα)-cos[(k+2)α]}(2)

上式表明：工件在在位测量时，调零误差δ′1和δ′2并非定值，而是转角α的函数，但我们可以通过调平过程使δ1＞＞rθ，因而可近似认为δ′1＝δ1，δ′2＝δ2；

对v2，v4，v5三个接触式传感器8测头进行调平处理，调平由调姿台5实现，调姿台5具有两个自由度，可以通过调姿台电机4调节x轴方向与z轴方向的旋转；首先调节z轴方向的旋转，使得v4和v5两传感器的读数相同，再调节x轴方向的旋转，使得v2的读数与v4和v5的读数相同；

步骤c：在调平操作后，v2，v4，v5确定一个基面；v1，v3两个接触式传感器8与此基面在y轴方向上会有一定的传感器安装误差，可以通过反复调整传感器夹具10以尽量减小差值，安装误差δ1、δ2很难完全调平，调平只能使δ1、δ2尽可能减小；

步骤d：完成步骤b和步骤c后，读取v1，v2，v3数值并记录第一组读数；然后向前扳动扳手11使回转分度盘1可以旋转，之后顺时针或逆时针转动回转分度盘1，转角为α，向后扳动扳手11使回转分度盘1固定，记录第二组读数，以此类推，读取n组读数；

设s(k)为待测件第k次测量点平面度误差在y轴方向上的分量，r(k)为传感器夹具10第k次测量点在y轴上的分量，tanγ(k)是传感器夹具平面误差导致的夹角。v1(k)、v2(k)、v3(k)分别是传感器v1、v2、v3的同组测量值，δl为两相邻测量点间的间隔，则有：

v1(k)＝s(k)+r(k)(3)

v2(k)＝s(k+1)+r(k)+δltanγ(k)(4)

v3(k)＝s(k+2)+r(k)+2δltanγ(k)(5)

令r(1)＝0，则有s(1)＝v1(1)，s(2)＝v2(1)，从而求得递推公式：

s(k+2)＝v1(k)-2v2(k)+v3(k)-s(k)+2s(k+1)(6)

当考虑安转造成的不平度误差时有：

v1(k)＝s(k)+r(k)(7)

v2(k)＝s(k+δl)+r(k)+δltanγ(k)+δ1(8)

v3(k)＝s(k+2δl)+r(k)+2δltanγ(k)+δ2(9)

利用归纳法从而可得s(k+2)的误差项为：

步骤e：读取n组读数之后继续转动回转分度盘1，读取第n+1组与第n+2组数据，用以消除初值误差。由于被测面是圆环，又有故第n+1点和第1点重合，第n+2点和第2点重合，令

a＝s(n+2)-s(2)，b＝s(n+1)-s(1)，(11)

可解出δ1和δ2的值分别为：

解出，δ1和δ2代入式(6)中，可得到s(k+2)的误差项的值δs(k+2)，则误差分离公式为