一种内环槽棱边倾斜角度测量系统及方法与流程

本发明涉及内环槽棱边倾斜角度测量系统及方法。

背景技术：

在电液伺服阀的制造过程中，阀芯、阀套叠合量的配磨是伺服阀制造工艺中的关键工序。航天用伺服阀对其滑阀副的叠合量(也称“搭接量”、“覆盖量”或“遮盖量”等)要求极为严格，通常为2-4μm，公差为±1μm。叠合量配磨的过程实际上就是反复的进行叠合量的测量和对阀芯磨削，直到满足设计要求。大流量伺服阀阀套棱边为内环槽形式，棱边与内环槽基准轴线不垂直对伺服阀叠合量影响极大。倾斜角度越大，导致整个伺服系统的性能越差。目前生产中对内环槽棱边倾斜角度的测量没有什么较好的方法，一般只是用高倍放大镜或显微镜观察一下棱边的情况，定性地判断是否有毛刺和塌边是否严重，无法定量地确定棱边的倾斜角度。为了保证伺服阀的质量和性能要求，急需研究适于内环槽棱边倾斜角度检测的新方法、新技术。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决现有技术无法定量测量内环槽棱边倾斜角度的问题，而提出一种内环槽棱边倾斜角度测量系统及方法。

一种内环槽棱边倾斜角度测量系统包括：供气设备、手动球阀、空气过滤器、减压阀、气动定值器、第一压力传感器、电磁阀、气动阀、前置节流喷嘴、第二压力传感器10、测量专用夹具；

供气设备的输出气流端连接手动球阀的气流输入端，手动球阀的气流输出端连接空气过滤器的气流输入端，空气过滤器的气流输出端连接减压阀的气流输入端，减压阀的气流输出端分别连接气动定值器的气流输入端和电磁阀的进气端；电磁阀的出气端连接气动阀8的控制气路进气端；

气动定值器的气流输出端连接气动阀的测量气路进气端；且在气动定值器的气流输出端和气动阀的测量气路进气端之间设置第一压力传感器；

气动阀的测量气路出气端连接前置节流喷嘴的气流输入端；

前置节流喷嘴的气流输出端连接测量专用夹具的气流输入端；且在前置节流喷嘴的气流输出端和测量专用夹具的气流输入端之间设置第二压力传感器；

扫描测量专用夹具的气流输出至大气。

一种内环槽棱边倾斜角度测量方法具体过程为：

步骤一：测量系统供气压力经过截面积为s1的圆孔形前置节流喷嘴由ⅰ气室进入ⅱ气室，ⅰ气室的背压值为pg，ⅱ气室中的背压值为pc；背压值为pc的空气通过截面积为s2的窄缝测头与被测棱边所形成的节流方孔，进入大气，大气压力值记为p0；设ⅰ气室与ⅱ气室之间的气体体积流量为q1，ⅱ气室与大气之间的气体体积流量为q2，根据q1和q2得到内环槽棱边第i个测量点的单点窄缝开度zi；

步骤二、根据内环槽棱边第i个测量点的单点窄缝开度zi，求解内环槽棱边倾斜角度：

设拟合平面方程为：z＝a0x+a1y+a2

将被测内环槽棱边旋转一周，通过步骤一得到内环槽棱边n个测量点的单点窄缝开度，并记录这些测量点在平面坐标系坐标值x、y、z，记录为(xi,yi,zi),i＝1,2,…,n；其中，xi为内环槽棱边第i个点的x轴坐标，yi为内环槽棱边第i个点的y轴坐标，zi为内环槽棱边第i个点的单点窄缝开度；

则内环槽棱边第i个点的坐标(xi,yi,zi)到平面z＝a0x+a1y+a2的距离di为：

其中，a0、a1、a2为中间变量；

按照最小二乘法原理中距离的平方和t最小，即：

最小，

其中为常数，

则公式简化为下式：

要使得s最小，应满足：

即：

整理得

解上述线形方程组，得：a0，a1，a2，进一步获得由内环槽棱边所有单点窄缝开度通过最小二乘法拟合出来的平面方程z＝a0x+a1y+a2，该平面方程平面法向量为内环槽棱边的轴线向量和与通过最小二乘法拟合出来的平面间夹角θ即为内环槽棱边的倾斜角度，表示为：

本发明的有益效果为：

本发明采用气动扫描测量方法解决了现有技术无法定量测量内环槽棱边倾斜角度的问题。测量系统供气压力经过截面积为s1的圆孔形前置节流喷嘴由ⅰ气室进入ⅱ气室，ⅰ气室的背压值为pg，ⅱ气室中的背压值为pc；背压值为pc的空气通过截面积为s2的窄缝测头与被测棱边所形成的的节流方孔，进入大气，大气压力值记为p0；设ⅰ气室与ⅱ气室之间的体积流量为q1，ⅱ气室与大气之间的体积流量为q2，根据q1和q2得到内环槽棱边第i个测量点的单点窄缝开度zi；、根据内环槽棱边第i个测量点的单点窄缝开度zi，求解内环槽棱边倾斜角度：测量分辨率可达0.1°，精度可达0.5°。

附图说明

图1为本发明装置气路图；

图2为本发明测量专用夹具图；

图3为本发明窄缝测头示意图；

图4为本发明窄缝示意图；

图5为本发明测量原理图；

图6为气动窄缝扫描测量原理图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式的一种内环槽棱边倾斜角度测量系统包括：供气设备1、手动球阀2、空气过滤器3、减压阀4、气动定值器5、第一压力传感器6、电磁阀7、气动阀8、前置节流喷嘴9、第二压力传感器10、测量专用夹具11；

供气设备1的输出气流端连接手动球阀2的气流输入端，手动球阀2的气流输出端连接空气过滤器3的气流输入端，空气过滤器3的气流输出端连接减压阀4的气流输入端，减压阀4的气流输出端分别连接气动定值器5的气流输入端和电磁阀7的进气端；电磁阀7的出气端连接气动阀8的控制气路进气端；

气动定值器5的气流输出端连接气动阀8的测量气路进气端；且在气动定值器5的气流输出端和气动阀8的测量气路进气端之间设置第一压力传感器6；

气动阀8的测量气路出气端连接前置节流喷嘴9的气流输入端；

前置节流喷嘴9的气流输出端连接测量专用夹具11的气流输入端；且在前置节流喷嘴9的气流输出端和测量专用夹具11的气流输入端之间设置第二压力传感器10；

扫描测量专用夹具11的气流输出至大气。

具体实施方式二：结合图2说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述测量专用夹具11包括电动转台12、主动转轴13、转轴壳体14、皮带15、被测试件16、测头17、气路集成块19和o型密封圈20；

主动转轴13为上面是细长圆柱体，下面台阶端面是短粗圆柱体；

测头17为上面是细长圆柱体，下面台阶端面是短粗圆柱体；

电动转台12通过螺钉固定在气路集成块19上；

主动转轴13通过螺钉固定在电动转台12上，由电动转台带动旋转；

转轴壳体14过盈安装在主动转轴13上；转轴壳体14的内孔直径略小于主动转轴13的外圆直径；转轴壳体14套在主动转轴13圆柱外；

电动转台12带动主动转轴13、转轴壳体14旋转；

测头17通过螺钉固定在气路集成块19上；

测头17和电动转台12位于气路集成块19的同一侧且平行设置；

被测试件16与测头17为间隙配合(0～0.034mm)；靠皮带14提供的拉力使被测试件16与测头17紧密接触；被测试件16的内孔直径略大于测头17的外圆直径；被测试件16套在测头17圆柱外；

测头17内部设置气道；

气动定值器5的气流输出端连接气动阀8的测量气路进气端；且在气动定值器5的气流输出端和气动阀8的测量气路进气端之间设置第一压力传感器6；

气动阀8的测量气路出气端连接前置节流喷嘴9的气流输入端；

前置节流喷嘴9的气流输出端连接测头17内部气道的气流输入端；

前置节流喷嘴9就是测量方案中的s1，电磁阀7通电，气动阀8控制气路进气，气动阀打开，测量气路通气；7断电，8控制气路不进气，气动阀关闭，测量气路不通气。

皮带15拉紧后分别套在转轴壳体14和被测试件16的外圆柱面中位(圆柱面中间)；

转轴壳体14带动皮带15旋转；皮带15带动被测试件16旋转，测头17扫描被测试件16，实现扫描功能；

所述测头17与气路集成块19之间设置o型密封圈20；

气动阀8通过螺钉固定在气路集成块19上，气动阀8的测量气路出气端对准前置节流喷嘴9的进气端，且气动阀8与测头17和电动转台12反向设置。

所述测头17的窄缝窗口对准被测试件16的被测棱边，形成方形节流口，如图3。

前置节流喷嘴9通过过盈配合(-0.003～-0.023mm)固定在气路集成块19的气孔中；

其它步骤及参数与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：所述第一压力传感器6、气动阀8、第二压力传感器10通过螺钉固定在气路集成块19上；前置节流喷嘴9过盈固定在气路集成块19上。

气动定值器5的气流输出端连接气动阀8的测量气路进气端；且在气动定值器5的气流输出端和气动阀8的测量气路进气端之间设置第一压力传感器6；

气动阀8的测量气路出气端连接前置节流喷嘴9的气流输入端；

前置节流喷嘴9的气流输出端连接测量专用夹具11的气流输入端；且在前置节流喷嘴9的气流输出端和测量专用夹具11的气流输入端之间设置第二压力传感器10；扫描测量专用夹具11的气流输出至大气。

前置节流喷嘴9就是测量方案中的s1，电磁阀7通电，气动阀8控制气路进气，气动阀打开，测量气路通气；7断电，气动阀8控制气路不进气，气动阀关闭，测量气路不通气。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：所述被测试件16和测头17之间设置球面垫圈组18；

测量专用夹具11还包括球面垫圈组18；

球面垫圈组18顶端与被测试件16底端接触，为被测试件16提供浮动支撑，避免被测试件16上下移动。

球面垫圈组18底端与测头17台阶端面过渡配合(球面垫圈组18底端与17台阶端面接触)；

其它步骤及参数与具体实施方式一至三之一相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：所述转轴壳体14外圆直径与被测试件16直径相同，带动被测试件1:1旋转。

其它步骤及参数与具体实施方式一至四之一相同。

具体实施方式六：本实施方式的一种内环槽棱边倾斜角度测量方法具体过程为：

为计算内环槽棱边倾斜角度，需要先对棱边全周多个单点跳动进行测量。本发明采用气动窄缝方法测量棱边单点跳动，如图4所示。窄缝宽度为b，单点跳动由窄缝开度zi表示。通过流经窄缝测头与棱边所形成的方孔形节流孔的流量q或测头内气室背压pc反应窄缝与被测棱边所形成的方孔过流面积s，窄缝宽度b为固定值，因此可获得棱边单点窄缝开度zi，通过旋转工件实现棱边全周多点窄缝开度z1，z2，…，zn扫描检测。

棱边单点窄缝开度测量气路原理如图5所示，s2为窄缝与棱边所形成方孔形节流孔的截面积，s1为圆孔形前置节流喷嘴的截面积，pg为测量系统供气压力，pc为前置节流喷嘴与方孔形节流孔所形成的测头内气室背压，p0为大气压力。供气压力为pg的压缩空气经截面积为s1的圆孔形前置节流喷嘴进入气室ii中(气室ii中压力为pc)，再经窄缝与棱边所形成的方孔形节流孔进入大气。通过气室ii的压力pc反应方孔的截面积，进一步计算棱边单点窄缝开度zi。

步骤一：测量系统供气压力经过截面积为s1的圆孔形前置节流喷嘴9由ⅰ气室进入ⅱ气室，ⅰ气室的背压值为pg，ⅱ气室中的背压值为pc；背压值为pc的空气通过截面积为s2的窄缝窗口与被测棱边所形成的节流方孔，进入大气，大气压力值记为p0；设ⅰ气室与ⅱ气室之间的气体体积流量为q1，ⅱ气室与大气之间的气体体积流量为q2，根据q1和q2得到内环槽棱边第i个测量点的单点窄缝开度zi；

步骤二、根据内环槽棱边第i个测量点的单点窄缝开度zi，求解内环槽棱边倾斜角度：

平面方程的一般表达式为：

ax+by+cz+d＝0

记：

则：z＝a0x+a1y+a2

其中，a、b、c、d为常数，并且a、b、c不同时为零；x、y、z为平面坐标系坐标值；a0、a1、a2为中间变量；

最小二乘法(又称最小平方法)是一种数学优化技术。它通过最小化误差的平方和寻找数据的最佳函数匹配。利用最小二乘法可以简便地求得未知的数据，并使得这些求得的数据与实际数据之间误差的平方和为最小。对于二维曲线的拟合来说，如果平面上的点到某一曲线的距离的平方和最小，那么该曲线就为采用最小二乘法的最佳曲线；同理对于三维曲面的拟合来讲，如果空间上的点到某一曲面距离的平方和最小，那么该曲面即为采用最小二乘法的最佳曲面。

设拟合平面方程为：z＝a0x+a1y+a2

将被测内环槽棱边旋转一周，通过步骤一得到内环槽棱边n个测量点的单点窄缝开度，并记录这些测量点在平面坐标系坐标值x、y、z，记录为(xi,yi,zi),i＝1,2,…,n；其中，xi为内环槽棱边第i个点的x轴坐标，yi为内环槽棱边第i个点的y轴坐标，zi为内环槽棱边第i个点的单点窄缝开度；

则内环槽棱边第i个点的坐标(xi,yi,zi)到平面z＝a0x+a1y+a2的距离di为：

其中，a0、a1、a2为中间变量；

按照最小二乘法原理中距离的平方和t最小，即：

最小，

其中为常数，可以省略，

则公式简化为下式：

要使得s最小，应满足：

即：

整理得

解上述线形方程组，得：a0，a1，a2，进一步获得由内环槽棱边所有单点窄缝开度通过最小二乘法拟合出来的平面方程z＝a0x+a1y+a2，该平面方程平面法向量为内环槽棱边的轴线向量和与通过最小二乘法拟合出来的平面间夹角θ即为内环槽棱边的倾斜角度，表示为：

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式六不同的是：所述步骤一中ⅰ气室与ⅱ气室之间的体积流量为q1具体为：

其中：

s1＝πd²/4(2)

其中q1i为ⅰ气室与ⅱ气室第i个测量点之间的体积流量，g为重力加速度，单位为n/kg；pgi为ⅰ气室第i个测量点的供气压力，表压，单位为kpa；pci为ⅱ气室第i个测量点的供气压力，表压，单位为kpa；γg为压力pgi下的空气重度，单位为n/m³；c1为通过圆孔形前置节流喷嘴的气体流量系数，s1为圆孔形前置节流喷嘴的截面积，单位为m²；d为圆孔形前置节流喷嘴圆孔直径，单位为m。

本发明采用的是低压式气动测量系统，工作压力较低，故可以将测量气体看作不可压缩流体。由于测量过程气体始终处于亚音速状态(气体流速<340m/s)，可忽略空气的压缩性，将γg、γc、c1、c2视为常数。

其它步骤及参数与具体实施方式六相同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式六或七不同的是：所述步骤一中ⅱ气室与大气之间的体积流量为q2具体为：

其中：

s2i＝bzi(4)

其中b为测头窄缝宽度，γc为压力pci下的空气重度，单位为n/m³；c2为通过窄缝与内环槽棱边所形成方孔形节流孔的气体流量系数,zi为内环槽棱边第i个测量点的单点窄缝开度，单位为m；b为窄缝宽度，单位为m；s2i为第i个测量点截面积，单位为m²；q2i为ⅱ气室与大气第i个测量点之间的体积流量。

由于测量过程气体始终处于亚音速状态(气体流速<340m/s)，可忽略空气的压缩性，将γg、γc、c1、c2视为常数。

其它步骤及参数与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式六至八之一不同的是：所述步骤一中根据q1和q2得到内环槽棱边第i个测量点的单点窄缝开度zi的具体过程为：

根据物质守恒定律，气体流过截面积为s1的圆孔形前置节流喷嘴和截面积为s2的窄缝测头与被测棱边所形成的节流方孔的体积流量是相等的，故q1＝q2，即：

设：

整理得：

式中c，d，b为常数，通过已知尺寸的标准件标定获得，pg和pc通过压力传感器采集获得。

其它步骤及参数与具体实施方式六至八之一相同。

本发明系统的工作原理：

由供气设备1提供压缩空气作为测量介质；手动球阀2用于控制压缩空气的通断；空气过滤器用于过滤压缩空气；减压阀4用于调整供气压力给气动定值器和气动阀8提供压力；气动定值器5用于调整测量压力至90kpa；第一压力传感器6用于测量压力值pg的测量；电磁阀7用于控制气动阀8控制气路的通断；气动阀8用于控制测量气路的通断，采用气动阀可以避免由阀体本身发热造成的气体体积变化；气动定值器5的输出端与前置节流喷嘴9的输入端之间为气室i；前置节流喷嘴9的输出端与扫描测量专用夹具11的输入端之间为气室ii；第二压力传感器10用于测量气室ii的压力pc。

第一压力传感器6、气动阀8、第二压力传感器10通过螺钉固定在气路集成块19上；前置节流喷嘴9通过过盈配合固定在气路集成块19上；

气动定值器5的气流输出端连接气动阀8的测量气路进气端；且在气动定值器5的气流输出端和气动阀8的测量气路进气端之间设置第一压力传感器6；

气动阀8的测量气路出气端连接前置节流喷嘴9的气流输入端；

前置节流喷嘴9的气流输出端连接测量专用夹具11的气流输入端；且在前置节流喷嘴9的气流输出端和测量专用夹具11的气流输入端之间设置第二压力传感器10；扫描测量专用夹具11的气流输出至大气。

前置节流喷嘴9就是测量方案中的s1，电磁阀7通电，气动阀8控制气路进气，气动阀打开，测量气路通气；7断电，8控制气路不进气，气动阀关闭，测量气路不通气。

图6所示为气动窄缝扫描测量原理，单点窄缝开度zi与窄缝宽带b形成的面积为si的方孔形节流口。通过气室背压pci反应单点窄缝开度zi的大小。