陳 平 劉文異 宋騏羽 張麗娜 姜云翔

(1.海軍裝備部北京局駐北京地區(qū)第一軍事代表室，北京 100076；2.吉林江機(jī)特種工業(yè)有限公司，吉林 132021；3.北京航天計量測試技術(shù)研究所，北京 100076)

1 引 言

小型飛行器的發(fā)動機(jī)不僅是其飛行的動力來源，其推力矢量的變化對飛行器的飛行角度和性能指標(biāo)將產(chǎn)生很大的影響。尤其對于多噴管結(jié)構(gòu)的發(fā)動機(jī)，由于矢量噴管偏轉(zhuǎn)時噴管內(nèi)部流場結(jié)構(gòu)的變化會影響發(fā)動機(jī)的工作狀態(tài)，必然會引起發(fā)動機(jī)推力的變化，其影響更為顯著。因此，發(fā)動機(jī)噴管安裝角度在實際工程方面應(yīng)得到普遍重視和關(guān)注。

一方面，發(fā)動機(jī)噴管安裝座與發(fā)動機(jī)殼體組成燃燒室；另一方面，它還是發(fā)動機(jī)噴管和彈翼的結(jié)構(gòu)載體。因此，其中心軸線與雙噴管基準(zhǔn)孔中心軸線在水平和垂直方向夾角的角度十分重要。該角度加工不準(zhǔn)確時，雙噴管產(chǎn)生的推力呈現(xiàn)非對稱性，使得噴管產(chǎn)生的總推力并不與軸線相一致，將直接影響飛行器飛行時受力的均衡、平穩(wěn)以及受控精度和飛行軌跡。所以對于后球體兩噴管安裝基準(zhǔn)孔中心軸線在水平和垂直方向的夾角，必須建立一定手段進(jìn)行測量測量，以保證發(fā)動機(jī)性能滿足設(shè)計技術(shù)性能指標(biāo)的要求。

目前針對發(fā)動機(jī)噴管基準(zhǔn)孔中心軸線偏差的測量是采用三坐標(biāo)機(jī)測量或者“芯軸法”。前者對測試設(shè)備的精度要求很高，同時要求測試人員的專業(yè)素質(zhì)較強(qiáng)。測量時需要采集多切面多點數(shù)據(jù)，建立虛擬坐標(biāo)系來模擬中心軸線，測量耗費時間長，工序復(fù)雜[1,2]。而后者由于采用類似螺紋通止規(guī)的結(jié)構(gòu)原理，其測量精度主要是決定于被測孔的加工精度及被測孔與測量芯軸的配合精度，測量誤差太大，而且標(biāo)準(zhǔn)芯軸尺寸為固定值，只能對單一孔徑進(jìn)行測量[3,4]。因此亟待研究新的發(fā)動機(jī)噴管安裝基準(zhǔn)孔中心軸線角度偏差的測量方法。

2 測試原理及方法

2.1 工作原理

如圖1所示，定義兩個靶標(biāo)之間的水平誤差和垂直誤差為AH和BV，左側(cè)靶標(biāo)和右側(cè)靶標(biāo)在XOZ平面內(nèi)的投影豎直角準(zhǔn)直儀數(shù)值分別為B1和B2，在XOY平面內(nèi)的水平投影角準(zhǔn)直儀數(shù)值分別為A1和A2，則測量結(jié)果為

AH=A2+A1

(1)

BV=B2+B1

(2)

圖1 測試原理圖Fig.1 Test schematic

2.2 測量方法

根據(jù)上述測量原理，針對被測對象，研制出一套發(fā)動機(jī)噴管基準(zhǔn)孔軸線誤差測量裝置，借助該裝置僅需簡單的幾步，即可完成發(fā)動機(jī)噴管基準(zhǔn)孔軸線空間角度偏差的測量。

將基準(zhǔn)棱體放置在安裝座上，在控制系統(tǒng)上操作控制程序，標(biāo)定兩個雙軸光電自準(zhǔn)直儀初始零位。分別將兩個靶標(biāo)安裝在噴管中，并將噴管裝卡在安裝座上。在該組件的兩個噴管的上表面放置條形水準(zhǔn)器，根據(jù)水準(zhǔn)器的指示在圓周方向微調(diào)被測組件，將兩個噴管的基準(zhǔn)軸線所在平面調(diào)節(jié)至大致水平。此時兩臺光電自準(zhǔn)直儀分別對準(zhǔn)各自方向上一個靶標(biāo)的反光面，在控制系統(tǒng)上操作控制程序，即可自動測量并計算出雙噴管基準(zhǔn)孔的角度偏差。

3 測試裝置設(shè)計

發(fā)動機(jī)多噴管軸線角度偏差自動測量裝置主要由主機(jī)、控制系統(tǒng)、靶標(biāo)和基準(zhǔn)棱體組成。

3.1 主機(jī)設(shè)計3.1.1 主機(jī)整體設(shè)計

主機(jī)的整體結(jié)構(gòu)如圖2所示，由雙軸光電自準(zhǔn)直儀、安裝座、支架等部分組成。其中雙軸光電自準(zhǔn)直儀為高精度角度測量元件，兩臺光電自準(zhǔn)直儀的光軸已通過基準(zhǔn)棱體完成零位標(biāo)定。

圖2 多噴管軸線角度偏差自動測量裝置示意圖Fig.2 Schematic diagram of automatic measuringdevice for attitude deviation of multi nozzle axis

3.1.2光電自準(zhǔn)直儀的設(shè)計

光電自準(zhǔn)直儀的工作機(jī)理描述如下：當(dāng)LED光源照亮一字分劃板后，照射到分劃板的光束經(jīng)平面反射鏡反射，其反射光線投射到線陣CCD器件上，在反射鏡上的另一維成角度變化，通過相應(yīng)的計算后，得到兩個方向上的絕對偏離值，并對一CCD器件的輸出信號進(jìn)行采集，經(jīng)圖像處理計算出兩個方向上的線量變化值，從而利用光電自準(zhǔn)直儀的基本測量公式計算出微小角度變化，從而實現(xiàn)高精度雙軸小角度變化測量的目標(biāo)[5,6]。

本裝置設(shè)計的光電自準(zhǔn)直儀采用的光學(xué)系統(tǒng)及CCD的基本參數(shù)如下：

f=200mm；D=Ф50mm；2ω=1.0°。

像元尺寸：0.007mm×0.2mm；像元個數(shù)：3648；靈敏度：160V/lx·s。

經(jīng)過實際測試，該光電自準(zhǔn)直儀的示值誤差為2″。

3.1.3靶標(biāo)的設(shè)計

靶標(biāo)是本測試裝置的一個關(guān)鍵部件，通過修研靶標(biāo)反光鏡與軸線垂直度誤差不大于±5″。靶標(biāo)由棘輪、測桿、基準(zhǔn)反光鏡等部分組成，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

在使用時旋轉(zhuǎn)棘輪，棘輪靠摩擦作用帶動驅(qū)動軸在固定套筒沿螺紋內(nèi)前進(jìn)，三條測桿在驅(qū)動軸前端錐面的推動下均勻的向外伸出，直至與被測基準(zhǔn)孔壁接觸，則靶標(biāo)的軸線與被測基準(zhǔn)孔的軸線重合。測力驅(qū)動絲桿內(nèi)裝有定力矩棘輪鎖定結(jié)構(gòu)，能夠在一定范圍內(nèi)限定測桿與被測基準(zhǔn)孔的接觸力矩，使測量時測桿既充分貼合被測基準(zhǔn)孔，又不會使被測基準(zhǔn)孔產(chǎn)生變形，在有效的保護(hù)被測件內(nèi)表面前提，達(dá)到靶標(biāo)與被測孔內(nèi)壁有效接觸、準(zhǔn)確測量的目的。

圖3 靶標(biāo)示意圖Fig.3 Target schematic

3.1.4基準(zhǔn)棱體的設(shè)計

基準(zhǔn)棱體是測量設(shè)備的零位測量基準(zhǔn)，其基體采用優(yōu)質(zhì)不銹鋼，經(jīng)過淬火、穩(wěn)定處理后，可獲得很高的硬度和良好的穩(wěn)定性。反光面位置與被測基準(zhǔn)孔的空間位置一致，經(jīng)過精密研磨，達(dá)到兩反光面法線夾角56°±2″的要求。

3.2 控制系統(tǒng)的設(shè)計

控制系統(tǒng)主要由信號處理模塊、控制模塊和計算機(jī)單元模塊組成。

3.2.1信號處理模塊的設(shè)計

信號處理模塊主要完成CCD信號的整形、轉(zhuǎn)換、解析及提交系統(tǒng)存儲器存儲等操作。CCD的信號轉(zhuǎn)換主要由A/D轉(zhuǎn)換電路完成，A/D轉(zhuǎn)換電路在同步控制單元的統(tǒng)一控制下，交替順序轉(zhuǎn)換雙軸CCD各像元的電壓值。中央CPU在邏輯控制單元的參與下，實現(xiàn)了CCD信號的采集，同時進(jìn)行信號的解析及在存儲器相應(yīng)存儲單元的存儲。信號反饋單元針對解析信號進(jìn)行評估，重新調(diào)整光源信號，直至信號處理端得到穩(wěn)定清晰CCD信號。

3.2.2控制模塊的設(shè)計

CPU采用ATMEGA128A單片機(jī)，具體的工作過程為：CCD邏輯處理單元控制兩個CCD完成光信號的轉(zhuǎn)換，并輸出像元同步信號和楨同步信號，中央處理器交替開通X，Y軸光源，高速開關(guān)同時打開相應(yīng)的CCD測量通道，同步處理單元同步控制A/D轉(zhuǎn)換器同步轉(zhuǎn)換CCD每一像元的視頻信號，并在同步控制單元控制下順序存儲到信號存儲器中等待中央處理器讀出分析評估。當(dāng)一楨信號存儲完畢后楨同步信號觸發(fā)中央處理器中斷，此時，軟件即可讀出系統(tǒng)存儲的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析評估，得出此時返回像的重心位置相對于光軸的變化，同時根據(jù)光學(xué)測量原理公式計算反光鏡相對于光軸角度的變化。

在信號讀出后，通過軟件處理運算評估后還得到CCD所敏感的光學(xué)參數(shù)，可以根據(jù)該參數(shù)的微小變化來控制光源控制單元隨時調(diào)節(jié)光強(qiáng)的大小，保證CCD工作在最佳的工作狀態(tài)。

3.2.3計算機(jī)單元設(shè)計

計算機(jī)單元主要完成CCD數(shù)據(jù)的采集、水平數(shù)據(jù)的采集以及角度關(guān)系的解算，是上位機(jī)程序的載體。本系統(tǒng)的處理計算機(jī)選用研華工控機(jī)，選用AIMB-7666VG主板，具備IntelQ35andICH90芯片組，支持800/1066/1333MHz的FSB芯片。采用QUAD的8核CPU，其支持芯片組集成顯卡，支持PCle16插槽可用于外擴(kuò)VGA卡。

3.2.4系統(tǒng)軟件設(shè)計

本系統(tǒng)運行在Windows XP Service Pack3版本操作系統(tǒng)環(huán)境下。軟件開發(fā)采用Microsoft Visual C++ 6.0 SP6工具。具體流程如下：數(shù)據(jù)的讀取采用握手的通信方式，上位機(jī)發(fā)出呼叫信號，啟動相應(yīng)通道的CCD曝光，CCD信號采集電路完成CCD信號的采集和數(shù)據(jù)處理，然后向上位機(jī)發(fā)送兩個通道的CCD數(shù)據(jù)和光強(qiáng)數(shù)據(jù)，上位機(jī)接收到數(shù)據(jù)后在顯示界面上進(jìn)行顯示。

4 測量不確定度評定

4.1 測量模型

通過將被測的任一位置角度值α與標(biāo)準(zhǔn)角度值s相比較，可得應(yīng)用本測量裝置進(jìn)行噴管姿態(tài)偏差測量的不確定度測量模型

β=α-s

(3)

式中：β——被測角度值偏差；α——被測的任一位置角度值；s——標(biāo)準(zhǔn)角度值。

4.2 測量不確定度來源

(1)高精度光電自準(zhǔn)直儀的示值誤差引入的測量不確定度分量u1；

(2)基準(zhǔn)棱體兩反光面夾角引入的測量不確定度分量u2；

(3)自準(zhǔn)直儀示值誤差引入的測量不確定度分量u3；

(4)靶標(biāo)反光面與其軸線垂直度引入的測量不確定度分量u4；

(5)靶標(biāo)安裝重復(fù)性引入的測量不確定度分量u5。

4.3 測量不確定度評定

4.3.1 高精度光電自準(zhǔn)直儀的示值誤差引入的測量不確定度分量u1

由于該方法溯源過程中，測量裝置的各項技術(shù)指標(biāo)均由高精度光電自準(zhǔn)直儀作為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測試，其最大允許誤差a1為±0.5″，取區(qū)間半寬度，則其引入的測量不確定度為

u1=a1=0.5″

(4)

4.3.2 基準(zhǔn)棱體兩反光面夾角引入的測量不確定度分量u2

(5)

4.3.3 自準(zhǔn)直儀示值誤差引入的測量不確定度分量u3

(6)

4.3.4 靶標(biāo)反光面與其軸線垂直度引入的不確定度分量u4

(7)

4.3.5靶標(biāo)安裝重復(fù)性引入的測量不確定分量u5

(8)

4.4 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度

(9)

uc=6.9″

4.5 擴(kuò)展不確定度

U=kuc

(10)

U=2×6.9″=13.8″ (k=2)

5 試驗驗證

為驗證本裝置測量結(jié)果是否符合測量不確定度分析的結(jié)果，滿足使用要求。將同一個工件分別在本測量裝置和三坐標(biāo)測量機(jī)上進(jìn)行多次測量，結(jié)果如表1所示。將水平和垂直兩個方向的測量誤差合成

(11)

合成后最大誤差emax=0.005°=18″，其結(jié)果滿足合格判據(jù)

e

(12)

通過分析可知，與測量誤差分析結(jié)果一致，滿足使用要求。但與三坐標(biāo)測量機(jī)相比，本裝置的測量過程更方便，操作更簡單，更適用于大規(guī)模的生產(chǎn)應(yīng)用。

表1 測試數(shù)據(jù)Tab.1 Data of test(°)序號三坐標(biāo)測量機(jī)測量裝置差值水平角垂直角水平角垂直角水平角垂直角合成差值156.5230.03256.5200.0300.0030.0020.004256.5260.03156.5240.0300.0020.0010.002356.5240.02856.5220.0310.002-0.0030.004456.522 0.036 56.523 0.031 -0.001 0.005 0.005556.525 0.03356.528 0.037 -0.003 -0.004 0.005656.526 0.035 56.529 0.035 -0.003 0.000 0.003756.529 0.038 56.526 0.037 0.003 0.001 0.003856.525 0.039 56.522 0.035 0.003 0.004 0.005956.523 0.038 56.527 0.037 -0.004 0.001 0.004

6 結(jié)束語

通過靶標(biāo)等效替代法將發(fā)動機(jī)后球體上雙噴管基準(zhǔn)孔的軸線引出，測量靶標(biāo)上與基準(zhǔn)孔軸線相平行的反射面法線間的夾角，用法線夾角等效替代孔軸線的夾角，實現(xiàn)對噴管基準(zhǔn)孔位的測量，避免了標(biāo)準(zhǔn)芯軸法測量結(jié)果精度偏差較大的影響。研究的多噴管軸線角度偏差自動測量技術(shù)，可以廣泛應(yīng)用于各種通孔的角度測量領(lǐng)域，如同軸度、垂直度等。本方法的研究對提高我國在基礎(chǔ)零件檢測設(shè)備研制方面的核心技術(shù)能力具有重要意義。