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(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所，北京 100076)

1 引 言

小型飛行器的發(fā)動(dòng)機(jī)不僅是其飛行的動(dòng)力來源，其推力矢量的變化對(duì)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(duì)于多噴管結(jié)構(gòu)的發(fā)動(dòng)機(jī)，由于矢量噴管偏轉(zhuǎn)時(shí)噴管內(nèi)部流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的變化會(huì)影響發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)，必然會(huì)引起發(fā)動(dòng)機(jī)推力的變化，其影響更為顯著。因此，發(fā)動(dòng)機(jī)噴管安裝角度在實(shí)際工程方面應(yīng)得到普遍重視和關(guān)注。

一方面，發(fā)動(dòng)機(jī)噴管安裝座與發(fā)動(dòng)機(jī)殼體組成燃燒室；另一方面，它還是發(fā)動(dòng)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(shí)，雙噴管產(chǎn)生的推力呈現(xiàn)非對(duì)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(shí)受力的均衡、平穩(wěn)以及受控精度和飛行軌跡。所以對(duì)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(cè)量測(cè)量，以保證發(fā)動(dòng)機(jī)性能滿足設(shè)計(jì)技術(shù)性能指標(biāo)的要求。

目前針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)噴管基準(zhǔn)孔中心軸線偏差的測(cè)量是采用三坐標(biāo)機(jī)測(cè)量或者“芯軸法”。前者對(duì)測(cè)試設(shè)備的精度要求很高，同時(shí)要求測(cè)試人員的專業(yè)素質(zhì)較強(qiáng)。測(cè)量時(shí)需要采集多切面多點(diǎn)數(shù)據(jù)，建立虛擬坐標(biāo)系來模擬中心軸線，測(cè)量耗費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)，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(cè)量精度主要是決定于被測(cè)孔的加工精度及被測(cè)孔與測(cè)量芯軸的配合精度，測(cè)量誤差太大，而且標(biāo)準(zhǔn)芯軸尺寸為固定值，只能對(duì)單一孔徑進(jìn)行測(cè)量[3,4]。因此亟待研究新的發(fā)動(dòng)機(jī)噴管安裝基準(zhǔn)孔中心軸線角度偏差的測(cè)量方法。

2 測(cè)試原理及方法

2.1 工作原理

如圖1所示，定義兩個(gè)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(cè)量結(jié)果為

AH=A2+A1

(1)

BV=B2+B1

(2)

圖1 測(cè)試原理圖Fig.1 Test schematic

2.2 測(cè)量方法

根據(jù)上述測(cè)量原理，針對(duì)被測(cè)對(duì)象，研制出一套發(fā)動(dòng)機(jī)噴管基準(zhǔn)孔軸線誤差測(cè)量裝置，借助該裝置僅需簡(jiǎn)單的幾步，即可完成發(fā)動(dòng)機(jī)噴管基準(zhǔn)孔軸線空間角度偏差的測(cè)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(gè)雙軸光電自準(zhǔn)直儀初始零位。分別將兩個(gè)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(gè)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(cè)組件，將兩個(gè)噴管的基準(zhǔn)軸線所在平面調(diào)節(jié)至大致水平。此時(shí)兩臺(tái)光電自準(zhǔn)直儀分別對(duì)準(zhǔn)各自方向上一個(gè)靶標(biāo)的反光面，在控制系統(tǒng)上操作控制程序，即可自動(dòng)測(cè)量并計(jì)算出雙噴管基準(zhǔn)孔的角度偏差。

3 測(cè)試裝置設(shè)計(jì)

發(fā)動(dòng)機(jī)多噴管軸線角度偏差自動(dòng)測(cè)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(jì)3.1.1 主機(jī)整體設(shè)計(jì)

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(cè)量元件，兩臺(tái)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(dòng)測(cè)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(jì)

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(jì)算后，得到兩個(gè)方向上的絕對(duì)偏離值，并對(duì)一CCD器件的輸出信號(hào)進(jìn)行采集，經(jīng)圖像處理計(jì)算出兩個(gè)方向上的線量變化值，從而利用光電自準(zhǔn)直儀的基本測(cè)量公式計(jì)算出微小角度變化，從而實(shí)現(xiàn)高精度雙軸小角度變化測(cè)量的目標(biāo)[5,6]。

本裝置設(shè)計(jì)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(gè)數(shù)：3648；靈敏度：160V/lx·s。

經(jīng)過實(shí)際測(cè)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(jì)

靶標(biāo)是本測(cè)試裝置的一個(gè)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(cè)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(shí)旋轉(zhuǎn)棘輪，棘輪靠摩擦作用帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)軸在固定套筒沿螺紋內(nèi)前進(jìn)，三條測(cè)桿在驅(qū)動(dòng)軸前端錐面的推動(dòng)下均勻的向外伸出，直至與被測(cè)基準(zhǔn)孔壁接觸，則靶標(biāo)的軸線與被測(cè)基準(zhǔn)孔的軸線重合。測(cè)力驅(qū)動(dòng)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(cè)桿與被測(cè)基準(zhǔn)孔的接觸力矩，使測(cè)量時(shí)測(cè)桿既充分貼合被測(cè)基準(zhǔn)孔，又不會(huì)使被測(cè)基準(zhǔn)孔產(chǎn)生變形，在有效的保護(hù)被測(cè)件內(nèi)表面前提，達(dá)到靶標(biāo)與被測(cè)孔內(nèi)壁有效接觸、準(zhǔn)確測(cè)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(jì)

基準(zhǔn)棱體是測(cè)量設(shè)備的零位測(cè)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(cè)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(jì)

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

3.2.1信號(hào)處理模塊的設(shè)計(jì)

信號(hào)處理模塊主要完成CCD信號(hào)的整形、轉(zhuǎn)換、解析及提交系統(tǒng)存儲(chǔ)器存儲(chǔ)等操作。CCD的信號(hào)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(shí)現(xiàn)了CCD信號(hào)的采集，同時(shí)進(jìn)行信號(hào)的解析及在存儲(chǔ)器相應(yīng)存儲(chǔ)單元的存儲(chǔ)。信號(hào)反饋單元針對(duì)解析信號(hào)進(jìn)行評(píng)估，重新調(diào)整光源信號(hào)，直至信號(hào)處理端得到穩(wěn)定清晰CCD信號(hào)。

3.2.2控制模塊的設(shè)計(jì)

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(gè)CCD完成光信號(hào)的轉(zhuǎn)換，并輸出像元同步信號(hào)和楨同步信號(hào)，中央處理器交替開通X，Y軸光源，高速開關(guān)同時(shí)打開相應(yīng)的CCD測(cè)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(hào)，并在同步控制單元控制下順序存儲(chǔ)到信號(hào)存儲(chǔ)器中等待中央處理器讀出分析評(píng)估。當(dāng)一楨信號(hào)存儲(chǔ)完畢后楨同步信號(hào)觸發(fā)中央處理器中斷，此時(shí)，軟件即可讀出系統(tǒng)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析評(píng)估，得出此時(shí)返回像的重心位置相對(duì)于光軸的變化，同時(shí)根據(jù)光學(xué)測(cè)量原理公式計(jì)算反光鏡相對(duì)于光軸角度的變化。

在信號(hào)讀出后，通過軟件處理運(yùn)算評(píng)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(shí)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(jì)算機(jī)單元設(shè)計(jì)

計(jì)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(jì)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(jì)

本系統(tǒng)運(yùn)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(hào)，啟動(dòng)相應(yīng)通道的CCD曝光，CCD信號(hào)采集電路完成CCD信號(hào)的采集和數(shù)據(jù)處理，然后向上位機(jī)發(fā)送兩個(gè)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(cè)量不確定度評(píng)定

4.1 測(cè)量模型

通過將被測(cè)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(cè)量裝置進(jìn)行噴管姿態(tài)偏差測(cè)量的不確定度測(cè)量模型

β=α-s

(3)

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

4.2 測(cè)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(cè)量不確定度分量u1；

(2)基準(zhǔn)棱體兩反光面夾角引入的測(cè)量不確定度分量u2；

(3)自準(zhǔn)直儀示值誤差引入的測(cè)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(cè)量不確定度分量u4；

(5)靶標(biāo)安裝重復(fù)性引入的測(cè)量不確定度分量u5。

4.3 測(cè)量不確定度評(píng)定

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

由于該方法溯源過程中，測(cè)量裝置的各項(xiàng)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證本裝置測(cè)量結(jié)果是否符合測(cè)量不確定度分析的結(jié)果，滿足使用要求。將同一個(gè)工件分別在本測(cè)量裝置和三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)上進(jìn)行多次測(cè)量，結(jié)果如表1所示。將水平和垂直兩個(gè)方向的測(cè)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(cè)量誤差分析結(jié)果一致，滿足使用要求。但與三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)相比，本裝置的測(cè)量過程更方便，操作更簡(jiǎn)單，更適用于大規(guī)模的生產(chǎn)應(yīng)用。

表1 測(cè)試數(shù)據(jù)Tab.1 Data of test(°)序號(hào)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)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(dòng)機(jī)后球體上雙噴管基準(zhǔn)孔的軸線引出，測(cè)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(shí)現(xiàn)對(duì)噴管基準(zhǔn)孔位的測(cè)量，避免了標(biāo)準(zhǔn)芯軸法測(cè)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(dòng)測(cè)量技術(shù)，可以廣泛應(yīng)用于各種通孔的角度測(cè)量領(lǐng)域，如同軸度、垂直度等。本方法的研究對(duì)提高我國在基礎(chǔ)零件檢測(cè)設(shè)備研制方面的核心技術(shù)能力具有重要意義。