一种测量与计算两根转轴夹角的方法与流程

1.本技术涉及航空发动机的领域，尤其是涉及一种测量与计算两根转轴夹角的方法。


背景技术：

2.在航空发动机装配过程中，为了保证两根连接的转轴在工作时平稳转动，需要测量和控制两根转轴的夹角。当两根连接的轴夹角过大并超过设计要求时，发动机运转工作时两根轴的连接处会产生异常磨损，有可能达不到其设计寿命，并导致其提前报废。
3.在传统测量方案中，我们常常会使用移动三坐标检测仪、激光跟踪仪等成熟的设备和检测方法对两根轴外露的基准面进行采点，在计算机软件程序中拟合出两根轴的中轴线，然后计算它们的夹角。但是航空发动机结构复杂，在整机状态下测量两根轴的夹角不一定能找到较为合适的外露基准面。此时三坐标检测仪、激光跟踪仪等传统测量方案便不适用了。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本技术提供一种测量与计算两根转轴夹角的方法，解决两根转轴径向基准面不完全外露时测量与计算夹角的问题。
5.本技术提供的一种测量与计算两根转轴夹角的方法采用如下的技术方案：
6.一种测量与计算两根转轴夹角的方法，包括如下步骤：
7.选取与两根转轴的轴线交叉的第一光滑平面，将所述第一光滑平面作为基准面，所述第一光滑平面在测试过程中相对发动机静子保持静止；
8.在第一根转轴上固定安装位移传感器，位移传感器的测量方向平行于第一根转轴的轴线方向，驱动第一根转轴旋转一周，使用第一根转轴上的位移传感器测量所述第一光滑平面的端面跳动并获取第一测量结果，测量第一测量结果中最小值对应的第一根转轴的角位移α；
9.根据第一测量结果获取第一根转轴和第一光滑平面的夹角α1；
10.将第二根转轴的一端与第一根转轴的一端装配在一起，在第二根转轴上固定安装位移传感器，位移传感器的测量方向平行于第二根转轴的轴线方向，驱动第一根转动带动第二根转轴旋转一周，使用第二根转轴上的位移传感器测量第一光滑平面的端面跳动并获取第二测量结果，测量第二测量结果中最小值对应的第一根转轴的角位移β；
11.根据第二测量结果获取第二根转轴和第一光滑平面的夹角β1；
12.在三维笛卡尔坐标系中绘制出第一根转轴的方向向量a和第二根转轴的方向向量b：a＝(-cosα，-inα，cotα1)，b＝(cosβ，sinβ，cotβ1)；
13.根据向量内积的定义求解两根转轴的夹角，两根转轴的夹角通过用下式求得：
14.可选的，根据第一测量结果获取第一根转轴和第一光滑平面的夹角α1的步骤包
括：
15.获取量第一测量结果中的最小值t
1min
和最大值t
1max
，其中，r1为第一根转轴上位移传感器的旋转半径。
16.可选的，根据第二测量结果获取第二根转轴和第一光滑平面的夹角β1的步骤包括：
17.获取量第二测量结果中的最小值t
2min
和最大值t
2max
，其中，r2为第二根转轴上位移传感器的旋转半径。
18.可选的，在三维笛卡尔坐标系中绘制出第一根转轴的方向向量a和第二根转轴的方向向量b：a＝(-cosα，-inα，cotα1)，b＝(cosβ，sinβ，cotβ1)的步骤包括：
19.以第一光滑平面为x-y平面建立三维笛卡尔坐标系，确定第一根转轴的角位移零位并在x-y平面上建立极坐标系，将极坐标系的原点和三维笛卡尔坐标系的原点重合，将极坐标系的零位移方向与三维笛卡尔坐标系的x正方向重合；
20.根据第一根转轴的角位移α以及第一根转轴和第一光滑平面的夹角α1在三维笛卡尔坐标系上绘制第一根转轴的中轴线方向向量根据第二根转轴的角位移β以及第二根转轴和第一光滑平面的夹角β1在三维笛卡尔坐标系上绘制第二根转轴的中轴线方向向量设a、b两点分别在x-y平面的投影点a’、b’均在以原点o为圆心的单位圆上，在线段oa的反向延长线上作一点c，使线段oa与线段oc等长，则向量与向量互为相反向量，第一根转轴与第二根转轴的夹角可以用向量与向量的夹角表示，的夹角表示，的夹角表示，与向量互为相反向量，
21.得到
[0022][0023]
可选的，将a和b代入得到两根转轴的夹角为：
[0024][0025]
可选的，还包括将驱动电机和角位移传感器安装在第一根转轴上，所述驱动电机驱动第一根转轴转动，所述角位移传感器测量第一根转轴的角位移。
[0026]
可选的，将光信号收发器安装在第一根转轴上，将零位反射镜安装在静子零件上并在测试过程中保持位置不变，所述静子零件相对驱动电机固定设置，当光信号收发器发出的信号被零位反射镜接收并反射且光信号收发器接收到零位反射镜发射的信号时，第一根转轴的角位移为零位。
[0027]
可选的，光信号收发器旋转到零位反射镜方向发出并接受到信号时，将零位信号传递到计算机中，计算机将此时第一根转轴的方位标记为系统的角位移零位，计算机校准角位移传感器的输出信号，实时得到第一根转轴相对零位的角位移。
[0028]
综上所述，本技术包括以下有益技术效果：
[0029]
本技术通过引入第三光滑平面，在转动第一根转轴时获取第一根转轴上的位移传感器测量第一光滑平面的端面跳动并获取第一测量结果，在第二根转轴转动时获取第二根转轴上的位移传感器测量第一光滑平面的端面跳动并获取第二测量结果，获取两根转轴分别与光滑平面的夹角，以及获取第一测量结果中和第二测量结果中最小值对应的第一根转轴的角位移α和β，最后在三维笛卡尔坐标系中绘制出第一根转轴和第二根转轴的方向向量，根据向量内积的定义求解两根转轴的夹角解决了两根转轴径向基准面不完全外露时测量与计算夹角的问题。
附图说明
[0030]
为了更清楚地说明本技术实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，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它的附图。
[0031]
图1为本技术测量与计算两根转轴夹角的方法结构示意图；
[0032]
图2为本技术第一根转轴上的位移传感器测量第一光滑平面的端面跳动示意图；
[0033]
图3为本技术第一根转轴和第一光滑平面角度关系示意图；
[0034]
图4为本技术第二根转轴上的位移传感器测量第一光滑平面的端面跳动示意图；
[0035]
图5为本技术第二根转轴和第一光滑平面角度关系示意图；
[0036]
图6为本技术第一根转轴的中轴线三维空间向量示意图；
[0037]
图7为本技术第二根转轴的中轴线三维空间向量示意图；
[0038]
图8为本技术第一根转轴和第二根转轴的中轴线夹角示意图。
[0039]
附图标记说明：1、第一根转轴；2、第二根转轴；3、第一光滑平面；4、驱动电机；5、角位移传感器；6、光信号收发器；7、零位反射镜；8、位移传感器；9、计算机；10、第一夹具；11、第二夹具。
具体实施方式
[0040]
下面结合附图对本技术实施例进行详细描述。
[0041]
以下通过特定的具体实例说明本技术的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本技术的其他优点与功效。显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。本技术还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本技术的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本技术中的实施例，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，都属于本技术保护的范围。
[0042]
要说明的是，下文描述在所附权利要求书的范围内的实施例的各种方面。应显而易见，本文中所描述的方面可体现于广泛多种形式中，且本文中所描述的任何特定结构及/或功能仅为说明性的。基于本技术，所属领域的技术人员应了解，本文中所描述的一个方面可与任何其它方面独立地实施，且可以各种方式组合这些方面中的两者或两者以上。举例来说，可使用本文中所阐述的任何数目个方面来实施设备及/或实践方法。另外，可使用除了本文中所阐述的方面中的一或多者之外的其它结构及/或功能性实施此设备及/或实践
此方法。
[0043]
还需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本技术的基本构想，图式中仅显示与本技术中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
[0044]
另外，在以下描述中，提供具体细节是为了便于透彻理解实例。然而，所属领域的技术人员将理解，可在没有这些特定细节的情况下实践所述方面。
[0045]
本技术实施例提供一种测量与计算两根转轴夹角的方法。
[0046]
一种测量与计算两根转轴夹角的方法，包括如下步骤：
[0047]
如图1所示，选取与两根转轴的轴线交叉的第一光滑平面3，将所述第一光滑平面3作为基准面，第一光滑平面3在测试过程中相对发动机静子保持静止。
[0048]
在第一根转轴1上固定安装位移传感器8，位移传感器8的测量方向平行于第一根转轴1的轴线方向，驱动第一根转轴1旋转一周，使用第一根转轴1上的位移传感器8测量第一光滑平面3的端面跳动并获取第一测量结果t1，测量第一测量结果中最小值对应的第一根转轴1的角位移α。其中，使用第一根转轴1上的位移传感器8测量第一光滑平面3的端面跳动并获取第一测量结果t1的过程，可以理解为在第一根转轴1旋转一周的过程中，第一根转轴1上的位移传感器8测量出第一根转轴1旋转至不同位置时第一根转轴1上的位移传感器8到第一光滑平面3的距离，将测量的若干个距离值作为第一测量结果t1，也就是将随第一根转轴1角位移的不同而变化的第一根转轴1上位移传感器8的测量出的距离作为第一测量结果t1。
[0049]
根据第一测量结果获取第一根转轴1和第一光滑平面3的夹角α1。
[0050]
将第二根转轴2的一端与第一根转轴1的一端装配在一起，在第二根转轴2上固定安装位移传感器8，位移传感器8的测量方向平行于第二根转轴2的轴线方向，驱动第一根转动带动第二根转轴2旋转一周，使用第二根转轴2上的位移传感器8测量第一光滑平面3的端面跳动并获取第二测量结果t2，测量第二测量结果中最小值对应的第一根转轴1的角位移β。其中，使用第二根转轴2上的位移传感器8测量第一光滑平面3的端面跳动并获取第二测量结果t2的过程，可以理解为在第二根转轴2旋转一周的过程中，第二根转轴2上的位移传感器8测量出第二根转轴2旋转至不同位置时第二根转轴2上的位移传感器8到第一光滑平面3的距离，将测量的若干个距离值作为第二测量结果t2；也就是将随第二根转轴2角位移的不同而变化的第二根转轴2上位移传感器8的测量出的距离作为第二测量结果t2。
[0051]
根据第二测量结果获取第二根转轴2和第一光滑平面3的夹角β1。
[0052]
在三维笛卡尔坐标系中绘制出第一根转轴1的方向向量a和第二根转轴2的方向向量b：a＝(-cosα，-sinα，cotα1)，b＝(cosβ，sinβ，cotβ1)；
[0053]
在三维空间中计算向量a、b以及两根转轴的夹角根据向量内积的定义求解两根转轴的夹角，两根转轴的夹角通过用下式求得：
[0054][0055]
具体的，本技术的方法在开始测量之前进行测量设备的安装。将驱动电机4和角位移传感器5安装在第一根转轴1上，所述驱动电机4驱动第一根转轴1转动，所述角位移传感器5测量第一根转轴1的角位移，第一根转轴1的角位移作为系统的角位移。将光信号收发器
6安装在第一根转轴1上，将零位反射镜7安装在静子零件上，所述静子零件相对驱动电机4固定设置，当光信号收发器6发出的信号被零位反射镜7接收并反射且光信号收发器6接收到零位反射镜7发射的信号时，第一根转轴1的角位移为零位。光信号收发器6旋转到零位反射镜7方向发出并接受到信号时，将零位信号传递到计算机9中，计算机9将该方位标记为系统零位，计算机9校准角位移传感器5的输出信号，实时得到第一根转轴1相对零位的角位移。
[0056]
在一个实施例中，在整个系统中零位反射镜7和第一光滑平面3相对发动机静子固定不变的基准。第一根转轴1通过轴承安装在发动机的安装座上，驱动电机4与第一根转轴1刚性连接，以驱动第一根转轴1匀速转动，角位移传感器5与驱动电机4刚性连接并可实时测量第一根转轴1旋转的角位移，并将测量的信号传递到计算机9中。零位反射镜7固定在静子零件上的特定方向，当第一根转轴1旋转时，光信号收发器6旋转到零位反射镜7方向发出并接受到信号时，将零位信号传递到计算机9中，计算机9将此时第一根转轴1的方位标记为系统的角位移零位。此时计算机9校准角位移传感器5的输出信号，可以实时得到相对于系统零位的角位移数据。
[0057]
第一根转轴1上的位移传感器8通过第一夹具10固定在第一根转轴1上，位移传感器8、第一夹具10和第一根转轴1形成刚性连接。位移传感器8测量方向平行于第一根转轴1的轴线，当第一根转轴1旋转时，位移传感器8可以测量第一光滑平面3的端面跳动，并将位移信号传递到计算机9中。第二根转轴2上的位移传感器8通过第二夹具11固定在第二根转轴2上时，此时位移传感器8、第二夹具11和第二根转轴2形成刚性连接。位移传感器8测量方向平行于第二根转轴2的轴线，当第一根转轴1带动第二根转轴2共同旋转时，位移传感器8可以测量第一光滑平面3的端面跳动，并将位移信号传递到计算机9中。
[0058]
第一光滑平面3的是平面度很高的表面，可以是发动机上自身结构的高精度基准面，也可以是为了本系统测量准确而设计制造的工装工具上的高精度基准面。本方法中最终的测量计算结果受到第一光滑平面3自身平面度的影响可忽略不计。
[0059]
如图2和图3所示，根据第一测量结果获取第一根转轴1和第一光滑平面3的夹角α1的步骤包括：
[0060]
在第二根转轴2没有装配到第一根转轴1上，第二根转轴2通过轴承安装在发动机安装座上，驱动电机4驱动第一根转轴1转动，第一根转轴1旋转一周，第一根转轴1上的位移传感器8测量的第一光滑平面3的端面跳动的第一测量结果的数据为t1，从第一测量结果t1中获取最大值t
1max
和最小值t
1min
，第一根转轴1上的位移传感器8在测量出最大值t
1max
和最小值t
1min
的两个位置分别对应系统角位移相差180
°
，由此得到
[0061]
其中，r1为第一根转轴1上位移传感器8的旋转半径；并获取第一测量结果中最小值t
1min
对应的系统角位移α。
[0062]
如图4和图5所示，根据第二测量结果获取第二根转轴2和第一光滑平面3的夹角β1的步骤包括：
[0063]
将第二根转轴2以与第一根转轴1同轴的方式装配在第一根转轴1上，理想状态时，第一根转轴1和第二根转轴2同轴，但是，由于安装误差，第一根转轴1和第二根转轴2的轴线存在夹角。驱动电机4驱动第一根转轴1转动，第一根转轴1带动第二根转轴2转动，第二根转轴2旋转一周，第二根转轴2上的位移传感器8测量的第一光滑平面3的端面跳动的第二测量
结果的数据为t2，从第二测量结果t2中获取最大值t
2max
和最小值t
2min
，第二根转轴2上的位移传感器8在测出最大值t
2max
和最小值t
2min
的两个位置分别对应系统角位移相差180
°
，由此得到
[0064]
其中，r2为第二根转轴2上位移传感器8的旋转半径。获取第二测量结果中最小值t
2min
对应的系统角位移β。
[0065]
如图6-8所示，以第一光滑平面3为x-y平面建立三维笛卡尔坐标系，将零位反射镜7的角位移设为系统的角位移零位并在x-y平面上建立极坐标系，将极坐标系的原点和三维笛卡尔坐标系的原点重合，将极坐标系的零位移方向与三维笛卡尔坐标系的x正方向重合。根据第一根转轴1的角位移α以及第一根转轴1和第一光滑平面3的夹角α1在三维笛卡尔坐标系上绘制第一根转轴1的中轴线方向向量根据第二根转轴2的角位移β以及第二根转轴2和第一光滑平面3的夹角β1在三维笛卡尔坐标系上绘制第二根转轴2的中轴线方向向量设a、b两点分别在x-y平面的投影点a’、b’均在以原点o为圆心的单位圆上，单位圆为的半径为1。在线段oa的反向延长线上作一点c，使线段oa与线段oc等长，则向量与向量互为相反向量。第一根转轴1与第二根转轴2的夹角可以用向量与向量的夹角表示。
[0066]
如图6所示，可以得到a点坐标为经过三角函数变换后可得以下关系：
[0067][0068]
将式2-1带入式2-3可得：
[0069][0070]
所以a点坐标可以表示为
[0071]
如图7所示，可以得到b点坐标为进经过三角函数变换后可得以下关系：
[0072][0073]
将式2-2带入式2-5可得：
[0074][0075]
所以b点坐标可以表示为
[0076]
那么可以得到向量在三维笛卡尔坐标系中的表达式：
[0077][0078][0079]
因为向量与向量互为相反向量，所以有：
[0080][0081]
要计算两个三维空间向量的夹角可以根据向量内积的定义来求解。已知向量a＝(a
x
,ay,az)，b＝(b
x
,by,bz)，向量a、b夹角为那么有
[0082][0083]
那么夹角可以表示为
[0084][0085]
根据三维向量向量内积和模的定义，有
[0086]a·
b＝a
xbx
+a
yby
+a
zbz
ꢀꢀꢀ
(式2-12)
[0087][0088][0089]
将式2-12至2-14带入式2-11，得：
[0090][0091]
设
[0092][0093][0094]
将式2-16、2-17带入式2-15中得：
[0095][0097]
将式2-18整理得到第一根转轴1和第二根转轴2的夹角表达式如下：
[0098][0099]
以上所述，仅为本技术的具体实施方式，但本技术的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本技术揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本技术的保护范围之内。因此，本技术的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

技术特征：
1.一种测量与计算两根转轴夹角的方法，其特征在于，包括如下步骤：选取与两根转轴的轴线交叉的第一光滑平面，将所述第一光滑平面作为基准面，所述第一光滑平面在测试过程中相对发动机静子保持静止；在第一根转轴上固定安装位移传感器，位移传感器的测量方向平行于第一根转轴的轴线方向，驱动第一根转轴旋转一周，使用第一根转轴上的位移传感器测量所述第一光滑平面的端面跳动并获取第一测量结果，测量第一测量结果中最小值对应的第一根转轴的角位移α；根据第一测量结果获取第一根转轴和第一光滑平面的夹角α1；将第二根转轴的一端与第一根转轴的一端装配在一起，在第二根转轴上固定安装位移传感器，位移传感器的测量方向平行于第二根转轴的轴线方向，驱动第一根转动带动第二根转轴旋转一周，使用第二根转轴上的位移传感器测量第一光滑平面的端面跳动并获取第二测量结果，测量第二测量结果中最小值对应的第一根转轴的角位移β；根据第二测量结果获取第二根转轴和第一光滑平面的夹角β1；在三维笛卡尔坐标系中绘制出第一根转轴的方向向量a和第二根转轴的方向向量b：a＝(-cosα，-sinα，cotα1)，b＝(cosβ，sinβ，cotβ1)；根据向量内积的定义求解两根转轴的夹角，两根转轴的夹角通过用下式求得：2.根据权利要求1所述的测量与计算两根转轴夹角的方法，其特征在于，根据第一测量结果获取第一根转轴和第一光滑平面的夹角α1的步骤包括：获取量第一测量结果中的最小值t
1min
和最大值其中，r1为第一根转轴上位移传感器的旋转半径。3.根据权利要求2所述的测量与计算两根转轴夹角的方法，其特征在于，根据第二测量结果获取第二根转轴和第一光滑平面的夹角β1的步骤包括：获取量第二测量结果中的最小值t
2min
和最大值其中，r2为第二根转轴上位移传感器的旋转半径。4.根据权利要求3所述的测量与计算两根转轴夹角的方法，其特征在于，在三维笛卡尔坐标系中绘制出第一根转轴的方向向量a和第二根转轴的方向向量b：a＝(-cosα，-inα，cotα1)，b＝(cosβ，sinβ，cotβ1)的步骤包括：以第一光滑平面为x-y平面建立三维笛卡尔坐标系，确定第一根转轴的角位移零位并在x-y平面上建立极坐标系，将极坐标系的原点和三维笛卡尔坐标系的原点重合，将极坐标系的零位移方向与三维笛卡尔坐标系的x正方向重合；根据第一根转轴的角位移α以及第一根转轴和第一光滑平面的夹角α1在三维笛卡尔坐标系上绘制第一根转轴的中轴线方向向量根据第二根转轴的角位移β以及第二根转轴和第一光滑平面的夹角β1在三维笛卡尔坐标系上绘制第二根转轴的中轴线方向向量设a、b两点分别在x-y平面的投影点a’、b’均在以原点o为圆心的单位圆上，在线段oa的反向延长线上作一点c，使线段oa与线段oc等长，则向量与向量互为相反向量，第一根转轴与第二根转轴的夹角可以用向量与向量的夹角表示，
与向量互为相反向量，得到得到5.根据权利要求4所述的测量与计算两根转轴夹角的方法，其特征在于，将a和b代入得到两根转轴的夹角为：6.根据权利要求1所述的测量与计算两根转轴夹角的方法，其特征在于，还包括将驱动电机和角位移传感器安装在第一根转轴上，所述驱动电机驱动第一根转轴转动，所述角位移传感器测量第一根转轴的角位移。7.根据权利要求6所述的测量与计算两根转轴夹角的方法，其特征在于，将光信号收发器安装在第一根转轴上，将零位反射镜安装在静子零件上并在测试过程中保持位置不变，所述静子零件相对驱动电机固定设置，当光信号收发器发出的信号被零位反射镜接收并反射且光信号收发器接收到零位反射镜发射的信号时，第一根转轴的角位移为零位。8.根据权利要求7所述的测量与计算两根转轴夹角的方法，其特征在于，光信号收发器旋转到零位反射镜方向发出并接受到信号时，将零位信号传递到计算机中，计算机将此时第一根转轴的方位标记为系统的角位移零位，计算机校准角位移传感器的输出信号，实时得到第一根转轴相对零位的角位移。

技术总结
本申请提供了一种测量与计算两根转轴夹角的方法，属于航空发动机的技术领域，本申请通过引入第三光滑平面，在转动第一根转轴时获取第一根转轴上的位移传感器测量第一光滑平面的端面跳动并获取第一测量结果，在第二根转轴转动时获取第二根转轴上的位移传感器测量第一光滑平面的端面跳动并获取第二测量结果，获取两根转轴分别与光滑平面的夹角，以及分别获取第一测量结果中和第二测量结果中最小值对应的第一根转轴的角位移α和β，最后在三维笛卡尔坐标系中绘制出第一根转轴和第二根转轴的方向向量，根据向量内积的定义求解两根转轴的夹角解决了两根转轴径向基准面不完全外露时测量与计算夹角的问题。全外露时测量与计算夹角的问题。全外露时测量与计算夹角的问题。


技术研发人员：王宇 韦颖莹 石素霞 万华 贾淼 伍传泰 赫明鑫 胡清平 杨家明
受保护的技术使用者：中国航发成都发动机有限公司
技术研发日：2023.06.21
技术公布日：2023/9/22