某喷管偏转角测量方法研究

王天哲 张天翼 王禹

摘要：本文通过分析某喷管在装配过程中对偏转角测量需求，并考虑到现有的测量设备和测量手段，根据某喷管的结构特点、测量设备的功能等对测量方法进行分析研究，制定了某喷管偏转角测量的工艺路线。同时，对新的工艺路线开展现场试验，利用激光跟踪仪中的转站、自动采集、分析评价等功能，迅速有效测量出空间直线与直线、直线与平面之间的夹角。此工艺方法有效解决了生产现场大尺寸零件空间尺寸和位置测量困难的技术瓶颈，为发动机装配过程中结构比较复杂、尺表无法测量部位的尺寸测量提供了技术支持和方法参考。

关键词：喷管;偏转角;激光跟踪仪;自动采集;测量

航空发动机作为国之重器的利刃，其发展和进步直接关系到一个国家的工业发展和军事地位。在航空发动机的发展过程中，短距离甚至垂直起降的战斗机中使用的推力矢量技术[1]要求战斗机使用的发动机喷管能够满足在常规矢量喷管偏转角度的前提下，能够有较大的矢量偏转角且此矢量偏转角能够连续可调。

航空发动机装配在整个航空发动机制造过程中属于最后环节，一旦出现装配或者测量错误等问题将直接影响产品质量，甚至带来严重的后果[2]。由于发动机设计要求严格，在整个装配过程中，某一些技术参数需要进行精确测量，测量合格后才能进行后续的装配、试车，以满足发动机的性能以及其与飞机的顺利装配。

在发动机制造装配过程中，常用的测量方法有三坐标测量、尺表测量等。随着发动机性能的提高以及飞机对发动机要求的增加，发动机在装配过程中一些空间尺寸的测量要求也相应增加，例如上述中的喷管偏转角.鉴于喷管的结构特点以及测量尺寸的空间性，常规的尺表量具以及三坐标测量机已无法满足测量需求，需要引用其它的测量方法来保证发动机的装配。

1 激光跟踪仪原理及功能

激光跟踪仪是一种新型的测量仪器，可对空间目标进行跟踪并实时测量目标的空间三维坐标，具有安装快捷、操作简便、测量精度及效率高等优点[3]。激光跟踪仪具有高精度的空间几何量测量与评价系统，能对大型工件、工装和零部件进行尺寸测量与评价，故广泛应用于汽车制造、航空航天、船舶制造等大型产品的装配检测。由于航空发动机零部件相对尺寸不大，大部分采用尺表量具或者三坐标测量机进行测量，故激光跟踪仪在航空发动机制造装配方面应用比较少。

激光跟踪仪主要有跟踪头、控制箱、靶镜等组成。在测量过程中，根据需要测量的位置等建立坐标系，并将需要测量的点或者平面按照一定的顺序进行采集，得到被测物体上实测点的坐标，根据坐标值分析出需要测量的几何量。同时，由于激光是利用光的直线传播和反射进行测量的，对于结构复杂需要测量位置比较多的被测物体，激光跟踪仪在同一个测量角度无法全部完成所有点的采集，此时需要用到转站功能，在测量的过程中就移动跟踪头，实现各个方位测量点的采集。

激光跟踪仪配置的测量软件可以实时记录采集到的数据，能够根据采集到的数据快速分析计算。故激光跟踪仪在大尺寸机件的测量上，具有很大的优势。

2 测量方案制定及试验

某型喷管在装配完成后，需要在两种工作状态下测量实际偏转角度，并将实际偏转角度与理论偏转角度进行对比，在给定的公差范围内才能满足设计需求，然后进行下一步装配工作。发动机喷管偏转角即发动机轴线与喷管轴线之间的夹角[4]，属于空间两条直线之间的夹角，尺表量具无法测量;又因结构比较复杂尺寸比较大，常规的三坐标测量机也无法完成对偏转角的测量。

2.1 技术分析

某喷管的偏转角属于空间一个圆柱体轴线和一个圆锥体轴线之间的夹角，根据其结构特点和需要测量的位置，并综合考虑激光跟踪仪的特点，选用激光跟踪仪对偏转角进行测量分析，以满足测量的需求。

为了得到圆柱体和圆锥体轴线之间的夹角，且轴线均为空间直线，无法进行直接测量，需要根据几何分析将轴线拟合出来。首先沿圆柱体安装边一周采集点，形成集合A，沿圆柱体安装边平面一周采集点，形成集合B。然后利用软件中的数据分析功能，将集合B中的点拟合成一个平面，再将集合A中的点投影到拟合的平面上，利用投影的点拟合成一个圆，即为圆柱体的一个切面圆，通过圆心并垂直于平面形成一条直线即为圆柱体的轴线。同理可到圆锥体的轴线，将两条轴线进行对比分析即可得到轴线之间的夹角，即喷管的偏转角。

2.2 方案制定

（1）数据采集

为了提高测量准确性，需要尽可能多的采集测量点，故在测量过程中需要圆周各个角向均进行采点，在测量过程中，选取基准点不变，对激光跟踪仪进行转站处理。另外，采点功能采用连续自动采点，仅仅需要一次激光对准，相比每次采点均需要激光对准来说，有效降低了单个数据采集的时间。

（2）数据分析与处理

根据采集的数据，首先对数据进行分析评价，将偏差比较大的“坏点”进行舍弃，“好点”修正，之后利用最小二乘法的原理进行平面、圆等几何型面的拟合和圆心、法向等几何位置的提取，最终得到需要的测量角度。

在测量分析过程中直接评价测量点采集的质量，消除人为因素影响，提高测量准确性和测量效率，实现偏转角的准确测量。

2.3 测量试验

按照上述测量方法进行测量试验，在同一种状态下测量三遍，测量结果标准差为6.7%，测量稳定性较好。

3 结束语

激光跟踪仪在发动机装配上的应用有效的解决了空间大尺寸无法测量的问题。新的测量方法将激光跟踪仪的转站、数据自动采集、分析等功能进行整理分析，能够快速有效测量出空间直线与直线、直线与平面之间的夹角，解决了现场测量困难的技术瓶颈，为发动机结构比较复杂、尺表无法测量部位的尺寸测量提供了技术支持和方法参考。

参考文献：

[1] 刘帅，王占学，周莉，等.三轴承旋转喷管矢量偏转规律及流场特性研究[J].推进技术，2015年，第36卷（第5期）：656-663.

[2] 张振兴，金帥，郝斌.航空发动机装配技术分析[J].中国设备工程，2019年，第4期：151-153.

[3] 彭瑾，王亚军，李常峰，等.激光跟踪仪在航天发动机装配检测中的应用[J].飞航导弹，2013年，第10期：72-74.

[4] 杨帆，刘增文，刘帅，等.三轴承旋转喷管型面设计与分析[J].航空计算技术，2014年，第2期：77-80.