一种高速薄壁回转结构不平衡量计算方法及相关装置

技术领域

本发明属于智能制造技术领域，涉及一种高速薄壁回转结构不平衡量计算方法及相关装置。

背景技术

高速薄壁回转结构广泛应用于航空发动机、燃气轮机等重要机械中，具有典型的高速、高压、高温的运行特征，并且对可靠性，使用寿命要求严格。而不平衡量的存在会在高速旋转过程中将形成巨大的作用力与力矩，严重影响机械部件的振动特性，这也会直接影响其寿命和可靠性。因此，不平衡量是高速薄壁回转结构制造装配中非常重要的一个指标。

高速薄壁回转结构是一般由多个零件经装配完成的，在零件制造过程中，无论使用多精密的机械，都会产生零件表面的形貌误差和自身不平衡量。由于装配止口处法兰厚度较小，并且存在形貌误差，在螺栓的初拧过程中，通常会发生较大变形，其变形对回转结构的质心位置和初始不平衡量会产生较大影响。因此准确预测此类回转机械在不同装配工艺下的不平衡量分布情况，对优化航空发动机转子的整体不平衡量，提高转子的使用寿命和可靠性尤为重要。

现有的高速薄壁回转结构不平衡量预测方法存在一些问题，主要是在于：未考虑装配工艺对多级高速薄壁回转结构不平衡量的影响，未考虑高速薄壁回转结构在装配过程中轴线变化引起的高速薄壁回转结构测量初始不平衡变化，因此对造成转子的不平衡量变化趋势预测不准确，导致转子针对不平衡量的优化不准确，装配过程没有明确的指导方法。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术中的问题，提供一种高速薄壁回转结构不平衡量计算方法及相关装置。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

第一方面，本发明提供一种高速薄壁回转结构不平衡量测试方法，包括以下步骤：

对单级回转结构进行测量和区域划分；

结合测量结果和区域划分结果建立回转结构的安装边分析模型；

利用齐次坐标变化理论建立多级回转结构的几何误差传递模型，结合安装边分析模型计算得到装配后的整体空间位姿；

根据装配后的整体空间位姿，计算得到不平衡分解后得到的不平衡质量在装配后回转结构的空间位姿和质心在装配后回转结构的空间位姿；

根据不平衡质量在装配后回转结构的空间位姿和质心在装配后回转结构的空间位姿计算得到由于旋转轴线变动后产生的不平衡量、各级回转结构装配后在两个校正面的不平衡量。

第二方面，本发明提供一种高速薄壁回转结构不平衡量测试系统，包括：

测量模块，用于对单级回转结构进行测量和区域划分；

第一模型建立模块，用于结合测量结果和区域划分结果建立回转结构的安装边分析模型；

第二模型建立模块，用于利用齐次坐标变化理论建立舵机回转结构的几何误差传递模型，结合安装边分析模型计算得到装配后的整体空间位姿；

第一计算模块，用于根据装配后的整体空间位姿，计算得到不平衡质量在装配后回转结构的空间位姿和质心在装配后回转结构的空间位姿；

第二计算模块，用于根据不平衡质量在装配后回转结构的空间位姿和质心在装配后回转结构的空间位姿计算得到由于旋转轴线变动后产生的不平衡量、各级回转结构装配后在两个校正面的不平衡量。

第三方面，本发明提供一种计算机设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如上述方法的步骤。

第四方面，本发明提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上述方法的步骤。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明将实测几何形貌数据与有限元模型相融合，建立具有实际表面形貌的高速薄壁回转结构止口连接模型，并且考虑转子装配工艺对转子回转轴线的影响，考虑装配轴线变化对初始不平衡量和质心的影响，可实现转子装配后的不平衡量准确预测，也可为该类高速薄壁回转结构的装配优化设计奠定基础，提高装配一次成功率和装配质量。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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他相关的附图。

图1为本发明方法的流程图。

图2为本发明实施例的一种考虑装配工艺的高速薄壁回转结构不平衡量计算方法的流程示意图。

图3为本发明实施例的单级回转结构刚柔区域划分图。

图4为本发明实施例的多级转子装配后轴线变化引起的质心偏移示意图。

图5为本发明实施例的多级转子装配后轴线变化引起的初始不平衡量变化示意图。

图6为本发明实施例的多级转子装配后轴线变化引起的质心偏移变化示意图。

图7为本发明系统的原理图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“水平”、“内”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，若出现术语“水平”，并不表示要求部件绝对水平，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参见图1，本发明实施例公开了一种高速薄壁回转结构不平衡量测试方法，包括以下步骤：

S1对单级回转结构进行测量和区域划分；

S2结合测量结果和区域划分结果建立回转结构的安装边分析模型；

S3利用齐次坐标变化理论建立舵机回转结构的几何误差传递模型，结合安装边分析模型计算得到装配后的整体空间位姿；

S4根据装配后的整体空间位姿，计算得到不平衡量分解后得到的不平衡质量在装配后回转结构的空间位姿和质心在装配后回转结构的空间位姿；

S5根据不平衡质量在装配后回转结构的空间位姿和质心在装配后回转结构的空间位姿计算得到由于旋转轴线变动后产生的不平衡量、各级回转结构装配后在两个校正面的不平衡量。

参见图2，本发明实施例公开了一种考虑装配工艺的高速薄壁回转结构不平衡量计算方法，包括以下步骤：

S101测量获得零件自身数据。

测量获得各零件前后止口的真实表面形貌误差数据，并且处理数据获得各部件止口位置的空间位姿；通过卧式硬支撑平衡机测量得到各部件的初始不平衡量。

S102进行单级回转结构刚柔区域划分。

在装配过程中的应力和变形主要发生在结合面附近，因此可以将单级回转结构切割成为刚体部分和柔体部分，柔体部分为止口附近受到装配变形影响的区域，刚性部分是基本不受装配影响的区域；

S103基于单级回转结构的柔体部分，结合真实表面形貌误差数据建立考虑装配工艺的回转结构的安装边分析模型。

利用ANSYS APDL编程语言，根据高速薄壁回转结构零件图构建实体模型：建立考虑装配工艺的各回转结构安装边附近柔体部分的实体模型，包括螺栓接触、止口端面接触、止口过盈接触；

对柔体部分实体模型进行网格划分后，将实体模型与有限元模型解耦；用ANSYSAPDL编程语言选择网格上相应位置的节点，通过驱动对应端面与止口配合面位置的节点的坐标的移动，实现真实表面形貌误差数据的添加。为使跳动数据输入简便，对跳动误差进行扩展，使柱面各截面上相同角度处的径跳一致，端面上相同角度处的端跳一致；

对有限元模型施加载荷和约束，根据实际情况对单级回转结构柔体部分进行约束。并确定安装边模型中螺栓拧紧的起始点和拧紧顺序，依次对每个螺栓施加预紧力，并写入载荷步中，通过载荷步模拟真实装配情况。若有装配批次要求，需每个批次施加相应的螺栓预紧力；在施加相应的接触，过盈，约束，螺栓拧紧后，对安装边模型进行仿真计算。

S104通过相似三角形原理计算刚体部分的空间位姿，再利用安装边分析模型得到柔体部分的空间位姿

S105利用齐次坐标变化理论，建立考虑装配工艺的多级回转结构几何误差传递模型。

通过ANSYA APDL命令提取安装边模型计算后的坐标数据，使用最小二乘法对提取的坐标点进行拟合，得到安装边模型处的空间位姿；

计算刚体部分及切割面处的空间位姿：如图3所示，最小二乘法拟合真实形貌数据，通过偏心位置关系，计算得到切割面处的空间位姿为可以表示为：

因为是平行于转台轴线进行切割，所以切割面处端面无倾斜，A,B均为0。Xc，Yc可通过转子上下端面的偏心计算得出。

再由此计算得到刚体部分空间位姿，通过齐次坐标变化理论，根据柔体部分空间位姿和刚体部分空间位姿，可以计算得到装配后整体空间位姿，即可以获得多级回转结构几何误差传递模型。

S106对初始不平衡量进行分解。

根据卧式硬支撑平衡机测量的数据，在测量表面处将初始不平衡量分解为不平衡质量与半径，可根据不平衡测量面的位置与分解后的半径，获得各级回转结构不平衡质量相对于前止口误差测量面的坐标。

S107获取各级回转结构空间位姿。

通过几何误差传递模型，确定装配后各级回转结构的空间位姿；根据装配后各级零部件的空间位姿坐标，获得分解后不平衡量质量的空间位姿：原分解后的不平衡质量位置是相对于单级零件前止口误差测量面的，各级零部件空间位姿发生变化时，不平衡质量位置也会发生变化；

根据各级回转结构的空间位姿和不平衡质量相对于前止口误差测量面的坐标，获得分解后不平衡质量在装配后回转结构的空间位姿。

根据各级回转结构的空间位姿和质心位置相对于前止口误差测量面的坐标，获得质心在装配后回转结构的空间位姿。

S108计算考虑装配工艺的多级回转结构不平衡量。

根据多级回转结构部件装配后的各级部件空间位姿，取第一个部件的前端和最后一个部件的后端，根据偏心量计算装配后的旋转轴线。

计算各级零部件由质心偏离轴线产生的不平衡量：如图4所示，在多级回转结构部件装配后，由于偏心的存在，回转结构的旋转轴线发生偏移，质心会偏离轴线，根据质心位置坐标，计算质心距离旋转轴线的距离，再计算得到由于质心位置偏离轴线而产生的不平衡量。

计算各级零部件由轴线变化引起的初始不平衡量变化：如图5所示，由于各回转结构部件的初始不平衡量是在回转结构自身轴线下进行测量的，因此，装配后的轴线变动，也会使回转结构的初始不平衡量发生变化，根据初始不平衡量分解得到的不平衡质量位置，计算得到初始不平衡量分解得到的不平衡质量到旋转轴线的距离，再计算得到由于轴线偏移而产生的不平衡量。

计算各级零部件的不平衡量：如图6所示，将由于轴线变动引起的质心偏移产生的不平衡量和由于轴线变动引起的初始不平衡量进行矢量相加，分配到两止口误差测量面处，得到各级零部件上的不平衡量。将装配后各级零部件上的不平衡量在相同的止口误差测量面处进行矢量相加，得到各个止口误差测量面处的不平衡量，再将各个止口误差测量面处的不平衡量分别投影到装配后回转结构的两个校正面，得到各级回转结构装配后在两个校正面的不平衡量。

如图7所示，本发明实施例公开了一种高速薄壁回转结构不平衡量测试系统，包括：

测量模块，用于对单级回转结构进行测量和区域划分；

第一模型建立模块，用于结合测量结果和区域划分结果建立回转结构的安装边分析模型；

第二模型建立模块，用于利用齐次坐标变化理论建立舵机回转结构的几何误差传递模型，结合安装边分析模型计算得到装配后的整体空间位姿；

第一计算模块，用于根据装配后的整体空间位姿，计算得到不平衡质量在装配后回转结构的空间位姿和质心在装配后回转结构的空间位姿；

第二计算模块，用于根据不平衡质量在装配后回转结构的空间位姿和质心在装配后回转结构的空间位姿计算得到由于旋转轴线变动后产生的不平衡量、各级回转结构装配后在两个校正面的不平衡量。

本发明一实施例提供的计算机设备。该实施例的计算机设备包括：处理器、存储器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序。所述处理器执行所述计算机程序时实现上述各个方法实施例中的步骤。或者，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述各装置实施例中各模块/单元的功能。

所述计算机程序可以被分割成一个或多个模块/单元，所述一个或者多个模块/单元被存储在所述存储器中，并由所述处理器执行，以完成本发明。

所述计算机设备可以是桌上型计算机、笔记本、掌上电脑及云端服务器等计算设备。所述计算机设备可包括，但不仅限于，处理器、存储器。

所述处理器可以是中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。

所述存储器可用于存储所述计算机程序和/或模块，所述处理器通过运行或执行存储在所述存储器内的计算机程序和/或模块，以及调用存储在存储器内的数据，实现所述计算机设备的各种功能。

所述计算机设备集成的模块/单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质可以包括：能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。需要说明的是，所述计算机可读介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读介质不包括电载波信号和电信信号。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。