燃油噴嘴螺旋槽的精密測量方法與系統設計

畢 超 鄂瑪蘭 郝 雪 劉 勇

(北京航空精密機械研究所精密制造技術航空科技重點實驗室，北京100076)

1 引言

航空工業作為“工業之花”，是國家的戰略性高新技術產業，其發展水平直接關系到國民經濟命脈與國防安全，并且已經成為衡量一個國家的國際競爭力與科學技術發展水平的重要標志[1]。近年來，隨著一系列新機理、新技術、新方法和新工藝的不斷涌現，我國的航空工業進入了全速發展的新時期，呈現出了蓬勃向上的整體態勢，正在向建立新型航空工業、趕超世界先進水平的道路邁進。

在航空領域中，發動機是飛機最為關鍵和最為復雜的部件，它的性能優劣和安全性等級，直接關系到整架飛機的性能和安全性。在航空發動機的工作過程中，燃燒室是將燃料的化學能轉化為熱能的重要能量轉換裝置，從而保證飛機的各種飛行狀態。其中，燃油噴嘴是燃燒室中的核心零件之一，主要作用是將燃油霧化或氣化，以加速油氣混合氣的形成，然后向火焰筒內噴射，從而確保燃燒室的正常與穩定工作[2]。作為發動機燃油供給系統的典型核心組件，噴嘴類零件具有數量大、種類多、幾何尺寸小、結構和形狀復雜以及制造精度要求高等特點[3]，并且其加工后的真實幾何技術狀態會對燃燒室內的燃油霧化質量和燃油濃度分布等產生很大影響，進而影響到發動機的推重比、耗油率和經濟性等[4]。

因此，為了確保加工后的燃油噴嘴符合設計要求，從而為燃燒室提供高質量的油氣混合氣，必須對此類零件的重要幾何元素和特征實施監控。近年來，對于噴嘴類零件的幾何技術狀態的精密、高效檢測已經引起了歐美等航空發達國家的高度關注。例如，美國的National Jet公司為了保證微小型孔的鉆削質量，應用Nikon視覺系統實現了對噴嘴微小孔的尺寸精度和表面粗糙度的快速精確檢測[5]；奧地利的Alicona公司研制出了自動變焦三維表面測量儀InfiniteFocus G5，是集微型三坐標測量和表面形貌檢測于一體的3D光學測量系統，可以應用于噴嘴類零件的形位參數的自動掃描與測量[6]。而在國內的大多數航空發動機研制和生產單位，僅具備圓孔塞規、游標卡尺和螺旋測微器等常規測量器具，無法高效、精確地獲取諸如噴嘴旋流器上的螺旋槽的槽深、螺旋角和槽寬等重要特征的尺寸信息。這就導致了國內在應對燃油噴嘴生產線上的零件尺寸檢驗與質量控制時，只能通過定性判斷或修配測試來對噴嘴類零件進行篩選，而無法實現定量且一致的檢測。

為了實現航空發動機燃油噴嘴上的螺旋槽特征的精密與高效檢測，本文提出了其槽深、螺旋角和槽寬等幾何參數的測量與計算方法，并基于此搭建了非接觸式的燃油噴嘴螺旋槽精密測量系統，從而將光學掃描與四軸聯動相結合以應對螺旋槽的檢測任務。測量系統采用模塊化的設計思想，其機械主體為立柱移動型三坐標測量機的結構形式；基座采用泰山青花崗石材料制成；運動模塊由三個直線運動軸和一個回轉運動軸構成，能夠實現各軸單獨運動和四軸聯動；傳感器模塊選用新型的錐光偏振全息激光測頭，測量精度高，并且可以實現掃描測量；電氣控制模塊采用上位機與下位機相結合的二級位置閉環數字復合控制方式。

2 測量與計算原理

在航空發動機中，燃油噴嘴是一類結構緊湊、形狀復雜且精度要求高的零件，其典型的幾何特征有螺旋槽、小孔和內錐面等[7]。其中，螺旋槽大多分布在燃油噴嘴的旋流器上，數目一般為3～6個，如圖1所示，多呈現為螺旋狀凹槽的形態特征，其作用是使燃油高速旋轉后噴出，從而產生高質量的、旋轉著的圓錐狀油霧層[8，9]，進而與經過壓氣機增壓后的空氣相撞、混合。因此，螺旋槽在航空發動機的供油環節中發揮著非常重要的節流作用，而且其加工質量會對燃油噴嘴的流量與霧化錐角等產生很大影響，因而對其尺寸精度和形狀精度的要求很高。

根據燃油噴嘴旋流器的設計指標，要求螺旋角α的單次測量極限誤差≤±0.5°。

從圖1中可以看出，旋流器為回轉體零件，在其周向均勻分布著多個螺旋槽。根據燃油噴嘴性能的對比試驗研究，對其供油特性產生很大影響的螺旋槽尺寸參數包括槽深、螺旋角和槽寬等[10]。因此，迫切需要實現對這些尺寸參數的快速、精確測量，以滿足批量噴嘴類零件的檢測需求。在這樣的背景下，本文在深入研究螺旋槽的幾何結構特征的基礎上，并結合光學掃描測量與多軸運動控制的特點，提出了各項參數的具體測量與解算方法。

圖1 噴嘴旋流器上的螺旋槽特征Fig.1 Swirl slots of the swirler

2.1 槽深d

選取一個與燃油噴嘴中心軸線垂直的截面，使其與槽頂圓柱面和槽底圓柱面相交，從而得到兩條間斷連續的圓周曲線，并將圓周曲線離散為測量點。然后，在測量系統的回轉運動與光學掃描測頭的相互配合下，采集各個截面上的槽頂圓周和槽底圓周的實測點云數據，并通過擬合分別得到槽頂圓周半徑R和槽底圓周半徑r，則槽深d的測量結果可以采用R與r之差來表示，即

根據燃油噴嘴旋流器的設計指標，要求槽深d的單次測量極限誤差≤±0.03mm。

2.2 螺旋角α

為了驗證本文所提出的燃油噴嘴螺旋槽的精密測量方法以及所設計和搭建的測量系統的各項功能，選取了某型航空發動機的燃油噴嘴樣件作為被測物，測量系統和測量過程如圖7所示。在測量開始前，通過標定獲取回轉軸A在由測量系統的X、Y和Z軸構成的空間直角坐標系中的位置，然后將用于裝夾燃油噴嘴的專用夾具安裝在測量系統的回轉軸A上，并借助于千分表或者電感測微儀等對專用夾具的位置進行調整與找正。

圖2 螺旋槽的展開示意圖Fig.2 Schematic diagram of the swirl slot

設兩個平行截面與兩條槽頂螺旋線的交點分別為A、B和C、D，然后過D點作線段DE，使其垂直于AB，則DE=H。設展開前的圓弧AE所對應的圓心角為γ(單位：rad)，則圓弧AE的長度為

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在直角ΔADE中，直角邊AE的長度與圓弧AE相同，則螺旋角α為

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2.3 槽寬w

如圖2所示，槽寬w可以表示為螺旋槽的兩條槽頂螺旋線之間的距離，即DF。在計算與求解過程中，圓弧CD位于半徑為R的槽頂圓周上，設其在槽頂圓柱面展開之前所對應的圓心角為 θ(單位：rad)，因而圓弧CD的長度可以表示為

傳感器是整個測量系統的核心部件，主要用于工件坐標系的建立與整個測量過程的實現。為了快速而精確地采集螺旋槽特征的形貌數據，本文選用了以色列OPTIMET公司的ConoProbe系列錐光偏振全息激光測頭作為測量系統的前端傳感器，如圖6所示。

根據燃油噴嘴旋流器的設計指標，要求槽寬w的單次測量極限誤差≤±0.03mm。

3 系統的設計與搭建

3.1 總體機械結構

根據以上提出的螺旋槽特征的測量與解算方法，本文基于多軸運動機構和光學測頭等，設計并搭建了模塊化的燃油噴嘴螺旋槽精密測量系統。如圖3所示，該測量系統的總體布局為立柱移動型的三坐標測量機結構，主要由基座、直線運動軸、回轉運動軸和光學掃描測頭等模塊組成。其中，基座采用具有變形小、不生銹和穩定性好等優點的泰山青花崗石材料制成，用以作為整個測量系統的承載部件；直線運動軸和回轉運動軸用于實現預定的測量軌跡；而光學掃描測頭則用于測量數據的采集。

測量系統的運動模塊由三個直線運動軸X、Y、Z和一個回轉運動軸A構成。其中，X、Y和Z軸集成在一起，而A軸單獨布置，因而被測的燃油噴嘴零件可以通過專用夾具裝夾在A軸上。為了保證系統的運動精度和平穩性，X軸和A軸的運動模塊均直接安裝到基座上，并且將X軸運動模塊設計為寬臺面的結構形式，然后再將Y軸運動模塊安裝到X軸托板上。而Z軸運動模塊則先安裝在花崗石立柱上，而后再整體安裝到Y軸托板上。最后，將光學測頭支架安裝在Z軸運動模塊的托板上。

圖3 測量系統的總體機械結構Fig.3 Mechanical structure of the measuring system

在直線運動模塊中，X、Y和Z軸均采用了“伺服電機+滾珠絲杠”的傳動形式，并且配置了奧地利RSF Elektronik公司的MS 30.83 MA型單場掃描場敞開式的直線光柵尺。該型光柵尺的信號質量對時間和溫度不敏感，并且支持高速運動，經過50倍細分后的分辨率可以達到0.1μm，從而確保了X、Y和Z三個直線運動軸能夠實現精確的位置閉環控制。同時，為了平衡Z軸負載的重量以便于通過控制獲得較高的定位精度，本文對Z軸做了配重設計，根據實際測量值選用了恒力彈簧(2×3kg)的配重形式，以使Z軸托板在上升和下降過程中的負載是均衡的。相對于配重塊，恒力彈簧的慣性較小，因而會相應地減小伺服電機的輸入慣量，從而使測量系統的Z軸可以更快地到達預定位置，有效提高了系統的運行效率。

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在回轉運動模塊中，采用了日本Yaskawa公司的SGMCS型直接驅動伺服電機作為系統的回轉運動軸，該型電機可以在不帶減速器的狀態下直接驅動負載，額定轉矩為4.0N·m，并且內置了20位的高分辨率編碼器，轉角定位精度可以達到1″，因而可以將被測零件精確定位到所需的角度位置。為了進一步降低系統誤差，還需要通過機械調整與找正以使A軸的回轉軸線與Z軸的運動方向平行。

3.2 電氣控制模塊

為了使所搭建的燃油噴嘴螺旋槽精密測量系統的配置、運動和操作等更具快速性、靈活性和實時性特點，本文采用了二級位置閉環的數字復合控制架構形式，由上位機與下位機組成主從控制方式，其技術方案如圖4所示。

圖4 基于PMAC的多軸運動控制系統Fig.4 Multi-axis motion control system based on PMAC

該光學測頭的測量精度可以達到亞微米級，激光光斑的直徑小至6μm，重復測量精度小于0.2μm(1σ)，魯棒測量頻率最高可達3000Hz，并且可以進行大角度測量，其最大可測角度范圍為空間170°(±85°)。同時，其發射光束與接收光束是共線的，因而尤其適用于深徑比達1∶10的孔和槽等深凹特征的檢測。因此，應用該傳感器可以最大程度地真實還原出被測燃油噴嘴表面的微小細節。

圖5 專用上位機軟件Fig.5 Special measuring software

3.3 傳感器模塊

在直角ΔCDF中，∠DCF=α，而斜邊CD的長度與圓弧CD相同，則槽寬w為

圖7 實驗現場Fig.7 Experimental scene

在圖4中，為了加快數據的處理速度，上位機與下位機之間采用工業以太網進行通訊。上位機為主流工控機，主要用于運行測量軟件、人機交互、發布各項控制指令、監控各軸的運動狀態以及接收和處理反饋信號等，同時也配備了基于噴嘴CAD模型的專用上位機軟件，如圖5所示；下位機為專用運動控制器，其核心為可編程的多軸運動控制器，主要用于接收上位機發出的運動指令并進行實時控制與插補運算，同時也對各軸的角擺誤差、直線度誤差、垂直度誤差等進行補償，以實現精確的伺服運動控制，使經過誤差補償后的四軸運動模塊的空間定位精度達到了5.0μm。

4 實驗驗證

選取兩個與燃油噴嘴中心軸線垂直且相互距離為H的平行截面，并與槽頂圓柱面相交。為了便于觀察和顯示，將槽頂圓柱面繞中心軸線展開在平面上，如圖2所示，則其螺旋角α即為槽頂螺旋線的螺旋升角。

在測量過程中，首先，根據回轉軸A的位置標定結果，通過上位機程序控制測量系統的X、Y和Z軸帶動光學測頭運動，使其測量光束與噴嘴零件的中心軸線垂直相交。然后，按照規劃好的測量軌跡開始測量并進行實測點云數據的采集和傳輸，再利用上位機軟件中的最小二乘擬合功能模塊計算出所需要的R、r、H、γ和 θ等參數。最后，根據式(1)～(5)即可解算得到被測螺旋槽的槽深d、螺旋角α和槽寬w的數值。

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如圖8所示為測量過程中，測量系統采集到的該燃油噴嘴樣件的螺旋槽在相距為0.5mm的兩個平行截面上的槽頂圓周的三維點云數據，對其進行最小二乘圓周擬合即可得到槽頂圓周半徑R的測量結果，而r、H、γ和θ等參數的獲取過程與此類似。在實驗過程中，本文對沿周向均勻分布于該燃油噴嘴上的6個螺旋槽的槽深d、螺旋角α和槽寬w依次進行了10次等精度重復測量，如圖9所示為其中的一個螺旋槽特征的測量結果。

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圖8 槽頂圓周的三維點云Fig.8 3D Point cloud of the circumference of slot top

對圖9中所示的測量結果進行數據處理與誤差分析，可以進一步得出：對于該螺旋槽來說，槽深d的平均值為1.210mm，標準差為0.003mm，單次測量的極限誤差為±0.009mm；螺旋角α的平均值為30.98°，標準差為0.11°，單次測量的極限誤差為±0.33°；槽寬w的平均值為1.716mm，標準差為0.008mm，單次測量的極限誤差為±0.024mm。根據此類燃油噴嘴組件的精度指標要求，該系統能夠實現既定的測量任務，并且測量精度可以滿足生產現場的使用需求。

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圖9 測量結果Fig.9 Measuring results

5 結束語

本文提出了燃油噴嘴螺旋槽的槽深、螺旋角和槽寬的測量與解算方法，并采用了光學掃描測量技術與四軸聯動技術相結合的方式以應對這些幾何參數的快速、精確檢測。所設計和搭建的燃油噴嘴螺旋槽精密測量系統，由四軸運動模塊、錐光偏振全息激光測頭、多軸運動控制器和專用夾具等部分構成，并且具有四軸聯動測量功能。通過對某個燃油噴嘴樣件的螺旋槽特征進行多次重復測量實驗，并解算得到槽深、螺旋角和槽寬的幾何尺寸，所得實驗結果能夠滿足此類噴嘴零件的檢測需求，因而可以作為一項燃油噴嘴結構尺寸的檢測方案。