燃油喷嘴螺旋槽的精密测量方法与系统设计

毕 超 鄂玛兰 郝 雪 刘 勇

(北京航空精密机械研究所精密制造技术航空科技重点实验室，北京100076)

1 引言

航空工业作为“工业之花”，是国家的战略性高新技术产业，其发展水平直接关系到国民经济命脉与国防安全，并且已经成为衡量一个国家的国际竞争力与科学技术发展水平的重要标志[1]。近年来，随着一系列新机理、新技术、新方法和新工艺的不断涌现，我国的航空工业进入了全速发展的新时期，呈现出了蓬勃向上的整体态势，正在向建立新型航空工业、赶超世界先进水平的道路迈进。

在航空领域中，发动机是飞机最为关键和最为复杂的部件，它的性能优劣和安全性等级，直接关系到整架飞机的性能和安全性。在航空发动机的工作过程中，燃烧室是将燃料的化学能转化为热能的重要能量转换装置，从而保证飞机的各种飞行状态。其中，燃油喷嘴是燃烧室中的核心零件之一，主要作用是将燃油雾化或气化，以加速油气混合气的形成，然后向火焰筒内喷射，从而确保燃烧室的正常与稳定工作[2]。作为发动机燃油供给系统的典型核心组件，喷嘴类零件具有数量大、种类多、几何尺寸小、结构和形状复杂以及制造精度要求高等特点[3]，并且其加工后的真实几何技术状态会对燃烧室内的燃油雾化质量和燃油浓度分布等产生很大影响，进而影响到发动机的推重比、耗油率和经济性等[4]。

因此，为了确保加工后的燃油喷嘴符合设计要求，从而为燃烧室提供高质量的油气混合气，必须对此类零件的重要几何元素和特征实施监控。近年来，对于喷嘴类零件的几何技术状态的精密、高效检测已经引起了欧美等航空发达国家的高度关注。例如，美国的National Jet公司为了保证微小型孔的钻削质量，应用Nikon视觉系统实现了对喷嘴微小孔的尺寸精度和表面粗糙度的快速精确检测[5]；奥地利的Alicona公司研制出了自动变焦三维表面测量仪InfiniteFocus G5，是集微型三坐标测量和表面形貌检测于一体的3D光学测量系统，可以应用于喷嘴类零件的形位参数的自动扫描与测量[6]。而在国内的大多数航空发动机研制和生产单位，仅具备圆孔塞规、游标卡尺和螺旋测微器等常规测量器具，无法高效、精确地获取诸如喷嘴旋流器上的螺旋槽的槽深、螺旋角和槽宽等重要特征的尺寸信息。这就导致了国内在应对燃油喷嘴生产线上的零件尺寸检验与质量控制时，只能通过定性判断或修配测试来对喷嘴类零件进行筛选，而无法实现定量且一致的检测。

为了实现航空发动机燃油喷嘴上的螺旋槽特征的精密与高效检测，本文提出了其槽深、螺旋角和槽宽等几何参数的测量与计算方法，并基于此搭建了非接触式的燃油喷嘴螺旋槽精密测量系统，从而将光学扫描与四轴联动相结合以应对螺旋槽的检测任务。测量系统采用模块化的设计思想，其机械主体为立柱移动型三坐标测量机的结构形式；基座采用泰山青花岗石材料制成；运动模块由三个直线运动轴和一个回转运动轴构成，能够实现各轴单独运动和四轴联动；传感器模块选用新型的锥光偏振全息激光测头，测量精度高，并且可以实现扫描测量；电气控制模块采用上位机与下位机相结合的二级位置闭环数字复合控制方式。

2 测量与计算原理

在航空发动机中，燃油喷嘴是一类结构紧凑、形状复杂且精度要求高的零件，其典型的几何特征有螺旋槽、小孔和内锥面等[7]。其中，螺旋槽大多分布在燃油喷嘴的旋流器上，数目一般为3～6个，如图1所示，多呈现为螺旋状凹槽的形态特征，其作用是使燃油高速旋转后喷出，从而产生高质量的、旋转着的圆锥状油雾层[8，9]，进而与经过压气机增压后的空气相撞、混合。因此，螺旋槽在航空发动机的供油环节中发挥着非常重要的节流作用，而且其加工质量会对燃油喷嘴的流量与雾化锥角等产生很大影响，因而对其尺寸精度和形状精度的要求很高。

根据燃油喷嘴旋流器的设计指标，要求螺旋角α的单次测量极限误差≤±0.5°。

从图1中可以看出，旋流器为回转体零件，在其周向均匀分布着多个螺旋槽。根据燃油喷嘴性能的对比试验研究，对其供油特性产生很大影响的螺旋槽尺寸参数包括槽深、螺旋角和槽宽等[10]。因此，迫切需要实现对这些尺寸参数的快速、精确测量，以满足批量喷嘴类零件的检测需求。在这样的背景下，本文在深入研究螺旋槽的几何结构特征的基础上，并结合光学扫描测量与多轴运动控制的特点，提出了各项参数的具体测量与解算方法。

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

2.1 槽深d

选取一个与燃油喷嘴中心轴线垂直的截面，使其与槽顶圆柱面和槽底圆柱面相交，从而得到两条间断连续的圆周曲线，并将圆周曲线离散为测量点。然后，在测量系统的回转运动与光学扫描测头的相互配合下，采集各个截面上的槽顶圆周和槽底圆周的实测点云数据，并通过拟合分别得到槽顶圆周半径R和槽底圆周半径r，则槽深d的测量结果可以采用R与r之差来表示，即

根据燃油喷嘴旋流器的设计指标，要求槽深d的单次测量极限误差≤±0.03mm。

2.2 螺旋角α

为了验证本文所提出的燃油喷嘴螺旋槽的精密测量方法以及所设计和搭建的测量系统的各项功能，选取了某型航空发动机的燃油喷嘴样件作为被测物，测量系统和测量过程如图7所示。在测量开始前，通过标定获取回转轴A在由测量系统的X、Y和Z轴构成的空间直角坐标系中的位置，然后将用于装夹燃油喷嘴的专用夹具安装在测量系统的回转轴A上，并借助于千分表或者电感测微仪等对专用夹具的位置进行调整与找正。

图2 螺旋槽的展开示意图Fig.2 Schematic diagram of the swirl slot

设两个平行截面与两条槽顶螺旋线的交点分别为A、B和C、D，然后过D点作线段DE，使其垂直于AB，则DE=H。设展开前的圆弧AE所对应的圆心角为γ(单位：rad)，则圆弧AE的长度为

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在直角ΔADE中，直角边AE的长度与圆弧AE相同，则螺旋角α为

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2.3 槽宽w

如图2所示，槽宽w可以表示为螺旋槽的两条槽顶螺旋线之间的距离，即DF。在计算与求解过程中，圆弧CD位于半径为R的槽顶圆周上，设其在槽顶圆柱面展开之前所对应的圆心角为 θ(单位：rad)，因而圆弧CD的长度可以表示为

传感器是整个测量系统的核心部件，主要用于工件坐标系的建立与整个测量过程的实现。为了快速而精确地采集螺旋槽特征的形貌数据，本文选用了以色列OPTIMET公司的ConoProbe系列锥光偏振全息激光测头作为测量系统的前端传感器，如图6所示。

根据燃油喷嘴旋流器的设计指标，要求槽宽w的单次测量极限误差≤±0.03mm。

3 系统的设计与搭建

3.1 总体机械结构

根据以上提出的螺旋槽特征的测量与解算方法，本文基于多轴运动机构和光学测头等，设计并搭建了模块化的燃油喷嘴螺旋槽精密测量系统。如图3所示，该测量系统的总体布局为立柱移动型的三坐标测量机结构，主要由基座、直线运动轴、回转运动轴和光学扫描测头等模块组成。其中，基座采用具有变形小、不生锈和稳定性好等优点的泰山青花岗石材料制成，用以作为整个测量系统的承载部件；直线运动轴和回转运动轴用于实现预定的测量轨迹；而光学扫描测头则用于测量数据的采集。

测量系统的运动模块由三个直线运动轴X、Y、Z和一个回转运动轴A构成。其中，X、Y和Z轴集成在一起，而A轴单独布置，因而被测的燃油喷嘴零件可以通过专用夹具装夹在A轴上。为了保证系统的运动精度和平稳性，X轴和A轴的运动模块均直接安装到基座上，并且将X轴运动模块设计为宽台面的结构形式，然后再将Y轴运动模块安装到X轴托板上。而Z轴运动模块则先安装在花岗石立柱上，而后再整体安装到Y轴托板上。最后，将光学测头支架安装在Z轴运动模块的托板上。

图3 测量系统的总体机械结构Fig.3 Mechanical structure of the measuring system

在直线运动模块中，X、Y和Z轴均采用了“伺服电机+滚珠丝杠”的传动形式，并且配置了奥地利RSF Elektronik公司的MS 30.83 MA型单场扫描场敞开式的直线光栅尺。该型光栅尺的信号质量对时间和温度不敏感，并且支持高速运动，经过50倍细分后的分辨率可以达到0.1μm，从而确保了X、Y和Z三个直线运动轴能够实现精确的位置闭环控制。同时，为了平衡Z轴负载的重量以便于通过控制获得较高的定位精度，本文对Z轴做了配重设计，根据实际测量值选用了恒力弹簧(2×3kg)的配重形式，以使Z轴托板在上升和下降过程中的负载是均衡的。相对于配重块，恒力弹簧的惯性较小，因而会相应地减小伺服电机的输入惯量，从而使测量系统的Z轴可以更快地到达预定位置，有效提高了系统的运行效率。

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在回转运动模块中，采用了日本Yaskawa公司的SGMCS型直接驱动伺服电机作为系统的回转运动轴，该型电机可以在不带减速器的状态下直接驱动负载，额定转矩为4.0N·m，并且内置了20位的高分辨率编码器，转角定位精度可以达到1″，因而可以将被测零件精确定位到所需的角度位置。为了进一步降低系统误差，还需要通过机械调整与找正以使A轴的回转轴线与Z轴的运动方向平行。

3.2 电气控制模块

为了使所搭建的燃油喷嘴螺旋槽精密测量系统的配置、运动和操作等更具快速性、灵活性和实时性特点，本文采用了二级位置闭环的数字复合控制架构形式，由上位机与下位机组成主从控制方式，其技术方案如图4所示。

图4 基于PMAC的多轴运动控制系统Fig.4 Multi-axis motion control system based on PMAC

该光学测头的测量精度可以达到亚微米级，激光光斑的直径小至6μm，重复测量精度小于0.2μm(1σ)，鲁棒测量频率最高可达3000Hz，并且可以进行大角度测量，其最大可测角度范围为空间170°(±85°)。同时，其发射光束与接收光束是共线的，因而尤其适用于深径比达1∶10的孔和槽等深凹特征的检测。因此，应用该传感器可以最大程度地真实还原出被测燃油喷嘴表面的微小细节。

图5 专用上位机软件Fig.5 Special measuring software

3.3 传感器模块

在直角ΔCDF中，∠DCF=α，而斜边CD的长度与圆弧CD相同，则槽宽w为

图7 实验现场Fig.7 Experimental scene

在图4中，为了加快数据的处理速度，上位机与下位机之间采用工业以太网进行通讯。上位机为主流工控机，主要用于运行测量软件、人机交互、发布各项控制指令、监控各轴的运动状态以及接收和处理反馈信号等，同时也配备了基于喷嘴CAD模型的专用上位机软件，如图5所示；下位机为专用运动控制器，其核心为可编程的多轴运动控制器，主要用于接收上位机发出的运动指令并进行实时控制与插补运算，同时也对各轴的角摆误差、直线度误差、垂直度误差等进行补偿，以实现精确的伺服运动控制，使经过误差补偿后的四轴运动模块的空间定位精度达到了5.0μm。

4 实验验证

选取两个与燃油喷嘴中心轴线垂直且相互距离为H的平行截面，并与槽顶圆柱面相交。为了便于观察和显示，将槽顶圆柱面绕中心轴线展开在平面上，如图2所示，则其螺旋角α即为槽顶螺旋线的螺旋升角。

在测量过程中，首先，根据回转轴A的位置标定结果，通过上位机程序控制测量系统的X、Y和Z轴带动光学测头运动，使其测量光束与喷嘴零件的中心轴线垂直相交。然后，按照规划好的测量轨迹开始测量并进行实测点云数据的采集和传输，再利用上位机软件中的最小二乘拟合功能模块计算出所需要的R、r、H、γ和 θ等参数。最后，根据式(1)～(5)即可解算得到被测螺旋槽的槽深d、螺旋角α和槽宽w的数值。

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如图8所示为测量过程中，测量系统采集到的该燃油喷嘴样件的螺旋槽在相距为0.5mm的两个平行截面上的槽顶圆周的三维点云数据，对其进行最小二乘圆周拟合即可得到槽顶圆周半径R的测量结果，而r、H、γ和θ等参数的获取过程与此类似。在实验过程中，本文对沿周向均匀分布于该燃油喷嘴上的6个螺旋槽的槽深d、螺旋角α和槽宽w依次进行了10次等精度重复测量，如图9所示为其中的一个螺旋槽特征的测量结果。

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图8 槽顶圆周的三维点云Fig.8 3D Point cloud of the circumference of slot top

对图9中所示的测量结果进行数据处理与误差分析，可以进一步得出：对于该螺旋槽来说，槽深d的平均值为1.210mm，标准差为0.003mm，单次测量的极限误差为±0.009mm；螺旋角α的平均值为30.98°，标准差为0.11°，单次测量的极限误差为±0.33°；槽宽w的平均值为1.716mm，标准差为0.008mm，单次测量的极限误差为±0.024mm。根据此类燃油喷嘴组件的精度指标要求，该系统能够实现既定的测量任务，并且测量精度可以满足生产现场的使用需求。

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图9 测量结果Fig.9 Measuring results

5 结束语

本文提出了燃油喷嘴螺旋槽的槽深、螺旋角和槽宽的测量与解算方法，并采用了光学扫描测量技术与四轴联动技术相结合的方式以应对这些几何参数的快速、精确检测。所设计和搭建的燃油喷嘴螺旋槽精密测量系统，由四轴运动模块、锥光偏振全息激光测头、多轴运动控制器和专用夹具等部分构成，并且具有四轴联动测量功能。通过对某个燃油喷嘴样件的螺旋槽特征进行多次重复测量实验，并解算得到槽深、螺旋角和槽宽的几何尺寸，所得实验结果能够满足此类喷嘴零件的检测需求，因而可以作为一项燃油喷嘴结构尺寸的检测方案。