激光测距技术在桨毂限动器动态测试中的应用
激光测距技术在桨毂限动器动态测试中的应用
作者:李武立;高泽普
介绍激光测距测距传感器在某型直升机桨毂限动器角度在线测量中的应用,阐述了限动器角度在线测量原理、设备结构、测量方法等内容。限动器角度在线测量设备采用激光测距技术和伺服系统控制技术,实现了测试过程的智能化 基于KingView应用软件平台,通过高精度激光测距传感器精确测量限动器打开或闭合的距离值,输入至计算机进行计算。获得限动器打开、闭合过程的角度值,以判定限动器在规定转速下打开、闭合是否符合工艺要求。角度值通过高精度角度检测工装进行校验,以确保测量数据准确、可靠。该设备已在多型直升机限动器测试中应用,显著提高了测试效率和测量精度。
直升机旋翼系统产生气动力。为直升机飞行提供升力和推进力。旋翼系统由桨毂和桨叶等组成.限动器作为桨毂的主要部件,当旋翼转速增至规定转速时,限动器在离心力作用下打开0.5。即解锁释放,保证桨叶自由挥舞随着中国直升机产业的升级换代.对于直升机关键部件的检测显得极为重要。主桨毂限动器作为直升机旋翼系统的重要部件,其性能决定了直升机整机的安全性及可靠性,对直升机的安全飞行十分重要。但是,长期以来在限动器角度在线测试方面一直缺乏实用的高精度自动测试设备。直升机生产、修理过程中,均需对限动器角度进行测量。随着我国直升机装备数量的快速增长,急需研发限动器打开、闭合角度在线检测设备。设备采用激光测距原理、伺服电机控制技术和计算机控制技术,优化集成设计。研发了高精度限动器角度测试设备。
1 主桨毂限动器打开要求
桨毂有6个轴向铰,60。均匀分布,相对应地有6个限动器。在一定转速下.限动器脱扣是否正常非常关键,因为限动器脱扣不正常,轴向铰及桨叶打开不均,将会造成安全事故。因此研发限动器角度打开、关闭在线可靠检测手段尤为重要。直升机连接桨叶的轴向铰由限动器在离心力作用下脱扣后完成打开。设计要求桨毂转速上升至50r/min时限动器在离心力作用下角度Ot打开0.5o以上.能使轴向铰正常脱扣,保证轴向铰及桨叶随着转速上升向上展开。
2 项目背景
限动器角度在线测试技术难度高、测量误差大。多年来,发达国家均相继投入大量资源进行研究,20世纪50年代,美、法、俄等国曾先后应用光测照相法、电位计法、应变法进行限动器角度在线测试,测试设备复杂、精度低,效果不甚理想。1995年,美国应用集流环供电、激光测距法等方法进行黑鹰直升机挥舞角直接测量,但限动器只进行了静态测量⋯ 。在我国直升机发展的40余年的历程中,旋翼系统限动器测量一直停留在静态测量方法上,缺乏完整、可靠的在线动态测量方法和设备。随着直升机生产规模和装备数量的快速增长以及安全性、可靠性要求的提高,研制具有在线测试功能的限动器角度测试设备已成为当务之急。
3 技术方案
限动器角度在线测试设备采用激光测距技术、计算机控制和数据处理技术,集成伺服电机调速传动,在模拟旋翼系统旋转条件下。实现限动器角度在线测试。
3.1 设备组成与结构
限动器角度在线测试设备由花键齿、伺服电机机、轴承、传动主轴、摆杆安装板、激光测距传感器支架、导电滑环、激光测距传感器、测控系统等组成。激光测距传感器支架与6组桨毂限动器对应安装,呈60。均布,激光测距传感器安装在支架前端。
3.2 测量方法
限动器测试时。被试桨毂安装在试验台座花键齿上,主轴连接伺服电机。伺服电机在驱动器的控制下按计算机设定的转速和升、降速率带动桨毂及限动器旋转。高精度激光测距传感器与桨毂同步转动,分别测量6组限动器运动过程的距离变化,将在离心力作用下限动器打开或闭合的运动距离参数传输到计算机进行角度转换。测控系统采用基于KingView应用软件平台开发.通过预设的数学模型计算、分析获得限动器打开或关闭角度值,判定限动器在规定转速下打开、闭合是否符合工艺要求。角度转换精度通过高精度角度检测工装校验,确保角度测量值准确、可靠。软件系统人机交互界面友好,具有参数设置和曲线显示等功能。可设置伺服电机加速时间、匀速时间、减速时间等内容。限动器打开、闭合由指示灯在界面上直观显示,试验过程的速度一时间变化曲线、各组限动器打开或闭合角度值以及打开时的最高转速、闭合时的最低转速、转速间的差值等均实时显示或打印输出。
3.3 主要元件选用
3.3.1 激光测距传感器
激光测距传感器选用高精度URG.041X型测距传感器,利用激光直射式三角法测距原理实现与限动器间的无接触式测量,可在线连续测量。主要技术参数如下:
检测距离:2O~500 mm:
测量时间:2~7 ms:
测量精度:0.25%:
激光光源:630 nm;
输出信号:4~20 mA;
电源:18~30 V DC。
3.3.2 伺服电机
根据工艺要求,桨毂最高转速为220 r/min,加、减速时间为180 S,匀速时间可调,桨毂转速精度要求为不大于0.1 r/rain。同时还须具有调速范围宽、传动刚性好、速度稳定及具有良好的快速响应特性等要求根据上述要求,为确保测量稳定、可靠,试验设备采用伺服电机控制。按伺服电机3 000 r/min、桨毂最高转速设为250 r/min计算.
3.3.3 导电滑环
鉴于激光测距传感器与桨毂在360。圆周上同步转动,为了实现测量信号的连续传输;设置导电滑环。导电滑环主要由电刷、导电环、精密小轴承、绝缘塑胶材料、树脂黏合材料等组成。电刷采用贵金属合金材料,成“II”形与导电环的“v” 凹槽对称双接触。利用电刷的弹性力与导电环达到紧密接触连续传输信号。导电滑环采用抗干扰措施,确保测量信号无干扰、无衰减。
4 激光测距原理和角度校验
4.1 激光测距原理
激光测距由激光源、被测物体和图像接收系统(图像传感器)组成,分别布置在3个点上,构成直射式三角形结构。激光器发射激光束,入射到限动器表面后发生漫反射,反射光经接收透镜聚焦。成像在图像传感器CCD的光敏面上,经数字处理计算光斑移动位置而得到所测距离值。半导体激光发射器发出的光束经聚焦透镜聚焦并垂直投射到限动器表面形成一个光点,光点在限动器表面发生散射,其中一部分散射光经过接收透镜成像于CCD上,如果限动器位置发生变化,导致限动器上光点产生位移,那么成像器件CCD上的像点也会相应随之移动。为了保证测量精度,要求光点所成的像完全聚焦于CCD上。这样就必须满足Scheimpflug(斯凯普夫拉格)条件,即成像面、物面和透镜主面必须相交于同一直线。因此,要求接收透镜光轴与CCD接受面之间必须有一夹角卢,若像点在CCD上的移动距离为Ⅳ。
4.2 角度校验
为保证角度在线检测数据可靠、真实,需采用限动器工况模拟工装进行测量准确度校验。基于限动器打开、闭合角度变化以0.5。为基准的要求.则角度校验工装等位于限动器实际位置按打开0.5。角度来验证。角度校验采用高精度旋转变压器角度检测工装进行角度校验,其测角精度达到0.001。可满足检测角度0.5。的需要。T 艺要求角度打开、闭合精度要求不大于0.05。,根据表l所得的角度误差.桨毂限动器动态参数测试设备可满足限动器角度测量的精度要求。
5 结论
采用激光测距技术、计算机控制技术及伺服电机控制技术研制的桨毂限动器角度在线动态测试设备,实现了限动器打开、关闭角度的在线检测。测试设备采用高精度旋转变压器角度检测工装进行了校验.测量精度可满足直升机桨毂限动器的测试需求,测量精度、测试效率大幅提高。目前,测试设备已在直升机制造厂、修理厂成功应用。
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