激光测距技术的直升机尾传动轴同轴度检测仪设计-马.doc

第二十八届（2012）全国直升机年会论文基于激光测距技术的直升机尾传动轴同轴度检测仪设计马虎 曹国廷 范常泉（1空军第一航空学院，河南信阳，464000）摘 要：尾传动轴同轴度测量是直升机维修过程中的一项重要工作，目前部队一般采用百分表测量，不同系列的直升机测量部位和夹具不同，且测量时间长、稳定性不好。本文介绍了一种基于激光测距技术的非接触式测量方法，该法通用性好，且克服了传统测量的缺点，具有一定的推广使用价值。关键词：尾传动轴；激光；同轴度 1 引言直升机尾传动轴分段布置，各段传动轴之间靠联轴节连接以补偿尾传动轴旋转时的长度变化和角度变化，从而满足同轴度要求，若尾传动轴各段之间的同轴度超过一定限制，会使直升机振动加大，影响飞行的安全性。不同类型的联轴节测量方法不同，对于挠性联轴节，通过测量各联轴节处的径向跳动量和轴向跳动量来判定同轴度是否超差，如图1所示；对于球面套齿式联轴节，通过测量轴的倾斜度来判定同轴度是否超差，如图2所示。图1 百分表测量尾传动轴联轴节径向和轴向跳动量原理图图2 百分表测量尾传动轴倾角安装及原理图在直升机维修过程中，尾转动轴同轴度的测量是一项重要内容，是监测尾轴工作状态是否良好，进而确保直升机飞行安全的重要手段。目前，部队通常采用百分表来测量尾传动同轴度。不同类型联轴节百分表的固定夹具不同，测量点每更换一次，需重新安装一次夹具，每装一次夹具，百分表需重新校正一次，完成一架直升机尾轴的同轴度测量至少需要半个工作日，另外此法只适合于停车状态下静态测量尾传动同轴度，无法在发动机试车条件下对尾传动轴同轴度进行动态测量。本文设计了一种基于激光测量技术的同轴度通用检测设备，它不仅适合于各种类型的直升机，而且对缩短直升机维修时间，提高直升机的战备完好率，具有积极意义。2 设计思路在对尾传动轴同轴度测量时，采用的是百分表，而百分表的精度为0.01mm，常用的激光测距方法达不到此精度。本文采用激光三角形测距方法，该法适合于短距离测量，测试精度可达微米级，完全满足尾传动轴同轴度的测量。激光三角形测量系统如图3所示，它主要由光电二极管列阵，激光发射器，透镜及信号处理单元组成。激光发射器、光电二极管及透镜的位置是固定的，光电二极管列阵通过透镜观察激光束照射在被测工件表面形成的光斑，被测距离OA与光电二极管列阵上的光斑位置N相对应，它们之间的关系仅和系统的几何形状有关，当被测面移动时，光斑位置N发生变化，光电二极管列阵随光斑位置的变化而产生不同的信号，通过信号处理单元对光电二极管列阵输出的信号进行采集和处理，可计算出与信号大小相对应的被测距离OA值。图3 激光三角形测距原理图2.1 同轴度检测仪硬件组成检测仪主要由激光三角测量传感器、信号放大器、16位A/D转换、 C8051F350单片机、ARM芯片（S3C6410）和液晶触摸显示屏（5.6英寸）组成，其组成框图如图4所示。 激光传感器信号放大器C8051F410单片机串口通信ARM11芯片（S3C6410）液晶触摸显示屏16位A/D转换图4 同轴度检查仪的硬件组成框图 激光三角测量传感器用于测量传感器与被测部件表面之间的垂直距离，输出模拟电压信号，由于该信号较弱，一般不超过几十毫伏，所以需要进行信号放大。放大后的电压信号再送入后级16位A/D转换模块，转换后的数字信号被送入单片机C8051F410。单片机对输入的数字进行初步的运算处理后，再将处理结果通过RS232串口发送到ARM芯片S3C6410，在软件控制下将检测结果显示到液晶显示屏上。2.2 激光三角测量传感器接口电路原理图设计激光三角测量传感器是设备前端的关键部件，本文选用Micro Epsilon公司生产的OPTONCDT 1401激光传感器。该传感器装在铝外壳中，内部包括激光发射器、带光学聚焦系统的光电二极管阵列及信号调理电路。为实现传感器输出弱信号的放大和抗环境温度干扰能力，本文选择了零漂移放大器OPA2188，传感器接口电路如图5所示。图5 接口电路原理图激光三角传感器OPTONCDT 1401的引脚1、引脚4为差分输出引脚，该差分信号被送入零漂移放大器OPA2188的引脚4和引脚5进行放大，放大后的差分模拟电压可被后级A/D转换电路转换为数字信号。2.3 单片机C8051F410与ARM6410的串口通讯接口电路 图6 单片机与ARM芯片的串口通讯接口电路激光测距信号转换后的数字信号被单片机采集、处理后需要送到ARM6410硬件平台，以在软件控制下将检测数据输出到液晶屏幕上，该数据传输通过图6所示的RS232串口通讯接口实现。两者之间通讯时需用SP3232实现电平转换。C8051F410单片机的串口通讯程序用C语言开发，而ARM6410芯片（S3C6410）的串口驱动程序则在VS2005平台上用VC+语言开发。3 小结本文提出了基于激光三角形测距技术的直升机尾传动轴同轴度测量法，该法与传统的百分表测量法相比有如下优点：（1）采样点多，随机误差小。利用百分表测量法，为了减少夹具拆装的次数，通常取尾传动轴转动一周范围内的0、90、180、270四个点为采样点，另外，若夹具安装不准，还会造成随机误差。而激光三角形测距为非接触测量，夹具安装只需一次，在传动轴转动一周范围内的任意点都可作为采样点，不存在夹具反复安装造成的随机误差。（2）测量值直接显示，消除了人为读表误差。尾传动轴安装在直升机的尾梁上，在进行同轴度测量时，维护人员借助于梯子趴在尾梁上读百分表数值，容易产生人为读表误差，而采用激光三角形测距法，维护人员通过手持式显示器直接读取测量值。（3）测量速度快，既可实现动态测量又可实现静态测量。采用激光三角形测距法，降低了夹具拆装的频率和复杂程度，另外，嵌入式系统可自动读取数据，实时显示距离值，并根据所测得的数据，自动计算出尾传动轴的同轴度是否超差，因此提高了测量速度。另外，该法为非接触测量，测试设备与尾传动轴无直接接触，因此在发动机试车条件下，也可对尾传动轴的同轴度进行动态测量。根据静态测量和动态测量的数据，可更加准确的判定尾传动轴的振动水平。参 考 文 献1 米-171维护手册，总参军种部陆航局，1994。2 直-8K维护手册，中国直升机设计研究所，2005。3 赵传杰等，一种新型的米系列直升机尾轴间隙综合测量设备，第二十六届全国直升机年会论文集，2010。Design of Coaxiality Measurement for Tail Rotor DriveShaft Based on Laser TelemeterMA Hu Cao Guo-ting Fan Chang-quan（The First Aeronautical College of the Air Force,Xinyang,Henan,464000）Abstract: It is important to measure the coaxiality of tail rotor drive shaft during helicopter maintenance. Centesimal gauge is usually adopted for measuring the coaxiality in army at present. The traditional method expends more time and causes instability ,moreever the clamps of centesimal gauge are changed according to different helicopters.A new noncontact measurement method based on laser telemeter is introduced in this arti