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研究背景

在航空发动机转子对接装配过程中，组件对接端面圆周分布测点的相对间隙值为工艺严控指标，其对转子装配体的同轴度、工况磨损和振动水平产生重要影响。在对接工艺过程中，通常将体积质量较大的转子固定，另一转子进行空间多自由度位姿调整和对接运动，现行业内多采用多人协作和依靠长期经验的吊运试配方式，已不再适用于现代化总装脉动线的集成需求。多自由度运动装置具有自动化程度高的特点，正逐步实现对传统人工作业方式的替代。然而，装置的应用引入了多轴机构误差至最终转子对接精度指标中，如何对转子工件对接间隙进行准确预测和有效优化，确保新装置的适用性是一项关键问题，亟需相关误差建模和补偿方法的研究。

针对航空发动机转子调姿对接专用六自由度装置开展了误差建模和补偿研究。首先，基于齐次变换提出了转子端面对接间隙表征方法；然后，根据运动需求设计了新型六自由度混联装置，通过五参数的D-H法和微分变换建立了机构误差传递模型，提出了系统性误差直接补偿和误差转换矩阵迭代补偿法；最后，根据上述误差模型，建立了与实际工序高一致性的转子对接间隙蒙特卡洛模拟算法，并进行了实验验证。本文内容对航空发动机转子制造行业具有工程参考意义。

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亮点创新

根据转子运动件在对中调姿后（轴向对接前）的间隙测量工艺要求，如图1所示，通过齐次坐标变换方法建立空间间隙表征模型，如图2所示。

图1典型航空发动机转子的对接精度图2转子对接间隙几何模型

设计了航空发动机转子对接专用六自由度自动化运动装置，包括X/β轴升降俯仰并联位姿调整部件、Y轴水平横向调整部件、Z轴水平轴向对接部件、α轴水平偏转调姿部件和γ轴周向滚转调姿部件，如图3所示。在机构各运动轴处设定D-H坐标系，如图4所示，通过D-H变换和微分变换建立各轴误差向末端工件的误差传递关系。

图3转子六自由度对接装置结构示意图

图4装置机构和D-H坐标系设定

由于六自由度机构的空间可达性，末端工件系统性综合误差矩阵理论上可直接由六轴的微平移或微旋转予以补偿，因此提出了系统性误差直接补偿法；如果控制工件位姿的NC指令使工件相对目标位姿预先产生偏移和偏转，并与预测误差保持方向相反的同值偏差，那么工件实际位姿会朝向目标位姿进行补偿调整，基于此提出误差转换矩阵迭代补偿法，流程如图5所示。

图5误差转换矩阵迭代补偿法流程

建立了转子对接间隙的蒙特卡洛模拟算法，流程如图6所示，在每次对接模拟中，对转子初始位姿进行随机化设定，装置中运动随机误差根据对应轴的定位精度范围进行采样，静态系统误差进行直接输入，经过工件误差运算和不同方式的补偿模块计算后，对对接间隙进行输出，如图7所示，从而实现不同补偿方法的对比。

图6蒙特卡洛模拟算法流程

（a）系统性误差直接补偿法下的最大间隙

（b）误差转换矩阵迭代补偿法下的最大间隙

图7模拟对接精度的分布图

搭建转子对接新型实验系统，如图8所示，根据不同补偿方法进行多组对接实验，并将结果与对应模拟结果进行对比分析，如图9所示，实现误差模型的验证。

图8实验条件

图9实验与模拟结果对比

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主要结论

开展了航空发动机转子六自由度对接装置的误差建模与补偿研究，得到以下结论：

1）通过模拟和实验得到的转子对接最大间隙均值及间隙标准差均值的偏离率均低于20%，误差建模方法得到验证，具有一定的精度和参考意义。

2）在模拟和实验结果中，两种误差补偿方法使最大间隙均值及间隙标准差均值均降低了50%~65%，同时，最大间隙指标的合格率提升至高于97%，提出的补偿方法取得显著效果。

3）二次迭代的误差转换矩阵迭代补偿法较三次迭代的系统平均计算时长降低了35.5%，而两者的误差补偿效果相近，故前者为优选的补偿方法。

下一步工作将着重提升建模精度和补偿效果，包括将转子形位误差集成至对接模拟算法，建立装置负载下的刚度模型，以及研究硬件补偿方法等，以期对转子对接装配的工程实用化进一步推动作用。

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团队介绍

周天一，博士研究生，大连理工大学机械工程学院，主要从事航空发动机装配技术研究。

高航（通讯作者），教授，博士生导师，大连理工大学机械工程学院，主要从事航空航天复杂零部件装配技术、精密与超精密加工技术、自动化和智能化工艺装备研制技术等研究。

王宣平，副教授，博士生导师，大连理工大学机械工程学院，主要从事航空航天复杂零部件装配技术、光整加工技术、特种加工技术等研究。

李论，博士研究生，大连理工大学机械工程学院，主要从事航空构件自动化测量技术研究。

柳清，工程师，中国航发沈阳黎明航空发动机有限责任公司，主要从事航空发动机装配技术研究。

引用格式:

ZHOUTianyi,GAOHang,WANGXuanping,LILun,LIUQing.Errormodelingand

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