航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子柔性裝配系統(tǒng)平臺構(gòu)型

劉思佳，李松林，石 宏

(沈陽航空航天大學(xué)航空航天工程學(xué)部(院)，沈陽 110136)

發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子的不同心度和不平衡量對整機(jī)的振動(dòng)響應(yīng)影響較大，因此轉(zhuǎn)子裝配在航空發(fā)動(dòng)機(jī)的裝配制造中占有重要的地位［1］。采用數(shù)字化裝配方式［2］改變航空發(fā)動(dòng)機(jī)傳統(tǒng)的裝配方式，提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)的裝配制造效率和質(zhì)量，是航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造技術(shù)的重要發(fā)展方向之一［3］。航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，裝配過程中為保證部件、組件及零件間的相互位置正確，使用大量的專用夾具［4］。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)外形或結(jié)構(gòu)發(fā)生改變時(shí)必須有配套的專用夾具，增加了工裝的設(shè)計(jì)時(shí)間和難度。柔性工裝［5－8］是針對某類結(jié)構(gòu)相近產(chǎn)品所使用的工裝，這類工裝的結(jié)構(gòu)是針對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)在一定范圍內(nèi)的變化進(jìn)行工裝零、組件的調(diào)節(jié)或局部重組，以適應(yīng)相近的不同機(jī)型的產(chǎn)品零件加工或裝配工裝的需要［9］。因此，柔性工裝可以有效地提高發(fā)動(dòng)機(jī)制造效率并節(jié)約裝配成本，本文結(jié)合航空發(fā)動(dòng)機(jī)并聯(lián)柔性工裝及航空發(fā)動(dòng)機(jī)盤類轉(zhuǎn)子的共性，并借鑒模塊化柱式結(jié)構(gòu)［10］的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種適用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子裝配的柔性工裝系統(tǒng)。

1 柔性工裝系統(tǒng)平臺構(gòu)型

1.1 構(gòu)型設(shè)計(jì)

航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子柔性裝配［11－14］系統(tǒng)由軸輸送平臺、盤定位裝置共同構(gòu)成，如圖1(a)所示，裝配系統(tǒng)可根據(jù)裝配基礎(chǔ)件的結(jié)構(gòu)變化，自動(dòng)調(diào)整工裝定位點(diǎn)的位姿(位置和姿態(tài))和布局，通過改變定位和夾緊位置，以適應(yīng)某一特定發(fā)動(dòng)機(jī)的改進(jìn)型號部件、單元體或具有相似結(jié)構(gòu)的其它型號發(fā)動(dòng)機(jī)的部件、單元體的定位要求，并通過傳感器、控制系統(tǒng)等控制柔性裝配工裝實(shí)現(xiàn)自動(dòng)定位、控制工裝主體位姿變化、完成柔性對接平臺自動(dòng)對接功能等。

軸輸送平臺采用模塊化的柱式結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的自動(dòng)裝配，用兩組專用電磁吸附式定位器夾持軸類組件。該平臺由互相垂直的X、Y、Z模塊、裝配機(jī)械手、控制系統(tǒng)和可自由轉(zhuǎn)動(dòng)的蝸輪、蝸桿機(jī)構(gòu)等組成。X、Y模塊由底座、導(dǎo)軌、絲杠和伺服電機(jī)組成，Z向由立柱柱身、導(dǎo)軌、絲杠、渦輪、蝸桿、伺服電機(jī)和定位器組成，柱身可在伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)下實(shí)現(xiàn)360°旋轉(zhuǎn)，定位器通過旋轉(zhuǎn)軸固定在連接板上并由伺服電機(jī)控制，可實(shí)現(xiàn)360°旋轉(zhuǎn)裝配。平臺根據(jù)軸的定位需要調(diào)節(jié)滾珠絲杠上下移動(dòng)，夾取并準(zhǔn)確定位待裝配軸，而后由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)立柱移動(dòng)(或旋轉(zhuǎn))至準(zhǔn)確的盤、軸對接裝配位置進(jìn)行盤、軸對接裝配。

盤定位平臺針對前期設(shè)計(jì)的并聯(lián)結(jié)構(gòu)盤柔性定位裝置進(jìn)行改進(jìn)，增加了旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和導(dǎo)向定位器，由定位臂組件、定位滑塊組件、導(dǎo)向器和伺服電機(jī)組成。工作時(shí)，由定位臂和定位滑塊同時(shí)定位基準(zhǔn)盤。定位臂負(fù)責(zé)定位盤外部輪廓，定位臂組件中的定位塊頭部為圓柱型，可根據(jù)定位件的結(jié)構(gòu)選擇更換定位塊裝配頭;定位滑塊定位輪盤下部基準(zhǔn)面，定位時(shí)，定位滑塊上端面需與盤的裝配基準(zhǔn)面完全重合進(jìn)而精確定位盤基準(zhǔn)面。工件定位完成后，將定位塊通電，實(shí)現(xiàn)對盤的穩(wěn)定夾持、定位。為了實(shí)現(xiàn)盤的順利裝配，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)盤裝配不便調(diào)整裝配角度時(shí)，工裝可由伺服電機(jī)控制，使其在0°～360°間自動(dòng)旋轉(zhuǎn)至任意適合裝配的角度，進(jìn)而在合理的裝配空間內(nèi)完成相應(yīng)的裝配;3組導(dǎo)向器針對盤、軸裝配時(shí)軸的導(dǎo)向定位設(shè)計(jì)。以上定位機(jī)構(gòu)均由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)并調(diào)整定位位姿，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子柔性裝配平臺數(shù)字化、柔性化和自動(dòng)化。

當(dāng)系統(tǒng)平臺進(jìn)行轉(zhuǎn)子裝配對接時(shí)，盤定位裝置在盤裝配定位成單元體之后，由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)使其逆時(shí)針軸向旋轉(zhuǎn)90°，然后由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)軸輸送平臺的滾珠絲杠調(diào)整X，Y，Z軸的位姿，驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)柱身和定位器組件的旋轉(zhuǎn)，當(dāng)軸輸送平臺定位、夾持軸旋轉(zhuǎn)或移動(dòng)至與盤同心位置時(shí)，將柔性裝配系統(tǒng)平臺進(jìn)行移動(dòng)對接完成盤、軸的裝配。

圖1 柔性裝配系統(tǒng)平臺及典型部件示意圖

1.2 柔性工裝系統(tǒng)工作原理

航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子部件在裝配過程中通常以盤或盤軸組合件作為裝配基礎(chǔ)件，采用立、臥或立臥轉(zhuǎn)換方式在專用工裝上進(jìn)行裝配［15］，在裝配過程中通常選擇某級盤為定位基礎(chǔ)件，定位、夾緊后，逐級安裝各級盤，定位方式及精度對裝配質(zhì)量至關(guān)重要。本文設(shè)計(jì)工裝系統(tǒng)的工作原理以某型發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子裝配為例，主要用來說明壓氣機(jī)部分的定位方法。壓氣機(jī)由低、高壓壓氣機(jī)共同構(gòu)成，裝配時(shí)通常以二、四級盤為裝配基礎(chǔ)件，由于低壓壓氣機(jī)的盤、軸可以代表壓氣機(jī)的共性，因此，主要介紹低壓壓氣機(jī)盤、軸實(shí)際裝配過程中盤、軸定位器的定位方式及工作原理。

盤定位器由定位臂組件、定位滑塊組件和導(dǎo)向器等組成，如圖1(b)所示。以低壓盤裝配成單元體為例，以二級盤為裝配基礎(chǔ)件進(jìn)行定位，裝配時(shí)，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)移動(dòng)滑塊和定位臂同時(shí)運(yùn)行，當(dāng)二級盤與定位臂(可互換)的定位塊同心時(shí)外部定位完成，定位塊在定位臂定位的同時(shí)，要根據(jù)定位需要移動(dòng)至基準(zhǔn)盤的定位面完全貼合定位(定位塊防護(hù)層的功用是保護(hù)盤不受損傷)，此時(shí)基準(zhǔn)盤定位完成，隨后通電，電磁吸附夾緊基準(zhǔn)盤。定位方法:裝配時(shí)，根據(jù)傳感器的反饋信息得知盤外側(cè)定位點(diǎn)處位置坐標(biāo)，得出定位臂需要移動(dòng)的距離，由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)定位臂運(yùn)行至指定位置，定位、夾緊盤外側(cè)表面，同時(shí)定位滑塊根據(jù)盤的下落位置調(diào)整滑塊移動(dòng)至實(shí)際定位點(diǎn)處，滑塊上端面與盤定位面完全貼合定位，隨后通電，定位器電磁吸附定位、夾緊工件。軸定位器由定位臂組件、導(dǎo)桿和連接塊等組成，如圖1(c)所示。以低壓氣機(jī)軸裝配為例，定位塊(按實(shí)際需要可拆卸更換)采用外形定位的設(shè)計(jì)方式，針對低壓壓氣機(jī)軸定位處的實(shí)際形狀設(shè)計(jì)，將軸的定位特征集成到兩組定位器上。定位方法:兩組定位器根據(jù)軸的定位位置，由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)定位臂，使其沿導(dǎo)桿移動(dòng)至軸定位點(diǎn)，吸附夾緊。裝配時(shí)，左右兩列、上下兩組定位臂同時(shí)沿導(dǎo)桿運(yùn)動(dòng)至軸的定位點(diǎn)，與定位臂相連的驅(qū)動(dòng)滑塊與導(dǎo)桿連接以圓柱副配合，可實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)沿導(dǎo)桿的移動(dòng)。當(dāng)軸較長時(shí)，定位組件可沿滑軌同時(shí)向兩側(cè)移動(dòng)，并根據(jù)軸的實(shí)際結(jié)構(gòu)通過上滑塊移動(dòng)調(diào)整兩組定位器距離，從而使定位器可以滿足不同尺寸軸的定位。

軸輸送平臺傳動(dòng)原理如圖2所示，根據(jù)裝配軸模型在對接姿態(tài)調(diào)整的過程中X，Y，Z 3層移動(dòng)平臺的位置規(guī)劃，確定各移動(dòng)平臺移動(dòng)的行程。在設(shè)計(jì)中，底座上各移動(dòng)平臺的運(yùn)動(dòng)由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過絲杠傳動(dòng)和直線導(dǎo)軌導(dǎo)向而實(shí)現(xiàn)。不同平臺用不同絲杠，并設(shè)有光柵尺檢測位移，將位置信號返回至控制系統(tǒng)，構(gòu)成閉環(huán)控制方式。X，Y，Z 3個(gè)方向可以實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)控制。其中帶旋轉(zhuǎn)變壓器的伺服電機(jī)、帶預(yù)載的高精度滾珠絲杠及高精度直線導(dǎo)軌(X，Y向)在結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)上提高和保證了系統(tǒng)的傳動(dòng)精度。采用封閉式光柵尺，在每個(gè)方向上采用全閉環(huán)控制，可以提高系統(tǒng)的控制精度，X，Y方向的電機(jī)帶有抱閘，鎖緊柱身在X，Y方向的位置，Z向有蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)可以自鎖。為了避免在位姿調(diào)整時(shí)的意外情況使轉(zhuǎn)子盤、軸部件受力過大而損壞，Z向設(shè)計(jì)了壓力傳感器，通過力的反饋來控制柱身上定位器的進(jìn)給，在控制上提高了系統(tǒng)工作的安全性，X，Y，Z 3個(gè)方向分別設(shè)計(jì)了機(jī)械限位和限位開關(guān)，在結(jié)構(gòu)上提高了工作的安全性。

圖2 軸輸送平臺傳動(dòng)圖

2 典型部件強(qiáng)度與剛度分析

2.1 盤裝配定位機(jī)構(gòu)強(qiáng)度與剛度分析

影響機(jī)構(gòu)靜剛度的主要因素有:主動(dòng)鏈中驅(qū)動(dòng)桿剛度和餃鏈點(diǎn)剛度，約束鏈的剛度。在傳遞力和力矩的過程中傳動(dòng)鏈中每個(gè)機(jī)械構(gòu)件都會(huì)產(chǎn)生變形。以盤裝配定位機(jī)構(gòu)為例，當(dāng)忽略連桿重力、鉸鏈的剛度和定位臂與盤的摩擦力影響時(shí)，盤定位機(jī)構(gòu)的剛度取決于傳動(dòng)剛度。設(shè)施加在動(dòng)平臺的力(各定位滑塊的驅(qū)動(dòng)力、基準(zhǔn)盤重力)為:F=［fx，fy，fz，m］T，各定位臂驅(qū)動(dòng)力為:Fd=［f1，f2，f3］T，則有

其中，Kt為盤定位裝置的傳動(dòng)剛度，Kt=diag(Kti)i=1，2，3;Kti為第 i個(gè)分支的傳動(dòng)剛度;Δl為因傳動(dòng)剛度引起的驅(qū)動(dòng)位移變形。與之相對應(yīng)的定位滑塊終端變形為 ΔOp=［Δx，Δy，Δz］T。

在靜平衡條件下，令定位滑塊驅(qū)動(dòng)虛位移δl= ［δl1，δl2，δl3］T，與 δl對應(yīng)的終端位移為 δOp=［δx，δy，δz］T，則有

由虛功原理得

將式1，2，3分別代入上面的式子有

令K=JTKtJ，則K即為輪盤定位機(jī)構(gòu)的靜剛度矩陣。式(5)為輪盤定位裝置的靜剛度模型。由于靜剛度矩陣比較復(fù)雜，用代數(shù)方法計(jì)算繁瑣，本文利用ANSYS Workbench對盤工裝典型部件做受力分析，盤定位裝置的定位組件由3組相同的串聯(lián)分支相互焊接組成，焊后去應(yīng)力，理論上3部分受力完全相同，所以將模型簡化分析時(shí)，相同且對稱的單個(gè)組件上的作用力為總重力的1/3，將壓力施加于算例模型上，定位組件的材料均選為Q235－A(彈性模量為2.12E+11 N/m2，屈服強(qiáng)度為2.35E+08 N/m2)以某型低壓壓氣機(jī)為例，對其1、2、3級盤及低壓軸進(jìn)行裝配，以其總重的50%為裕度進(jìn)行壓力施加，因此對定位滑塊的壓力為392.4 N、對定位滑塊施加推力0.84 N，對定位臂的推力為14.97 N，設(shè)置全局約束及固定端約束。盤定位裝置的典型部件的網(wǎng)格劃分如圖3(a)所示，靜力學(xué)仿真后該模型由圖3(b)可知，應(yīng)力較大區(qū)域分布在與定位滑塊相連的導(dǎo)桿上和定位臂組件與導(dǎo)桿接觸的移動(dòng)滑塊上，主要是由于定位臂相對較重且定位臂的質(zhì)量都集中在了其滑塊上，導(dǎo)致定位臂和導(dǎo)桿的滑動(dòng)部位相接處區(qū)域應(yīng)力較大，而盤裝配定位時(shí)，盤的壓力集中在定位滑塊上并且導(dǎo)桿是直接承力部件，因此應(yīng)力較大位置出現(xiàn)在該區(qū)域，而應(yīng)力較小的區(qū)域主要分布在遠(yuǎn)離盤施壓位置的固定基座上，其中最大應(yīng)力為28.894 MPa，該值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于材料屈服強(qiáng)度，滿足強(qiáng)度要求，由圖3(c)可知，位移最大值發(fā)生在定位滑塊上，是由于盤重力直接施加在定位滑塊上，故定位滑塊的變形相對較大，變形最大值為0.121 1 mm，該變形相對較小且發(fā)生在定位滑塊前端面，且定位滑塊定位面為上端面，因此不影響定位精度，符合剛度要求。

圖3 輪盤定位裝置典型部件示意圖

2.2 軸裝配工裝定位結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與剛度分析

軸裝配定位裝置的定位組件由兩部分完全對稱的定位分支組成，如圖1(c)所示，理論上左右兩部分受力是平均且相同的，因此將模型簡化分析時(shí)，單個(gè)組件作用力為總壓力的1/2，將壓力施加于算例模型的定位滑塊上，定位組件的材料全部選為Q235－A(彈性模量為2.12E+11 N/m2，屈服強(qiáng)度為2.35E+08 N/m2)以某型低壓軸為例，進(jìn)行裝配并對其以總重的50%為裕度進(jìn)行壓力施加。因此，裝配時(shí)對定位滑塊的壓力為147.89 N，定位滑塊克服滑動(dòng)摩擦的力為2.543 N，設(shè)置全局約束及固定端約束，軸裝配工裝典型部件網(wǎng)格劃分如圖4(a)所示。經(jīng)靜力學(xué)仿真后，由圖4(b)可知，應(yīng)力較大區(qū)域主要集中在定位臂組件的驅(qū)動(dòng)滑塊上，主要是由于定位臂部件較多相對較重，同時(shí)驅(qū)動(dòng)滑塊又是承擔(dān)軸重力的主要承力部件。其最大應(yīng)力為0.001 514 8 MP，該值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于材料屈服強(qiáng)度，滿足強(qiáng)度要求，由圖4(c)可知，位移最大值發(fā)生在移動(dòng)滑塊上，主要由于軸的重力直接施加在下側(cè)定位臂的定位塊上，因此下部定位臂的定位塊變形較大，最大值為0.043 65 mm，該值相對較小，滿足裝配軸定位的技術(shù)要求，不影響定位精度，因此滿足發(fā)動(dòng)機(jī)軸裝配設(shè)計(jì)要求。

圖4 軸裝配工裝典型部件示意圖

3 結(jié)論

本文針對傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子裝配方法，借鑒了飛機(jī)部件級的數(shù)字化柔性工裝、航空發(fā)動(dòng)機(jī)盤類轉(zhuǎn)子柔性裝配工裝的優(yōu)點(diǎn)，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用電磁吸附定位，設(shè)計(jì)了航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子柔性裝配系統(tǒng)平臺，并利用有限元軟件對柔性工裝系統(tǒng)重要結(jié)構(gòu)部件進(jìn)行靜力學(xué)分析，驗(yàn)證了可行性，實(shí)現(xiàn)了以盤類部件為裝配基準(zhǔn)的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子部件的柔性化和自動(dòng)化裝配。在位姿調(diào)節(jié)上具備了機(jī)械手的靈活性，且定位具有精度高承載能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。其應(yīng)用可以減少專用剛性型架、縮短研制周期、通過自動(dòng)裝配提高裝配質(zhì)量和生產(chǎn)效率，具有推廣價(jià)值。

［1］劉君，吳法勇，王娟.航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子裝配優(yōu)化技術(shù)［J］.航空發(fā)動(dòng)機(jī)，2014(3):75 －78.

［2］陳雪梅，劉順濤.飛機(jī)數(shù)字化裝配技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用［J］.航空制造技術(shù)，2014(1/2):60 －65.

［3］李偉楠，朱寧，石宏，等.航空發(fā)動(dòng)機(jī)盤類轉(zhuǎn)子柔性裝配工裝構(gòu)型研究［J］.沈陽航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，30(3):6 －9.

［4］石宏.航空發(fā)動(dòng)機(jī)裝配工藝技術(shù)［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2015.

［5］郭洪杰，康曉峰，王亮，等.飛機(jī)部件裝配數(shù)字化柔性工裝技術(shù)研究［J］.航空制造技術(shù)，2011(22):94－97.

［6］王建華，歐陽佳，陳文亮.飛機(jī)柔性裝配工裝關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展趨勢［J］.航空制造技術(shù)，2013(17):49－52.

［7］王亮，李東升.飛機(jī)數(shù)字化裝配柔性工裝技術(shù)體系研究［J］.航空制造技術(shù)，2012(7):34－39.

［8］劉洪.飛機(jī)工裝設(shè)計(jì)制造技術(shù)探討［J］.航空制造技術(shù)，2006(12):69－71.

［9］王巍，賀平，萬良輝.飛機(jī)柔性裝配技術(shù)研究［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2006(11):88－90.

［10］王仲奇，康永剛，王輝坪，等.飛機(jī)部件級的數(shù)字化柔性工裝設(shè)計(jì)［J］.航空制造技術(shù)，2011(22):24.

［11］何勝強(qiáng).飛機(jī)數(shù)字化裝配技術(shù)體系［J］.航空制造技術(shù)，2010(23):32－37.

［12］石宏，王晶，陳英濤.航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字化裝配技術(shù)淺析［C］.第三屆民用飛機(jī)先進(jìn)制造技術(shù)及裝備論壇論文匯編，廣州:2011.

［13］郭恩明.國外飛機(jī)柔性裝配技術(shù)［J］.航空制造技術(shù)，2005(9):28－32.

［14］鄒方，薛漢杰，周萬勇，等.飛機(jī)數(shù)字化柔性裝配關(guān)鍵技術(shù)及其發(fā)展［J］.航空制造技術(shù)，2006(9):30－35.

［15］北京航空學(xué)院，渦噴七發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)［M］.北京:北京航空學(xué)院，1978:8－9.