國內(nèi)外航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字化柔性工裝研究

魏企業(yè)，于群，孫方成，石宏

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

國內(nèi)外航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字化柔性工裝研究

魏企業(yè)，于群，孫方成，石宏

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

現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)的復(fù)雜性以及精密性使得航空發(fā)動(dòng)機(jī)的裝配工作變得日趨復(fù)雜，在高裝配效率、高裝配質(zhì)量及低裝配成本等要求下航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字化柔性裝配的概念應(yīng)運(yùn)而生。針對(duì)國內(nèi)外航空發(fā)動(dòng)機(jī)典型的數(shù)字化柔性工裝進(jìn)行分析和總結(jié)，并著重對(duì)近幾年國內(nèi)科研人員在航空發(fā)動(dòng)機(jī)裝配數(shù)字化柔性工裝方面所做的研究進(jìn)行總結(jié)，在此基礎(chǔ)上對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字化柔性工裝中所涉及的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析研究。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)；數(shù)字化柔性裝配；柔性工裝

航空發(fā)動(dòng)機(jī)裝配作為其制造的關(guān)鍵性一步對(duì)于整臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能、可靠性、穩(wěn)定性、生產(chǎn)效率等起著至關(guān)重要的影響，航空發(fā)動(dòng)機(jī)的裝配成本占總成本的40%，裝配工作量更是占據(jù)全機(jī)生產(chǎn)工作的50%以上[1-2]，因此裝配周期的縮短和裝配質(zhì)量的保證已成為航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造的突出性問題，數(shù)字化柔性工裝的研究對(duì)于上述問題的解決提供了有效的方法。數(shù)字化柔性裝配包含兩方面的含義，一方面是指數(shù)字化裝配，另一方面是指柔性裝配。數(shù)字化裝配可以解決裝配周期長、勞動(dòng)強(qiáng)度大和裝配精度低等問題；柔性裝配主要解決裝配成本高的問題。

傳統(tǒng)航空發(fā)動(dòng)機(jī)裝配工藝過程包括三個(gè)階段：組、部件（或單元體）裝配，組、部件（或單元體）連接（傳動(dòng)裝配）和其他組、部件、元件及各系統(tǒng)與主機(jī)的連接（總裝配）。而數(shù)字化裝配研究工藝過程則定義為：獨(dú)立裝配單元的裝配（單元體裝配）、單元體對(duì)接（傳動(dòng)裝配）及附件與主機(jī)連接（總裝配）。

1 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

發(fā)動(dòng)機(jī)核心機(jī)、整機(jī)裝配工藝裝備公開較少，只有少量的發(fā)動(dòng)機(jī)裝配數(shù)字化模擬、部件裝配論文以及專用工裝設(shè)計(jì)專利可以查閱[3-4]。

本文針對(duì)國內(nèi)外航空發(fā)動(dòng)機(jī)典型的數(shù)字化柔性工裝進(jìn)行分析和總結(jié)，在此基礎(chǔ)上對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字化柔性工裝中所涉及的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析研究。

1.1 國外發(fā)展現(xiàn)狀

國外基于數(shù)字化裝配的工藝過程在單元體對(duì)接及總裝方面的數(shù)字化和柔性化發(fā)展過程中，經(jīng)歷了單自由度工裝設(shè)備、多自由度工裝設(shè)備及脈動(dòng)裝配線。

（1）單自由度工裝設(shè)備

早期的航空發(fā)動(dòng)機(jī)裝配過程中一些固定不動(dòng)的工裝大量使用，像裝配車架、立柱及上部軌道水平吊裝系統(tǒng)等，如圖1所示。這種工裝的優(yōu)點(diǎn)是占用空間小、成本低，缺點(diǎn)是靈活性差、裝配區(qū)域有限。由于發(fā)動(dòng)機(jī)在此類工裝上狀態(tài)是固定的，導(dǎo)致工人在裝配的過程中不可避免地需要借助梯架或者蹲下來進(jìn)行工作，給工人的工作安全帶來隱患，并且這類工裝只適用于水平裝配[5]。

圖1 裝配立柱

應(yīng)用圖2所示的提升設(shè)備，能夠把發(fā)動(dòng)機(jī)連同固定的車架提升到適宜的高度，從而工人可以不借助梯架完成裝配作業(yè)。該工裝相較于圖1而言，具有一個(gè)上下升降的自由度。

圖2 單自由度工裝

（2）多自由度工裝設(shè)備

隨著發(fā)動(dòng)機(jī)性能的提高其復(fù)雜程度也不斷增加，導(dǎo)致在裝配過程中工作量和裝配難度加大，因此在裝配過程中要求工裝具有更多的運(yùn)動(dòng)自由度以滿足發(fā)動(dòng)機(jī)的不同位姿要求。圖3為一種二自由度工裝，該工裝由兩個(gè)立柱和立柱中間的固定平臺(tái)組成，其中兩個(gè)立柱能夠?qū)崿F(xiàn)類似圖3工裝的提升功能，固定平臺(tái)則可以實(shí)現(xiàn)一定的翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)從而滿足裝配過程中更多的位姿要求。該工裝的不足之處在于：在提升運(yùn)動(dòng)中要求兩個(gè)立柱實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，并且兩立柱之間的固定托盤一旦尺寸確定將僅適用于特定型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)部、組件的裝配，因此其通用性較差[6]。

圖3 提升與翻轉(zhuǎn)組合裝配

圖4 為德國MTU發(fā)動(dòng)機(jī)公司在發(fā)動(dòng)機(jī)單元體、核心機(jī)以及整機(jī)總裝時(shí)所使用的二自由度工裝設(shè)備，該工裝可以實(shí)現(xiàn)垂直升降和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

圖4 二自由度工裝

圖5 為該公司所研發(fā)的三自由度工裝設(shè)備，和上述的二自由度工裝相比由于夾持端的設(shè)計(jì)不同，使得發(fā)動(dòng)機(jī)可以繞其軸線進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。

圖5 三自由度工裝

（3）脈動(dòng)裝配線

脈動(dòng)裝配線主要指的是以上部吊裝水平裝配系統(tǒng)為主體脈動(dòng)裝配線，目前主要應(yīng)用于民用發(fā)動(dòng)機(jī)的裝配。水平脈動(dòng)裝配工作線主要的裝配內(nèi)容指在完成單元體裝配后，將風(fēng)扇、核心機(jī)和低壓渦輪裝配成發(fā)動(dòng)機(jī)主機(jī)，進(jìn)而完成外部整機(jī)裝配[7]。圖6為美國GE航空公司的WESTMONT脈動(dòng)裝配線，圖7為法國斯奈克瑪公司的Clemssy水平脈動(dòng)裝配線，圖8為LEAP發(fā)動(dòng)機(jī)裝配線。

圖6 WESTMONT脈動(dòng)裝配線

圖7 Clemssy水平脈動(dòng)裝配線

圖8 LEAP發(fā)動(dòng)機(jī)裝配模擬圖

脈動(dòng)裝配線以發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇機(jī)匣為基礎(chǔ)首先完成風(fēng)扇單元體的裝配，然后依此進(jìn)行核心機(jī)、低壓渦輪和附件機(jī)匣的裝配，最后進(jìn)行總裝。

LEAP發(fā)動(dòng)機(jī)的脈動(dòng)生產(chǎn)線具備LEAP發(fā)動(dòng)機(jī)及其熱端部件（如壓縮機(jī)、燃燒室、高壓渦輪機(jī)）的總裝能力，裝配線中采用了包括自動(dòng)化視覺檢測系統(tǒng)和無線射頻管理系統(tǒng)的新技術(shù)。裝配線上配備的旋轉(zhuǎn)裝置可將發(fā)動(dòng)機(jī)沿著水平軸轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使員工免去高空作業(yè)的不便。在進(jìn)入脈動(dòng)裝配線之前，LEAP發(fā)動(dòng)機(jī)部件和次級(jí)裝配件的定位工作采用激光投射和虛擬現(xiàn)實(shí)輔助系統(tǒng)。這些新技術(shù)的使用能夠有效地提高發(fā)動(dòng)機(jī)的裝配效率及裝配質(zhì)量。

脈動(dòng)裝配線的優(yōu)點(diǎn)就是提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的生產(chǎn)效率，縮短了裝配周期，降低了發(fā)動(dòng)機(jī)的制造成本，同時(shí)改善了員工的工作環(huán)境以及降低了勞動(dòng)強(qiáng)度。而其局限性包括：脈動(dòng)裝配線的計(jì)劃性強(qiáng)，發(fā)動(dòng)機(jī)在進(jìn)入脈動(dòng)裝配線之前其風(fēng)扇、低壓渦輪和附件等必須按時(shí)到達(dá)裝配工位；脈動(dòng)裝配線的投資成本較高，不適宜發(fā)動(dòng)機(jī)的小批量生產(chǎn)。

1.2 國內(nèi)發(fā)展?fàn)顩r

國內(nèi)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字化柔性工裝的研究相對(duì)滯后于國外，在理論研究層面及樣機(jī)試驗(yàn)方面得到較多成果，涉及發(fā)動(dòng)機(jī)的部、組件裝配和發(fā)動(dòng)機(jī)主單元體及整機(jī)裝配[8]。

1.2.1 基于3-UPU并聯(lián)機(jī)器人的盤裝配柔性工裝

該工裝主要針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)盤類零件的裝配[9]，如圖9所示，其功能包括：盤的定位、盤的夾緊和盤的裝配。該柔性工裝通過配合天車等吊具將待裝配的盤吊離地面并置于柔性工裝的上方，在三坐標(biāo)測量儀及傳感器的作用下，實(shí)現(xiàn)盤與工裝的中心軸對(duì)齊，借助定位塊對(duì)待裝配盤實(shí)現(xiàn)定位加緊。

圖9 盤類零件定位夾緊示意圖

針對(duì)結(jié)構(gòu)類似的不同型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)的盤類零件，當(dāng)裝配基準(zhǔn)件變化時(shí)，只需更換定位塊以及調(diào)整上滑桿和下驅(qū)動(dòng)滑桿的伸縮，便可以使得基準(zhǔn)盤得到定位及夾緊。該盤裝配柔性工裝也存在一些結(jié)構(gòu)上不合理的地方：平行機(jī)構(gòu)與上滑桿和下驅(qū)動(dòng)滑桿之間的連接部位存在一定問題；當(dāng)放置于定位塊上的盤的數(shù)量增加時(shí)該工裝的穩(wěn)定性問題。如圖10所示。

圖10 盤、軸柔性裝配系統(tǒng)平臺(tái)

1.2.2 航空發(fā)動(dòng)機(jī)盤、軸裝配工裝

圖11為一款航空發(fā)動(dòng)機(jī)盤、軸裝配工裝，盤、軸的裝配方式分為豎直裝配和臥式裝配兩種方式[10]。該套工裝主要由盤定位加持結(jié)構(gòu)、軸輸送結(jié)構(gòu)兩部分構(gòu)成，其設(shè)計(jì)目的是要實(shí)現(xiàn)壓氣機(jī)盤、軸的水平和豎直裝配，但該工裝的盤定位裝置對(duì)于安裝過葉片的盤定位可能會(huì)存在干涉；并且當(dāng)軸上裝配一定數(shù)量盤的時(shí)候，軸的定位夾緊裝置能否保證定位的精確度有待于論證。

圖11 三自由度裝配平臺(tái)

1.2.3 航空發(fā)動(dòng)機(jī)多自由度裝配平臺(tái)

這類裝配平臺(tái)主要適用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)的主單元體及整機(jī)裝配且自動(dòng)化程度較高，裝配平臺(tái)的自由度數(shù)目越多則發(fā)動(dòng)機(jī)在裝配過程中的姿態(tài)也就越多，相應(yīng)的工人工作量就會(huì)減少而平臺(tái)結(jié)構(gòu)也就越復(fù)雜。

圖11為中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院所研制的三自由度裝配平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖，該工裝和圖5所示的工裝比較相似。自動(dòng)化方面，該三自由度裝配平臺(tái)采用“控制面板+PLC+伺服電機(jī)”的控制模式[11]，可以實(shí)現(xiàn)三個(gè)自由度獨(dú)立運(yùn)動(dòng)以及組合運(yùn)動(dòng)。

2 數(shù)字化柔性工裝關(guān)鍵技術(shù)

為了縮短發(fā)動(dòng)機(jī)制造周期，提高發(fā)動(dòng)機(jī)制造質(zhì)量，單純的剛性工裝已經(jīng)不能滿足裝配要求，因此對(duì)于數(shù)字化柔性工裝的研究應(yīng)該成為航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造領(lǐng)域的重點(diǎn)。柔性工裝的設(shè)計(jì)技術(shù)、柔性工裝仿真技術(shù)、先進(jìn)測量技術(shù)、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)等都將成為研究的重點(diǎn)[12-13]。

（1）柔性工裝設(shè)計(jì)技術(shù)

柔性工裝的設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)柔性化裝配的基礎(chǔ)，柔性工裝也可以采用與發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)類似的模塊化設(shè)計(jì)，使工裝的每個(gè)模塊實(shí)現(xiàn)某一特定功能，將這些模塊按照發(fā)動(dòng)機(jī)裝配要求有機(jī)組合在一起即可滿足要求。與此同時(shí)，模塊之間的接口設(shè)計(jì)也是柔性工裝設(shè)計(jì)過程中的研究重點(diǎn)，在設(shè)計(jì)過程中各個(gè)模塊之間應(yīng)盡可能采用直接連接接口，而間接接口是采用第三方模塊進(jìn)行連接，導(dǎo)致工裝的穩(wěn)定性差、誤差累積嚴(yán)重?；谀K化設(shè)計(jì)的柔性工裝，對(duì)于結(jié)構(gòu)相似的發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)或者發(fā)動(dòng)機(jī)部件，只需要對(duì)柔性工裝的專用模塊進(jìn)行重點(diǎn)設(shè)計(jì)，與通用模塊組合即可完成整套工裝的設(shè)計(jì)，這樣可以大大節(jié)約工裝的研制周期。

（2）柔性工裝仿真技術(shù)

柔性工裝與剛性工裝相比具有更為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，借助ANSYS分析軟件對(duì)柔性工裝進(jìn)行力學(xué)仿真可以判斷工裝結(jié)構(gòu)的剛度、強(qiáng)度以及穩(wěn)定性是否滿足要求，合理評(píng)價(jià)工裝的變形對(duì)裝配精度的影響，從而對(duì)柔性工裝進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。對(duì)柔性工裝的裝配工藝仿真和運(yùn)動(dòng)仿真也是對(duì)柔性工裝設(shè)計(jì)合理性進(jìn)行評(píng)價(jià)的有效方法，實(shí)現(xiàn)這部分仿真工作可以借助于一些專用的仿真軟件例如法國達(dá)索公司出品的DELMIA軟件、CATIA軟件等，利用這些軟件強(qiáng)大的模擬仿真模塊對(duì)裝配順序、裝配干涉性進(jìn)行仿真，可以檢查柔性工裝裝配過程中其自身結(jié)構(gòu)之間是否存在干涉、工裝運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)和周圍產(chǎn)品是否存在干涉。

（3）先進(jìn)測量技術(shù)

先進(jìn)測量技術(shù)不僅僅用在發(fā)動(dòng)機(jī)的裝配中，在柔性工裝的安裝過程中也應(yīng)該采用。像光柵尺、激光跟蹤儀、室內(nèi)GPS系統(tǒng)等，這些設(shè)備用來在發(fā)動(dòng)機(jī)裝配過程中測量和定位工裝或直接用于裝配構(gòu)件的定位測量，以達(dá)到裝配要求的精度。

（4）控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)

數(shù)字化柔性工裝的高精度、高效率控制系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)其滿足航空發(fā)動(dòng)機(jī)裝配要求的重要環(huán)節(jié)。數(shù)字化柔性工裝的控制系統(tǒng)主要包括人機(jī)交互控制面板、伺服系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)執(zhí)行系統(tǒng)，圖11所示的三自由度工裝即采用可編輯邏輯控制器PLC實(shí)現(xiàn)該裝配平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)控制和邏輯控制，目前在飛機(jī)自動(dòng)裝配系統(tǒng)中采用這種方式的較多。由于用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)裝配的柔性工裝位姿要求多樣、控制精度要求高，因此對(duì)伺服控制系統(tǒng)精度、數(shù)據(jù)處理能力要求相應(yīng)提高。

3 結(jié)束語

航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字化柔性裝配已經(jīng)繼飛機(jī)數(shù)字化柔性裝配之后成為航空領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，國外對(duì)于這方面的研究已經(jīng)比較成功，其中多項(xiàng)相關(guān)技術(shù)已經(jīng)在發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際裝配中得到應(yīng)用。國內(nèi)在這方面研究相對(duì)滯后，目前主要處于理論研究層面和試驗(yàn)層面。國外的應(yīng)用實(shí)例表明，航空發(fā)動(dòng)機(jī)的數(shù)字化柔性工裝將在發(fā)動(dòng)機(jī)的制造過程中成為重要裝配方式。目前國內(nèi)已經(jīng)開始向著飛機(jī)與航空發(fā)動(dòng)機(jī)的研發(fā)制造相分離的趨勢發(fā)展，可見國家已經(jīng)對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的研發(fā)加以重視，而自動(dòng)化裝配作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造過程中的瓶頸，其所采用的數(shù)字化柔性工裝也將成為研究重點(diǎn)。

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Study of Digital Flexible Tooling for Domestic And International Aero Engines

WEI Qi-ye，YU Qun，SUN Fang-cheng，SHI Hong
（Faculty of Aerospace Engineering，Shenyang Aerospace University，Shenyang Liaoning 110136，China）

The complexity of modern aircraft engines and the precision assembly of aero-engine becomes increasingly complex，the concept of aero engine digital flexible assembly in high efficiency，high assembly quality and low assembly cost requirements came into being.The development course of the domestic and international aero engine digital flexible assembly are analyzed and summarized，and focused on the study of domestic researchers in recent years work in the aero engine digital flexible assembly materials.On the basis of this，the key technologies involved in the digital flexible tooling of aero engine are analyzed and studied.

aero engine；aero engine digital flexible assembly；flexible tooling

V263.2

：A

：1672-545X（2017）008-04

2016-10-18

魏企業(yè)（1993-），男，河南周口人，在讀研究生，研究方向?yàn)楹娇瞻l(fā)動(dòng)機(jī)強(qiáng)度、振動(dòng)及噪聲。