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國內外航空發(fā)動機數字化柔性工裝研究

2017-03-25 05:28魏企業(yè)于群孫方成石宏
裝備制造技術 2017年1期
關鍵詞:單元體裝配線脈動

魏企業(yè),于群,孫方成,石宏

(沈陽航空航天大學航空航天工程學部(院),遼寧沈陽110136)

國內外航空發(fā)動機數字化柔性工裝研究

魏企業(yè),于群,孫方成,石宏

(沈陽航空航天大學航空航天工程學部(院),遼寧沈陽110136)

現代航空發(fā)動機的復雜性以及精密性使得航空發(fā)動機的裝配工作變得日趨復雜,在高裝配效率、高裝配質量及低裝配成本等要求下航空發(fā)動機數字化柔性裝配的概念應運而生。針對國內外航空發(fā)動機典型的數字化柔性工裝進行分析和總結,并著重對近幾年國內科研人員在航空發(fā)動機裝配數字化柔性工裝方面所做的研究進行總結,在此基礎上對航空發(fā)動機數字化柔性工裝中所涉及的關鍵技術進行了分析研究。

航空發(fā)動機;數字化柔性裝配;柔性工裝

航空發(fā)動機裝配作為其制造的關鍵性一步對于整臺發(fā)動機的性能、可靠性、穩(wěn)定性、生產效率等起著至關重要的影響,航空發(fā)動機的裝配成本占總成本的40%,裝配工作量更是占據全機生產工作的50%以上[1-2],因此裝配周期的縮短和裝配質量的保證已成為航空發(fā)動機制造的突出性問題,數字化柔性工裝的研究對于上述問題的解決提供了有效的方法。數字化柔性裝配包含兩方面的含義,一方面是指數字化裝配,另一方面是指柔性裝配。數字化裝配可以解決裝配周期長、勞動強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)動機裝配工藝過程包括三個階段:組、部件(或單元體)裝配,組、部件(或單元體)連接(傳動裝配)和其他組、部件、元件及各系統(tǒng)與主機的連接(總裝配)。而數字化裝配研究工藝過程則定義為:獨立裝配單元的裝配(單元體裝配)、單元體對接(傳動裝配)及附件與主機連接(總裝配)。

1 國內外發(fā)展現狀

發(fā)動機核心機、整機裝配工藝裝備公開較少,只有少量的發(fā)動機裝配數字化模擬、部件裝配論文以及專用工裝設計專利可以查閱[3-4]。

本文針對國內外航空發(fā)動機典型的數字化柔性工裝進行分析和總結,在此基礎上對航空發(fā)動機數字化柔性工裝中所涉及的關鍵技術進行分析研究。

1.1 國外發(fā)展現狀

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

(1)單自由度工裝設備

早期的航空發(fā)動機裝配過程中一些固定不動的工裝大量使用,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)點是占用空間小、成本低,缺點是靈活性差、裝配區(qū)域有限。由于發(fā)動機在此類工裝上狀態(tài)是固定的,導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

應用圖2所示的提升設備,能夠把發(fā)動機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,具有一個上下升降的自由度。

圖2 單自由度工裝

(2)多自由度工裝設備

隨著發(fā)動機性能的提高其復雜程度也不斷增加,導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動自由度以滿足發(fā)動機的不同位姿要求。圖3為一種二自由度工裝,該工裝由兩個立柱和立柱中間的固定平臺組成,其中兩個立柱能夠實現類似圖3工裝的提升功能,固定平臺則可以實現一定的翻轉運動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:在提升運動中要求兩個立柱實現協(xié)調運動,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發(fā)動機部、組件的裝配,因此其通用性較差[6]。

圖3 提升與翻轉組合裝配

圖4 為德國MTU發(fā)動機公司在發(fā)動機單元體、核心機以及整機總裝時所使用的二自由度工裝設備,該工裝可以實現垂直升降和旋轉運動。

圖4 二自由度工裝

圖5 為該公司所研發(fā)的三自由度工裝設備,和上述的二自由度工裝相比由于夾持端的設計不同,使得發(fā)動機可以繞其軸線進行旋轉。

圖5 三自由度工裝

(3)脈動裝配線

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

圖6 WESTMONT脈動裝配線

圖7 Clemssy水平脈動裝配線

圖8 LEAP發(fā)動機裝配模擬圖

脈動裝配線以發(fā)動機風扇機匣為基礎首先完成風扇單元體的裝配,然后依此進行核心機、低壓渦輪和附件機匣的裝配,最后進行總裝。

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

脈動裝配線的優(yōu)點就是提高了發(fā)動機的生產效率,縮短了裝配周期,降低了發(fā)動機的制造成本,同時改善了員工的工作環(huán)境以及降低了勞動強度。而其局限性包括:脈動裝配線的計劃性強,發(fā)動機在進入脈動裝配線之前其風扇、低壓渦輪和附件等必須按時到達裝配工位;脈動裝配線的投資成本較高,不適宜發(fā)動機的小批量生產。

1.2 國內發(fā)展狀況

國內在航空發(fā)動機數字化柔性工裝的研究相對滯后于國外,在理論研究層面及樣機試驗方面得到較多成果,涉及發(fā)動機的部、組件裝配和發(fā)動機主單元體及整機裝配[8]。

1.2.1 基于3-UPU并聯(lián)機器人的盤裝配柔性工裝

該工裝主要針對航空發(fā)動機盤類零件的裝配[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,在三坐標測量儀及傳感器的作用下,實現盤與工裝的中心軸對齊,借助定位塊對待裝配盤實現定位加緊。

圖9 盤類零件定位夾緊示意圖

針對結構類似的不同型號發(fā)動機的盤類零件,當裝配基準件變化時,只需更換定位塊以及調整上滑桿和下驅動滑桿的伸縮,便可以使得基準盤得到定位及夾緊。該盤裝配柔性工裝也存在一些結構上不合理的地方:平行機構與上滑桿和下驅動滑桿之間的連接部位存在一定問題;當放置于定位塊上的盤的數量增加時該工裝的穩(wěn)定性問題。如圖10所示。

圖10 盤、軸柔性裝配系統(tǒng)平臺

1.2.2 航空發(fā)動機盤、軸裝配工裝

圖11為一款航空發(fā)動機盤、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構、軸輸送結構兩部分構成,其設計目的是要實現壓氣機盤、軸的水平和豎直裝配,但該工裝的盤定位裝置對于安裝過葉片的盤定位可能會存在干涉;并且當軸上裝配一定數量盤的時候,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

1.2.3 航空發(fā)動機多自由度裝配平臺

這類裝配平臺主要適用于航空發(fā)動機的主單元體及整機裝配且自動化程度較高,裝配平臺的自由度數目越多則發(fā)動機在裝配過程中的姿態(tài)也就越多,相應的工人工作量就會減少而平臺結構也就越復雜。

圖11為中國農業(yè)機械化科學研究院所研制的三自由度裝配平臺結構圖,該工裝和圖5所示的工裝比較相似。自動化方面,該三自由度裝配平臺采用“控制面板+PLC+伺服電機”的控制模式[11],可以實現三個自由度獨立運動以及組合運動。

2 數字化柔性工裝關鍵技術

為了縮短發(fā)動機制造周期,提高發(fā)動機制造質量,單純的剛性工裝已經不能滿足裝配要求,因此對于數字化柔性工裝的研究應該成為航空發(fā)動機制造領域的重點。柔性工裝的設計技術、柔性工裝仿真技術、先進測量技術、控制系統(tǒng)設計技術等都將成為研究的重點[12-13]。

(1)柔性工裝設計技術

柔性工裝的設計是實現柔性化裝配的基礎,柔性工裝也可以采用與發(fā)動機設計類似的模塊化設計,使工裝的每個模塊實現某一特定功能,將這些模塊按照發(fā)動機裝配要求有機組合在一起即可滿足要求。與此同時,模塊之間的接口設計也是柔性工裝設計過程中的研究重點,在設計過程中各個模塊之間應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行連接,導致工裝的穩(wěn)定性差、誤差累積嚴重?;谀K化設計的柔性工裝,對于結構相似的發(fā)動機整機或者發(fā)動機部件,只需要對柔性工裝的專用模塊進行重點設計,與通用模塊組合即可完成整套工裝的設計,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

柔性工裝與剛性工裝相比具有更為復雜的結構,借助ANSYS分析軟件對柔性工裝進行力學仿真可以判斷工裝結構的剛度、強度以及穩(wěn)定性是否滿足要求,合理評價工裝的變形對裝配精度的影響,從而對柔性工裝進行優(yōu)化設計。對柔性工裝的裝配工藝仿真和運動仿真也是對柔性工裝設計合理性進行評價的有效方法,實現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索公司出品的DELMIA軟件、CATIA軟件等,利用這些軟件強大的模擬仿真模塊對裝配順序、裝配干涉性進行仿真,可以檢查柔性工裝裝配過程中其自身結構之間是否存在干涉、工裝運動結構和周圍產品是否存在干涉。

(3)先進測量技術

先進測量技術不僅僅用在發(fā)動機的裝配中,在柔性工裝的安裝過程中也應該采用。像光柵尺、激光跟蹤儀、室內GPS系統(tǒng)等,這些設備用來在發(fā)動機裝配過程中測量和定位工裝或直接用于裝配構件的定位測量,以達到裝配要求的精度。

(4)控制系統(tǒng)設計技術

數字化柔性工裝的高精度、高效率控制系統(tǒng)是實現其滿足航空發(fā)動機裝配要求的重要環(huán)節(jié)。數字化柔性工裝的控制系統(tǒng)主要包括人機交互控制面板、伺服系統(tǒng)、運動執(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實現該裝配平臺的運動控制和邏輯控制,目前在飛機自動裝配系統(tǒng)中采用這種方式的較多。由于用于航空發(fā)動機裝配的柔性工裝位姿要求多樣、控制精度要求高,因此對伺服控制系統(tǒng)精度、數據處理能力要求相應提高。

3 結束語

航空發(fā)動機數字化柔性裝配已經繼飛機數字化柔性裝配之后成為航空領域的研究熱點,國外對于這方面的研究已經比較成功,其中多項相關技術已經在發(fā)動機的實際裝配中得到應用。國內在這方面研究相對滯后,目前主要處于理論研究層面和試驗層面。國外的應用實例表明,航空發(fā)動機的數字化柔性工裝將在發(fā)動機的制造過程中成為重要裝配方式。目前國內已經開始向著飛機與航空發(fā)動機的研發(fā)制造相分離的趨勢發(fā)展,可見國家已經對航空發(fā)動機的研發(fā)加以重視,而自動化裝配作為航空發(fā)動機制造過程中的瓶頸,其所采用的數字化柔性工裝也將成為研究重點。

[1]石宏.航空發(fā)動機裝配工藝技術[M].北京:北京航空航天大學出版社,2015.

[2]石宏,王晶,陳英濤.航空發(fā)動機數字化裝配技術淺析[C].第三屆民用飛機先進制造技術及裝備論壇論文匯編,廣州:2011.

[3]Hussain T,Yang Z,Popov A A,etal.Straight-build assembly optimization:A method to minimize stage-by-stage eccentric ity error in the assembly of axisymmetric rigid components(two-dimensional case study)[J].Journal of Manufacturing Sci ence and Engineering,2011,133(3):13-22.

[4]Papastathis T,Ryll M,Bone S,etal.Development of a reconfig urable fixture foa the automated assembly and disassembly of high pressure rotors for rolls-royce aero engines[J].IFIP Ad vances in Information and Communication Technology,2010,(315):283-289.

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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,研究方向為航空發(fā)動機強度、振動及噪聲。

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