摘要：以某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)高壓壓氣機(jī)葉片和風(fēng)扇轉(zhuǎn)子葉片為研究對(duì)象，對(duì)其葉片榫頭膠體涂覆智能化改造方案進(jìn)行研究。借助3D打印技術(shù)完成機(jī)械手快換夾具的設(shè)計(jì)，通過(guò)視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)識(shí)別葉片種類和涂膠程序的對(duì)應(yīng)關(guān)系，針對(duì)涂覆膠體的特性制定特定伺服供膠系統(tǒng)方案，通過(guò)系統(tǒng)綜合集成實(shí)現(xiàn)了該型航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子所有葉片榫頭膠體涂覆的智能化，提高了涂膠工序質(zhì)量，耗時(shí)由原來(lái)的13h下降至5h。

關(guān)鍵詞：壓氣機(jī)葉片榫頭；視覺(jué)識(shí)別；伺服供膠系統(tǒng)；機(jī)械手快換夾具；3D打印

Keywords：compressor rotor blade tenon；visual identity；servo feed system；reverse modeling；3D printing

0 引言

某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片在裝配之前需按照工藝要求在榫頭處涂覆RTV596膠體。高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子一至三級(jí)葉片（下稱高壓葉片）和風(fēng)扇轉(zhuǎn)子葉片二、三級(jí)葉片（下稱風(fēng)扇葉片）的涂膠工作都為手工作業(yè)，涂膠寬度和厚度不均勻，且RTV596系氧化性硅膠，會(huì)散發(fā)刺鼻氣體，吸入對(duì)人體有害。作為準(zhǔn)備工序，涂膠工序占用了修理流程中過(guò)長(zhǎng)的時(shí)間和過(guò)多的人力資源。隨著產(chǎn)量日益增加和企業(yè)面臨發(fā)展轉(zhuǎn)型的切實(shí)需求，迫切需要尋求全新的技術(shù)手段來(lái)提高壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片整體涂膠工序的質(zhì)量和效率，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，將人力資源投入到更關(guān)鍵的工序操作中。

經(jīng)調(diào)研，未發(fā)現(xiàn)國(guó)內(nèi)行業(yè)內(nèi)有可參考的案例。項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)直接基于現(xiàn)場(chǎng)手工涂膠操作的特點(diǎn)，整合設(shè)計(jì)了智能化改進(jìn)方案，結(jié)合視覺(jué)識(shí)別技術(shù)和3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)各級(jí)葉片的識(shí)別和自動(dòng)夾取，完成了壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片榫頭膠體智能化涂覆設(shè)備的研制。

1 智能化方案設(shè)計(jì)

涂膠工序智能化改進(jìn)的整體方案是基于現(xiàn)場(chǎng)手工涂膠實(shí)際過(guò)程進(jìn)行設(shè)計(jì)的，通過(guò)分析人工完成涂膠操作的各個(gè)階段所做的動(dòng)作，研究智能化設(shè)備的結(jié)構(gòu)組成，如圖1、圖2所示。經(jīng)過(guò)分析，智能化設(shè)備應(yīng)具備進(jìn)給系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、膠體進(jìn)給系統(tǒng)、工件異形面夾持機(jī)構(gòu)、工件運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)。

為盡可能還原手工涂膠操作的人體動(dòng)作，減少涂膠過(guò)程中的人工干預(yù)，設(shè)備采用了兩個(gè)相對(duì)而立的機(jī)械手組成進(jìn)給系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、工件運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。工件異形面夾持機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)化為針對(duì)各級(jí)葉片的外形特點(diǎn)，設(shè)計(jì)各級(jí)葉片的專用夾持工裝，同時(shí)，基于各級(jí)葉片涂膠工藝的不同要求，膠體進(jìn)給系統(tǒng)也進(jìn)行了單獨(dú)設(shè)計(jì)。隨后將各級(jí)葉片的專用夾持工裝、膠體進(jìn)給系統(tǒng)分別安裝至不同的機(jī)械手上，實(shí)現(xiàn)智能化設(shè)備模仿人體涂膠各階段動(dòng)作。

設(shè)計(jì)過(guò)程中，結(jié)合前期的研發(fā)經(jīng)驗(yàn)，每片葉片的外形尺寸都有小幅波動(dòng)，為減小葉片外形尺寸差異對(duì)標(biāo)準(zhǔn)涂膠程序的影響，還需加入視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)來(lái)保證每種葉片初始的涂膠姿態(tài)?？紤]到智能化設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中可能出現(xiàn)人為差錯(cuò)導(dǎo)致選定的涂膠程序與葉片種類不一致，需要在涂膠程序開(kāi)始運(yùn)行之前利用視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)對(duì)葉片種類進(jìn)行確認(rèn)。

最終實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)方案為：操作人員完成葉片上料后，選定涂膠程序，智能化設(shè)備自主對(duì)葉片種類進(jìn)行確認(rèn)，同時(shí)選取對(duì)應(yīng)的葉片夾具夾取葉片，保證葉片的初始姿態(tài)，與對(duì)應(yīng)的膠體進(jìn)給系統(tǒng)配合，完成整個(gè)葉片的智能化涂膠操作。整個(gè)過(guò)程無(wú)需人工干預(yù)，具體流程如圖3所示。

2 視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)研究

視覺(jué)識(shí)別技術(shù)近年來(lái)應(yīng)用廣泛，已被應(yīng)用到信息識(shí)別收集、產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)、視覺(jué)引導(dǎo)等多個(gè)領(lǐng)域。視覺(jué)識(shí)別利用攝像頭成像原理，通過(guò)圖像像素點(diǎn)分布以及物體點(diǎn)線面參數(shù)基準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)物體外形、文字信息等內(nèi)容的提取，同時(shí)結(jié)合三維點(diǎn)線面參數(shù)基數(shù)，為智能化設(shè)備提供運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)。由于具有識(shí)別、定位的功能，配裝設(shè)備可結(jié)合視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)信息，保證智能化功能的有效進(jìn)行，確保設(shè)備工作效率和產(chǎn)品安全。

視覺(jué)識(shí)別是設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中的重要環(huán)節(jié)，視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)將識(shí)別葉片的種類、位置并輔助機(jī)械手完成葉片涂膠初始姿態(tài)的調(diào)整，這兩個(gè)功能分屬不同的工作階段，識(shí)別原理也不相同，這對(duì)設(shè)備視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)的集成提出了較大挑戰(zhàn)。

根據(jù)預(yù)想的設(shè)備涂膠運(yùn)轉(zhuǎn)流程，葉片種類的識(shí)別以及位置的確認(rèn)通過(guò)CCD相機(jī)完成，相機(jī)與機(jī)械手集成，末端可直接連接葉片快換夾具。涂膠程序運(yùn)行前通過(guò)二維圖像模板確認(rèn)葉片種類和位置，保證了設(shè)備和程序運(yùn)行的安全性和準(zhǔn)確性。CCD相機(jī)模塊布局如圖4所示。

根據(jù)前期研發(fā)經(jīng)驗(yàn)，葉片的外形尺寸差異會(huì)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的涂膠程序和涂膠質(zhì)量造成較大影響，需要保證在膠體涂覆前葉片的姿態(tài)盡可能一致，因此在兩個(gè)機(jī)械手之間架設(shè)3D視覺(jué)相機(jī)，通過(guò)設(shè)定葉片與相機(jī)的立體空間位置和姿態(tài)來(lái)保證各級(jí)葉片涂膠的初始姿態(tài)的一致，從而減小葉片外形尺寸的差異對(duì)涂膠質(zhì)量的影響。布局方案及原理如圖5、圖6所示。

3 葉片快換夾具設(shè)計(jì)

高壓葉片和風(fēng)扇葉片的外形尺寸差異大，很難設(shè)計(jì)出兼容所有葉片的通用夾具，故針對(duì)高壓一至三級(jí)葉片和風(fēng)扇二、三級(jí)葉片分別設(shè)計(jì)了專用夾具。前期利用葉片的三維建模和3D打印技術(shù)對(duì)葉片曲面夾具進(jìn)行了仿真試驗(yàn)，并結(jié)合各級(jí)葉片的葉身特點(diǎn)設(shè)計(jì)制造了專用夾具的異形夾持塊，通過(guò)兩個(gè)夾持塊貼合葉身外加吸盤(pán)的方式保證夾具的夾緊力和穩(wěn)定性。設(shè)計(jì)圖如7所示。

4 膠體進(jìn)給機(jī)構(gòu)選擇

葉片榫頭涂覆的RTV596膠體是氧化性硅膠，接觸空氣后會(huì)迅速固化，故設(shè)備的膠體進(jìn)給機(jī)構(gòu)必須滿足膠體的密封和流量穩(wěn)定要求。現(xiàn)場(chǎng)膠體為成品膠，只需保證成品膠與進(jìn)給機(jī)構(gòu)連接處的密封即能保證膠體不固化，因此膠體進(jìn)給機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于如何使膠體的流量穩(wěn)定。通過(guò)調(diào)研得到流體行業(yè)的成熟方案，一種是通過(guò)電子閥控制，一種是氣動(dòng)閥控制。

通過(guò)機(jī)械手臂實(shí)際安裝調(diào)試后發(fā)現(xiàn)，電子閥進(jìn)給系統(tǒng)質(zhì)量較大，機(jī)械手配合運(yùn)行過(guò)程中將產(chǎn)生較大慣性，致使膠體涂覆的路線不穩(wěn)定。同時(shí)電子閥需要將成品膠灌入專用儲(chǔ)藏罐，各級(jí)葉片專用的電子閥進(jìn)給系統(tǒng)也需要人工插拔連接線。相比之下，較為通用的氣動(dòng)閥進(jìn)給系統(tǒng)質(zhì)量輕、慣性小，對(duì)膠體涂覆路線的影響較小，同時(shí)氣動(dòng)閥開(kāi)關(guān)的電信號(hào)和壓縮空氣可以直接由快換接口完成傳輸，更換各級(jí)專用膠體進(jìn)給機(jī)構(gòu)時(shí)無(wú)需人工干預(yù)，膠體的存儲(chǔ)也只需將成品膠直接插入氣動(dòng)閥專用的料倉(cāng)即可。設(shè)計(jì)的膠體進(jìn)給機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖如圖8所示。

5 程序編寫(xiě)

通過(guò)研究各型葉片的涂膠工藝要求，結(jié)合膠體的粘度進(jìn)行了涂膠程序的工藝試驗(yàn)。同時(shí)考慮雙機(jī)械臂運(yùn)轉(zhuǎn)干涉區(qū)域，分別編寫(xiě)了兩個(gè)機(jī)械臂膠體涂覆的智能化程序，存儲(chǔ)于各自工控機(jī)內(nèi)。程序還集成了設(shè)備其他組件PLC的控制信號(hào)，保證設(shè)備整體運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)各部件的運(yùn)轉(zhuǎn)連貫性。設(shè)備最終實(shí)現(xiàn)了五種不同葉片、不同寬度和厚度膠體的涂覆。

6 膠體智能化涂覆設(shè)備的制造與調(diào)試

通過(guò)上述研究，確定了設(shè)備的研制方案、涂膠程序的編制方法和組成參數(shù)，按計(jì)劃完成了膠體智能化涂覆設(shè)備的制造與調(diào)試，項(xiàng)目成果如圖9、圖10所示。改進(jìn)前后的涂膠質(zhì)量對(duì)比如圖11、圖12所示。

7 總結(jié)

通過(guò)一段時(shí)間的實(shí)際批產(chǎn)應(yīng)用，該設(shè)計(jì)達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，葉片榫頭膠體智能化涂覆在國(guó)內(nèi)航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造和維修領(lǐng)域取得了突破性進(jìn)展：1）五種不同形狀葉片榫頭膠體涂覆質(zhì)量明顯提升；2）切實(shí)改進(jìn)了現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)節(jié)拍和效率，單臺(tái)葉片涂膠耗時(shí)由原來(lái)的13h下降至5h，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了涂膠過(guò)程無(wú)人化，解放了現(xiàn)場(chǎng)寶貴的人力資源；3）積累了寶貴的工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，特別是視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)的應(yīng)用已推廣至葉片爐批號(hào)識(shí)別項(xiàng)目，項(xiàng)目的總成方案也為其他智能化改進(jìn)項(xiàng)目提供了標(biāo)準(zhǔn)和參考；4）項(xiàng)目成果緊跟工業(yè)生產(chǎn)智能化發(fā)展方向，填補(bǔ)了行業(yè)內(nèi)該型發(fā)動(dòng)機(jī)葉片榫頭膠體智能化涂覆的空白，可推廣應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造廠和葉片制造廠。

作者簡(jiǎn)介

唐敏杰，助理工程師，主要研究航空發(fā)動(dòng)機(jī)維修技術(shù)和智能化技術(shù)的應(yīng)用。