航空發(fā)動機數(shù)字化脈動總裝線規(guī)劃技術(shù)研究

中航工業(yè)西安航空發(fā)動機（集團）有限公司 魏小紅 陳貴林 田小京 席 峰 桂修瓊

航空發(fā)動機裝配是發(fā)動機制造過程中最為重要的環(huán)節(jié)之一，其裝配技術(shù)水平和裝配質(zhì)量直接影響發(fā)動機的工況特性，決定著發(fā)動機的可靠性、壽命及主要性能參數(shù)。但是，業(yè)內(nèi)航空發(fā)動機總裝配多年來依然采用傳統(tǒng)裝配方法，圍繞固定站位，基于剛性型架進行手工垂直裝配，裝配質(zhì)量不穩(wěn)定，裝配效率低，工人勞動強度大，裝配作業(yè)管理困難，與國際先進航空發(fā)動機裝配技術(shù)的差距巨大，已成為制約我國航空工業(yè)發(fā)展的瓶頸之一。在中國制造2025戰(zhàn)略的指引下，研究航空發(fā)動機數(shù)字化脈動裝配技術(shù)，規(guī)劃發(fā)動機脈動總裝生產(chǎn)線，對提升航空發(fā)動機制造技術(shù)水平，實現(xiàn)跨越發(fā)展具有重大意義。

1 航空發(fā)動機裝配技術(shù)

航空發(fā)動機由數(shù)千或上萬的零件以及由這些零件組成的組件、部件、單元體和系統(tǒng)附件、成品件組成。裝配是把制造合格的零、部、組件、單元體及成、附件，按設(shè)計總圖樣和技術(shù)規(guī)程進行組合，形成發(fā)動機整機的裝配生產(chǎn)過程[1]?？傃b配是指傳動機構(gòu)裝配（簡稱傳動裝配或裸機裝配）和發(fā)動機外部、組件、附件各系統(tǒng)等零件按照一定程序安裝（稱發(fā)動機總裝配）的工藝過程，分為一次裝配（初裝）、二次裝配（檢裝）和研制過程的多次裝配?？梢钥闯?，航空發(fā)動機裝配非常復(fù)雜，需要完成初裝→試車→拆解→故檢→二次裝配→二次試車→交付的工藝過程。

目前，我國生產(chǎn)的航空發(fā)動機、壓氣機、渦輪等大部件連接時同軸度的調(diào)整，以及各轉(zhuǎn)子部件的軸向間隙調(diào)整，必須在發(fā)動機總裝配中進行，因為國內(nèi)航空發(fā)動機設(shè)計的結(jié)構(gòu)特點、制造水平的局限，決定了零件的互換性不強，必須經(jīng)過選配調(diào)整才能達到總裝的技術(shù)要求，因此必須把發(fā)動機翻轉(zhuǎn)到垂直或處于一定角度的位置，才能完成裝配作業(yè)，有時可能還要反復(fù)調(diào)整多次；且大多需要裝配工手工調(diào)整或安裝，上下移動到適當(dāng)位置才能安裝。所以常采用固定站位裝配架進行安裝。資料顯示，有用裝配車架上的水平裝配，也有固定在4或6根獨立裝配支柱上的水平裝配。但這種裝配只適合小批量生產(chǎn)，無法通過增加人手加快裝配，不適合大批量生產(chǎn)。也有資料顯示，采用電動升降平臺（見圖1）可降低裝配工勞動強度。某企業(yè)采用地坑式總體設(shè)計方案，使用絲杠、絲母，渦輪、蝸桿組合升降機構(gòu)，裝配架可任何位置定位，雙重自鎖，運行平穩(wěn)，保證了航空發(fā)動機裝配安全性。但裝配過程均以手工裝配為主，裝配速度慢、效率低，發(fā)動機裝配質(zhì)量受限于裝配人員技術(shù)水平。在生產(chǎn)組織、流程、工裝設(shè)備、配套模式等各方面仍沿用傳統(tǒng)裝配模式。

圖1 發(fā)動機垂直裝配電動升降平臺Fig.1 Vertical assembly electric lifting platform of engine

2 航空發(fā)動機數(shù)字化脈動裝配技術(shù)研究進展

西北工業(yè)大學(xué)孫茉莉、常智勇、莫蓉[2]，為了解決航空發(fā)動機裝配中出現(xiàn)的錯裝、漏裝和裝配選擇繁瑣低效等問題，提出了一套面向裝配過程的可視化管理方案，認為航空發(fā)動機裝配數(shù)字化關(guān)鍵技術(shù)為：（1）優(yōu)化模塊。根據(jù)關(guān)鍵尺寸對倉庫中需要裝配的零件進行分組，進行零件優(yōu)配；（2）裝配工藝可視化。通過處理工藝規(guī)程信息、裝配過程動畫、提醒信息和警告信息，對裝配經(jīng)驗總結(jié)與提煉。（3）裝配履歷管理。建立電子表格管理的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，把裝配履歷表的信息轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)化有源數(shù)據(jù)。

沈陽航空航天大學(xué)王晶[3]，在碩士論文《面向航空發(fā)動機數(shù)字化裝配的公差分析技術(shù)研究》中，介紹了數(shù)字化裝配技術(shù)，主要包括數(shù)字化裝配協(xié)調(diào)技術(shù)、數(shù)字化裝配公差分析和分配技術(shù)、自定位與無型架定位數(shù)字化裝配技術(shù)、數(shù)字化裝配工藝設(shè)計技術(shù)和數(shù)字化裝配過程仿真驗證技術(shù)。通過虛擬裝配技術(shù)，建立公差和裝配模型，依據(jù)基于UG的裝配特征信息數(shù)據(jù)庫，完成了航空發(fā)動機裝配尺寸鏈的公差分析研究。

周爍、汪俊熙、劉宜勝等[4]，在論文《大型商用航空發(fā)動機整機裝配工藝淺析》中，介紹了大型商用航空發(fā)動機的構(gòu)型特征、裝配工藝和關(guān)鍵技術(shù)、發(fā)動機總裝工藝技術(shù)及展望。將發(fā)動機總裝理解為：將各個主單元體進行安裝，形成主機后，再進行剩余外部結(jié)構(gòu)（如附件、管路、安裝系統(tǒng)等）安裝，最終形成整機的過程。發(fā)動機總裝分為主機裝配和外部裝配兩部分，主機裝配（單元體之間的精確安裝）是總裝工藝核心技術(shù)內(nèi)容，也是當(dāng)前發(fā)動機裝配的主要工藝難點和薄弱點。當(dāng)前手工借助吊車完成主單元體的調(diào)姿和定位，很容易造成磕碰和卡滯，效率低。工人操作經(jīng)驗是影響裝配質(zhì)量的關(guān)鍵因素，并且未來高性能發(fā)動機具有精準(zhǔn)的鏈接配合（間隙、過盈）要求，使當(dāng)前的裝配技術(shù)方法面臨更大挑戰(zhàn)。

3 航空發(fā)動機數(shù)字化脈動總裝配線規(guī)劃

3.1 脈動式總裝線

脈動式裝配生產(chǎn)線是按節(jié)拍移動的一種裝配線，運用精益制造思想，對裝配過程進行流程再設(shè)計、優(yōu)化和平衡，實現(xiàn)按設(shè)定節(jié)拍的站位式裝配作業(yè)，達到縮短裝配周期、滿足客戶要求的裝配生產(chǎn)形式，是介于固定站位裝配與連續(xù)移動裝配之間的一種裝配生產(chǎn)形式，其典型特征是產(chǎn)品移動時不進行裝配作業(yè)，裝配作業(yè)時產(chǎn)品不移動，建設(shè)流程如圖2所示。

近年來，斯奈克瑪（SNECMA）、普惠（PW）等國際著名航空發(fā)動機制造企業(yè)，將汽車生產(chǎn)線集成理念應(yīng)用于CMF56系列發(fā)動機、PW800&PW1000發(fā)動機脈動裝配流水線，取得成功。法國SNECMA公司在巴黎Villaroche工廠采用水平脈動式裝配模式建設(shè)CMF56系列發(fā)動機生產(chǎn)線，裝配效率提高了25%，生產(chǎn)周期減少30%，生產(chǎn)線2.5天完成一臺發(fā)動機裝配，加拿大普惠公司也取得了4h生產(chǎn)一臺發(fā)動機的效率。圖3為法國CLEMENSSY公司為SNECMA公司做的一條CMF56發(fā)動機脈動式總裝線演示截圖。

圖2 脈動式裝配線流程圖Fig.2 Flow chart of pulse assembly production line

圖3 CMF56發(fā)動機脈動式總裝線演示截圖Fig.3 Demo screenshot of pulse assembly production line of CMF56 engine

3.2 國產(chǎn)航空發(fā)動機脈動總裝線的可行性分析

根據(jù)脈動裝配線產(chǎn)品移動時不裝配，裝配作業(yè)時產(chǎn)品不移動，產(chǎn)品按節(jié)拍移動的典型特征，決定了可裝配的發(fā)動機必須具備適合移動裝配的特征。結(jié)合CMF56系列發(fā)動機、PW800&PW1000發(fā)動機的結(jié)構(gòu)特點分析，可以肯定采用大部件結(jié)構(gòu)設(shè)計的大涵道比航空發(fā)動機更適合脈動裝配。由于大型軍用、民用飛機所選用的動力大多為大涵道比渦扇發(fā)動機，采用單元體設(shè)計，一般采用裝配架水平裝配或裝配井裝配。綜合分析認為，國產(chǎn)大涵道比發(fā)動機采用脈動裝配方式可行。

3.3 大涵道比發(fā)動機建設(shè)脈動總裝線的必要性

我國大型軍用、民用飛機研制正處于攻堅階段，其應(yīng)用前景廣闊，市場需求量大，可以預(yù)見，隨著我國大飛機研制進程的不斷深入并進入市場應(yīng)用，大涵道比渦扇發(fā)動機的需求量將越來越大。當(dāng)前發(fā)動機裝配工藝水平、生產(chǎn)組織模式和裝配工裝已與發(fā)動機設(shè)計及零部件制造水平不協(xié)調(diào)，難以滿足大涵道比渦扇發(fā)動機、高質(zhì)量、長壽命的裝配質(zhì)量需求，也難以滿足國家對大涵道比渦扇發(fā)動機批量生產(chǎn)和維修的發(fā)展需求。

3.4 規(guī)劃中應(yīng)考慮的幾個問題

（1）我國大型軍用、民用飛機還處于研制階段，相應(yīng)的大涵道比發(fā)動機還沒有固定的需求量，所以脈動總裝線應(yīng)采用模塊化設(shè)計，先進行工藝重構(gòu)和試驗，成熟后根據(jù)生產(chǎn)綱領(lǐng)進行復(fù)制建設(shè)。

（2）我國的航空發(fā)動機總裝，需要完成初裝→試車→拆解→故檢→二次裝配→二次試車→交付的工藝過程，所以在規(guī)劃中應(yīng)充分考慮拆解和故檢工藝的實施方案，以及二次裝配零部件的識別和存儲方法。

（3）航空發(fā)動機的需求量不像汽車產(chǎn)量相對穩(wěn)定。不同型號規(guī)格的發(fā)動機混線總裝，應(yīng)充分考慮生產(chǎn)線的柔性，并采用多用途柔性工裝，減少工裝存儲空間，適應(yīng)柔性裝配需求。

（4）國產(chǎn)發(fā)動機制造精度及工件一致性難以滿足批量生產(chǎn)裝配中的互換性要求，發(fā)動機下線幾率較大，應(yīng)充分考慮生產(chǎn)線的下線功能和修理工位的建設(shè)。

3.5 規(guī)劃技術(shù)路線

（1）針對大涵道比渦扇發(fā)動機的裝配需求，在對現(xiàn)有裝配工藝分析總結(jié)的基礎(chǔ)上，通過節(jié)拍均衡評估、工藝分解重組和新工藝研究，規(guī)劃適合于發(fā)動機水平脈動式總裝配的工藝方案，結(jié)合流水線作業(yè)特點，完成大涵道比渦扇發(fā)動機水平脈動式裝配生產(chǎn)線總體布局設(shè)計，并進行工藝仿真優(yōu)化。

（2）根據(jù)大涵道比渦扇發(fā)動機的結(jié)構(gòu)特點、裝配工藝要求和水平脈動式裝配線的總體布局規(guī)劃，并行開展發(fā)動機主體水平位姿調(diào)整、保姿態(tài)升降和站位間安全運輸技術(shù)、典型單元體自動化調(diào)姿及水平對接裝配技術(shù)、關(guān)鍵裝配參數(shù)在線檢測技術(shù)及生產(chǎn)線集成控制技術(shù)進行研究。

（3）完成相關(guān)理論研究后，結(jié)合生產(chǎn)線的總體要求，研制模塊化裝配工位，實現(xiàn)發(fā)動機主體水平位置-姿態(tài)調(diào)整、保姿態(tài)升降和站位間運輸功能，并開發(fā)相應(yīng)的脈動生產(chǎn)線控制系統(tǒng)軟件；研制適合脈動式裝配生產(chǎn)的發(fā)動機單元體自動化調(diào)姿及水平對接工藝裝備并開發(fā)各類單元體調(diào)姿對接裝備控制軟件；研制可在線操作的整機轉(zhuǎn)靜子同軸度、轉(zhuǎn)子安裝軸向尺寸數(shù)字化測量設(shè)備；開發(fā)適合脈動生產(chǎn)方式的發(fā)動機裝配計劃調(diào)度管理、物流配送管理、裝配技術(shù)狀態(tài)控制等裝配生產(chǎn)管理系統(tǒng)。

（5）基于現(xiàn)場總線及工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)，研究水平脈動式裝配生產(chǎn)線中不同設(shè)備、操作/管理軟件的集成、典型單元體調(diào)姿及水平對接裝備、在線測量設(shè)備、生產(chǎn)線移動控制系統(tǒng)、典型單元體調(diào)姿及水平對接控制軟件、生產(chǎn)線的管控系統(tǒng)的集成，形成脈動式生產(chǎn)線集成控制系統(tǒng)。

（6）利用研制的核心設(shè)備和軟件系統(tǒng)，結(jié)合具體的發(fā)動機裝配需要，開發(fā)集成式、柔性化單元體輔助裝配工裝，建設(shè)大涵道比渦扇發(fā)動機數(shù)字化水平脈動式裝配生產(chǎn)線，并進行發(fā)動機裝配轉(zhuǎn)線投產(chǎn)及持續(xù)改進。

3.6 發(fā)動機數(shù)字化脈動總裝應(yīng)解決的技術(shù)問題

（1）發(fā)動機零部件的數(shù)字化檢測技術(shù)及標(biāo)準(zhǔn)。由于復(fù)雜的航空發(fā)動機零部件通常在不同的制造廠生產(chǎn)，檢測數(shù)據(jù)需要在生產(chǎn)廠間傳遞，在“互聯(lián)網(wǎng)+”和“大數(shù)據(jù)”時代，需要將檢測數(shù)據(jù)變成有源數(shù)據(jù)，所以必須解決數(shù)字化檢測和標(biāo)準(zhǔn)問題。

（2）發(fā)動機零部件、單元體的身份識別技術(shù)及標(biāo)準(zhǔn)。為了航空制造過程的可追溯性，傳統(tǒng)采用手寫零件號、條碼對零件進行標(biāo)識，建立履歷表。要實現(xiàn)數(shù)字化裝配，需要建立數(shù)字化履歷表，零部件身份需要電子化自動識別，需要推進二維碼標(biāo)識技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)（條碼的誤碼率較高）的技術(shù)研究和標(biāo)準(zhǔn)制定，研究單元體采用RFID芯片身份識別技術(shù)及標(biāo)準(zhǔn)，并實現(xiàn)航空發(fā)動機交互式裝配操作引導(dǎo)[5]。

（3）數(shù)字化信息平臺的技術(shù)規(guī)劃。利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實現(xiàn)多廠制造協(xié)調(diào)、裝配計劃管理、裝配過程管理、裝配工位控制、電子履歷建立、數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計、容差分配、工藝仿真等功能（見圖4）。

圖4 數(shù)字化信息平臺Fig.4 Digital information platform

（4）航空發(fā)動機裝配的容差優(yōu)化分配和工藝仿真技術(shù)。針對發(fā)動機總裝工藝規(guī)劃和優(yōu)化的需求，對各大部件的檢測數(shù)據(jù)進行容差優(yōu)化分配，采用三維數(shù)字化手段仿真發(fā)動機總裝工藝過程，模擬裝配路徑、次序和動態(tài)間隙，檢查可能存在的碰撞和干涉，驗證裝配操作的可行性和可達性；采用人機工學(xué)方法，分析裝配工序的可操作性、可視度和舒適度；構(gòu)建水平脈動式總裝生產(chǎn)線仿真模型，仿真總裝工藝布置、物流控制、生產(chǎn)線平衡節(jié)拍，驗證生產(chǎn)節(jié)拍和生產(chǎn)物流，建立裝配生產(chǎn)線瓶頸識別和消除機制，完成水平脈動式裝配生產(chǎn)線工藝優(yōu)化，研究均衡輔助分析決策理論和實現(xiàn)方法，平衡脈動生產(chǎn)線的生產(chǎn)能力。

4 結(jié)束語

航空發(fā)動機脈動總裝線規(guī)劃，必須以航空發(fā)動機裝配工藝技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合先進設(shè)備制造技術(shù)、運動控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)信息化技術(shù)、數(shù)字化檢測技術(shù)、模擬仿真技術(shù)、公差分析技術(shù)等。研究航空發(fā)動機脈動總裝的可行性和必要性，協(xié)調(diào)各相關(guān)專業(yè)技術(shù)的相容性和配合接口標(biāo)準(zhǔn)。

采用單元體設(shè)計并可水平總裝的大涵道比發(fā)動機適合采用水平脈動總裝生產(chǎn)組織方式，結(jié)合未來需求預(yù)期，具備采用脈動裝配的可行性和必要性。但由于能力需求的不確定性，前期規(guī)劃必須采用模塊化柔性設(shè)計方案、多用途柔性工裝。結(jié)合產(chǎn)品數(shù)學(xué)模型，研究數(shù)字化檢測技術(shù)及標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)識技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)，使各相關(guān)數(shù)據(jù)變?yōu)橛性獢?shù)據(jù)，運用信息技術(shù)和大數(shù)據(jù)，進行容差優(yōu)化分配和工藝仿真技術(shù)研究，提高航空發(fā)動機一次裝配合格率。

通過航空發(fā)動機數(shù)字化脈動總裝線的規(guī)劃實施，新觀念、新技術(shù)的研究推進，進行工藝重組優(yōu)化，力爭使我國航空發(fā)動機總裝水平達到或超過世界先進水平，并徹底改變發(fā)動機的總裝工藝，實現(xiàn)航空發(fā)動機總裝配一次試車合格交付的工藝標(biāo)準(zhǔn)。

[1] 《航空制造工程手冊》總編委會主編.航空制造工程手冊:發(fā)動機裝配與試車.北京:航空工業(yè)出版社，1995.

[2] 孫茉莉，常智勇，莫容.航空發(fā)動機裝配數(shù)字化關(guān)鍵技術(shù)研究 .中國機械工程，2008，19(2)：200-203.

[3] 王晶.面向航空發(fā)動機數(shù)字化裝配的公差分析技術(shù)研究[D].沈陽:沈陽航空航天大學(xué)，2011.

[4] 周爍，汪俊熙，劉宜勝，等.大型商用航空發(fā)動機整機裝配工藝淺析.航空制造技術(shù)，2014(5)：92-96.

[5] 曹率，孫惠斌，楊海成.基于RFID的航空發(fā)動機交互式裝配操作引導(dǎo)方法研究.航空制造技術(shù)，2013(12)：85-88.