航空發(fā)動機(jī)水平脈動總裝生產(chǎn)線規(guī)劃研究

中航工業(yè)西安航空發(fā)動機(jī)（集團(tuán)）有限公司 魏小紅 談 軍 方紅文

西 北 工 業(yè) 大 學(xué) 常智勇 曹 浩 鄧 奇

總裝是航空發(fā)動機(jī)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)量顯著影響航空發(fā)動機(jī)的工況特性，直接決定發(fā)動機(jī)的可靠性、壽命及主要性能參數(shù)。近年來，我國在航空發(fā)動機(jī)新型材料研發(fā)應(yīng)用、零件機(jī)械加工制造、特種工藝成型、先進(jìn)檢測技術(shù)等方面已經(jīng)取得了一定的進(jìn)步。但是，總裝環(huán)節(jié)仍沿用早期固定站位式裝配模式，基于專用的固定剛性桁架支撐發(fā)動機(jī)進(jìn)行垂直裝配。其生產(chǎn)組織、生產(chǎn)流程、工裝設(shè)備等各方面也以傳統(tǒng)定位裝配方式進(jìn)行配套，這就使總裝的工藝水平、生產(chǎn)組織模式和裝配工裝與發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)及零部件制造水平不協(xié)調(diào)，難以滿足航空發(fā)動機(jī)軍民混用、高質(zhì)量、長壽命的裝配質(zhì)量需求，難以滿足國家對航空發(fā)動機(jī)批量生產(chǎn)和維修的發(fā)展需求。

近年來，國際航空制造技術(shù)取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展[1]，流水線裝配已成為國際航空發(fā)動機(jī)總裝技術(shù)的發(fā)展趨勢。然而，由于國外在航空發(fā)動機(jī)制造方面對我國長期進(jìn)行嚴(yán)密的技術(shù)封鎖，引進(jìn)國外先進(jìn)的裝配工藝方法、核心裝備和生產(chǎn)線難以實(shí)現(xiàn)。在這種情況下，自主開發(fā)新型航空發(fā)動機(jī)總裝工藝，突破發(fā)動機(jī)總裝關(guān)鍵技術(shù)，研制滿足航空發(fā)動機(jī)總裝需求的基礎(chǔ)制造裝備，建設(shè)先進(jìn)的總裝生產(chǎn)線，將從根本上改變我國傳統(tǒng)的裝配模式，整體提高發(fā)動機(jī)裝配技術(shù)水平和生產(chǎn)效率。對于增強(qiáng)我國航空發(fā)動機(jī)研制能力，提升我國航空工業(yè)的國際競爭能力具有重要的戰(zhàn)略意義。

本文以某型大涵道比渦扇發(fā)動機(jī)的裝配線規(guī)劃為對象展開研究，借鑒國外發(fā)動機(jī)總裝配技術(shù)發(fā)展趨勢，在深入分析現(xiàn)有裝配工藝的基礎(chǔ)上，研究水平脈動式總裝配生產(chǎn)線設(shè)計(jì)技術(shù)，研制配套基礎(chǔ)裝備，最后通過系統(tǒng)集成實(shí)現(xiàn)水平脈動式發(fā)動機(jī)總裝配生產(chǎn)線。項(xiàng)目研究成果可直接應(yīng)用于該型號發(fā)動機(jī)總裝，實(shí)現(xiàn)未來尺寸相當(dāng)?shù)拇蠛辣葴u扇發(fā)動機(jī)的共線裝配，其技術(shù)成果可直接推廣應(yīng)用于其他類型發(fā)動機(jī)的生產(chǎn)裝配。

生產(chǎn)線規(guī)劃的總目標(biāo)

針對發(fā)動機(jī)總裝過程中的裝配效率低，成本高，裝配質(zhì)量受限，數(shù)字化、自動化水平低等問題，首先確定該總裝配生產(chǎn)線建設(shè)的總體目標(biāo)。即研制集成式模塊化發(fā)動機(jī)水平裝配單元、單元體自動化安裝關(guān)鍵工藝裝備和高精度在線檢測裝備，建設(shè)一條大涵道比渦扇發(fā)動機(jī)數(shù)字化、自動化水平脈動式總裝生產(chǎn)線。為此必須在規(guī)劃中實(shí)現(xiàn)以下分解目標(biāo)：

（1）自主研制國內(nèi)領(lǐng)先的發(fā)動機(jī)總裝脈動生產(chǎn)線和裝配站位，具有一定的靈活性和適應(yīng)性，具備調(diào)整后適應(yīng)其他機(jī)型總裝的能力，實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)總裝由離散模式向生產(chǎn)線模式的飛躍。

（2）自主研發(fā)發(fā)動機(jī)水平總裝的新工藝，研制專用的工裝,克服水平狀態(tài)下零部件應(yīng)力、應(yīng)變和裝配精度控制等問題，進(jìn)行工藝重組和優(yōu)化，滿足脈動生產(chǎn)線節(jié)拍的要求。

（3）根據(jù)裝配工藝技術(shù)要求，研制專用的工具，提高裝配效率和精度，保證裝配質(zhì)量的一致性，降低工人的勞動強(qiáng)度。

（4）采用數(shù)字化管控手段，實(shí)現(xiàn)裝配操作的引導(dǎo)和控制，采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)，及時反饋現(xiàn)場狀態(tài)，建立無紙化裝配生產(chǎn)模式，形成數(shù)字化、結(jié)構(gòu)化的裝配履歷本。

（5）通過協(xié)同環(huán)境及時協(xié)調(diào)配套廠家的制造、供應(yīng)進(jìn)度，并以此為依據(jù)組織生產(chǎn)，減少缺件等待時間和庫存時間，提高發(fā)動機(jī)總裝的效率和效益。

發(fā)動機(jī)總裝生產(chǎn)線的“集成化、數(shù)字化、自動化、智能化”將通過以上分解目標(biāo)實(shí)現(xiàn)。這其中目標(biāo)（2）的實(shí)現(xiàn)主要由工藝工程師完成。由于發(fā)動機(jī)裝配時的位姿與服役狀態(tài)一致，采用水平裝配模式，因此裝配本身增加的應(yīng)力與變形較少。重點(diǎn)在于對待裝配零件進(jìn)行有效夾持，使得其自由度合理控制。而目標(biāo)（5）的實(shí)現(xiàn)主要通過跨企業(yè)的信息協(xié)同實(shí)現(xiàn)。因此對于裝備部門而言，建設(shè)水平脈動生產(chǎn)線的重點(diǎn)任務(wù)是保證目標(biāo)（1）、（3）、（4）的實(shí)現(xiàn)。本文后續(xù)內(nèi)容也將圍繞對這3部分的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行闡述。

關(guān)鍵目標(biāo)實(shí)現(xiàn)方案

1 具有靈活性的總體站位布局規(guī)劃

為了實(shí)現(xiàn)航發(fā)裝配由定點(diǎn)離散裝配到生產(chǎn)線裝配的升級，首先要規(guī)劃生產(chǎn)線的主體框架結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)總裝使用固定站位式裝配。發(fā)動機(jī)基體借助工裝放置于地面，各分總成逐一調(diào)運(yùn)至基體進(jìn)行安裝。這一裝配方式生產(chǎn)效率較低，而且固定的裝配位置使得裝配操作不便，人員、工裝堆積。脈動式生產(chǎn)線的采用能夠有效地解決以上問題?；诤娇瞻l(fā)動機(jī)的構(gòu)成，主體框架由5個工位組成，分別完成風(fēng)扇機(jī)匣、核心機(jī)、低壓渦輪、外部管路和外圍電纜的裝配。同時考慮本生產(chǎn)線主要面向大涵道比航空發(fā)動機(jī)總裝，按照發(fā)動機(jī)最大重量、最大長度及最大直徑設(shè)計(jì)，并具備向其他機(jī)型推廣的能力。

生產(chǎn)線總體結(jié)構(gòu)既可以選擇在地面直接進(jìn)行的裝配方案，也可以選擇懸吊式裝配。地面裝配所需結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)備投資費(fèi)用少。但對裝配體的控制能力也少。常需要人員使用地車與梯凳等工具，不利于降低人員勞動強(qiáng)度，而且發(fā)動機(jī)下部零件難以安裝。而懸吊式裝配方案結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，設(shè)備投資費(fèi)用較高。但便于在裝配過程中調(diào)姿，減少了操作人員的工作強(qiáng)度。此外懸吊式方案便于裝拆，有利于后續(xù)持續(xù)改進(jìn)。綜合以上考量，生產(chǎn)線主體結(jié)構(gòu)選擇懸吊式。裝配模塊采用鋼結(jié)構(gòu)，并具有高精度軌道。發(fā)動機(jī)裝配時固定于可升降的吊運(yùn)系統(tǒng)，具有垂直升降功能。可通過手持終端控制運(yùn)送單元的垂直與水平移動。

圖1 航發(fā)總裝生產(chǎn)線硬件布局規(guī)劃

總體規(guī)劃方案如圖1所示，其中圖1（a）為生產(chǎn)線布局，該脈動生產(chǎn)線同時具備緩沖功能，緩沖區(qū)內(nèi)最多可容納1臺發(fā)動機(jī)，便于缺件的發(fā)動機(jī)，以及條件具備后重新上線。圖1（b）為配置信息。圖2展示了在圖1（a）上運(yùn)行的發(fā)動機(jī)吊架的具體方案：在生產(chǎn)線中布置的軌道系統(tǒng)可使發(fā)動機(jī)吊架在各單元間運(yùn)動，并由光柵對準(zhǔn)系統(tǒng)控制吊架的停止位置。同時，重要單元配給高精度絲杠及平衡油缸，使得發(fā)動機(jī)在該單元可以實(shí)現(xiàn)自主升降，以便裝配實(shí)施，降低人員操作難度。此外并設(shè)計(jì)了相應(yīng)的可快速更換式吊裝接口，根據(jù)不同的裝配程度，變換使用對應(yīng)的吊裝點(diǎn)。為了增加生產(chǎn)線的適用性與靈活性，在吊架中與具體發(fā)動機(jī)型號相關(guān)的部分被設(shè)計(jì)為盡可能少占用資源，并可從總體吊架上拆卸。如此即可在后續(xù)以相對低廉的代價實(shí)現(xiàn)與其他型號發(fā)動機(jī)裝配的兼容。

2 保證裝配質(zhì)量的關(guān)鍵容差控制

為實(shí)現(xiàn)目標(biāo)（3），對發(fā)動機(jī)總裝過程而言，最重要的裝配精度控制對象就是各維修單元總成之間存在著的轉(zhuǎn)子間過盈連接。這一連接工藝是總裝過程中最重要的裝配環(huán)節(jié)之一[2-3]。對于大涵道比產(chǎn)品而言，由于各總成尺寸、重量偏大，導(dǎo)致操作難度加大。而各總成中均存在著定子和轉(zhuǎn)子兩大部分，兩個部分互相犬牙交錯，為保證性能，各總成定、轉(zhuǎn)子之間間隙很小，稍有不慎就有損壞葉片的可能。這些因素都使得裝配過程更加困難。此外，由于過盈連接在裝配時需要進(jìn)行加熱，使得裝配過程還有時間條件的限制。如何在建立脈動生產(chǎn)線，提高生產(chǎn)率的前提下保障乃至提高此類裝配的質(zhì)量，是該生產(chǎn)線規(guī)劃中的重要內(nèi)容。而對這一過程進(jìn)行控制的關(guān)鍵因素，就在于對裝配過程進(jìn)行容差控制。

總體而言，過盈連接過程的容差控制分為離線測量、過程工藝與數(shù)據(jù)管控、在線測量3個部分。在離線測量階段主要是通過精密測量儀器對裝配結(jié)合面進(jìn)行精測，以獲得待裝配零件的精確信息。這是因?yàn)榧词菇Y(jié)合面尺寸公差符合設(shè)計(jì)要求，對于每一個具體的總成而言，其尺寸間的實(shí)際偏差仍然對過盈裝配過程有著重要的影響。此外，在排產(chǎn)飽滿的情況下還可按實(shí)際尺寸偏差執(zhí)行分組互換式裝配法[4]。各總成在裝配前相對易于測量，因此測量過程較易實(shí)現(xiàn)。重要的是為各總成建立裝配檔案，儲存這一測量信息。

為了保證此類配合的實(shí)現(xiàn)，還需要在裝配時對配合孔進(jìn)行預(yù)熱處理后進(jìn)行裝配。傳統(tǒng)裝配過程中，裝配人員按照工藝規(guī)程將加熱棒置于配合孔中至特定溫度后取出，然后立即將軸類零件置于待裝配位置，使用扭矩放大器進(jìn)行手工安裝。在這一過程中存在著若干人因使得裝配質(zhì)量有出現(xiàn)浮動的可能。如加熱至溫度由人在機(jī)器邊監(jiān)測，再如壓入軸類零件的過程是手動操作等。此外，原溫度信息只考慮了零件加熱的絕對溫度，沒有考慮這一溫度與環(huán)境溫度的相對差異，更忽略了各具體待裝總成的實(shí)際尺寸偏差信息。為了排除人為因素，并精確控制零件加熱效果，將加熱器進(jìn)行了智能化改進(jìn)。改進(jìn)后的加熱器根據(jù)環(huán)境溫度與待裝總成的實(shí)際偏差狀況實(shí)時調(diào)整加熱溫度限值，并在合適進(jìn)行裝配時自動切斷熱源并蜂鳴提示可以進(jìn)行安裝。此外在切斷熱源后對被加熱件也進(jìn)行了溫度監(jiān)控，在溫度下降到不宜安裝限值后會立即發(fā)出警示，從而可以避免在零件加熱完成后軸類零件未能及時安裝的人為錯誤。此外，為了避免手工安裝造成損傷，引入大扭矩自動壓入設(shè)備與壓力監(jiān)測器以實(shí)現(xiàn)可控半自動裝配，如圖3所示。其中壓入設(shè)備的輸出扭矩與壓力檢測器的閾值控制依照待裝總成的裝配結(jié)合面實(shí)際尺寸偏差給出。

對于裝配過程的在線測量，由于發(fā)動機(jī)的主體部分在裝配過程中會在各個工位間運(yùn)動，因此會有相比于傳統(tǒng)定點(diǎn)裝配過程要多的對正與調(diào)平工作。為了減少裝配人員的操作，同時提高裝配精度，在裝配線規(guī)劃中，我們引入了激光對中系統(tǒng)協(xié)助操作人員對發(fā)動機(jī)位資進(jìn)行調(diào)整。如圖4所示，首先將無源標(biāo)靶通過高精度間隙配合或者定心機(jī)構(gòu)安裝在被測量的孔中。標(biāo)靶端面中心反射鏡用于反射來自激光自準(zhǔn)直測量系統(tǒng)發(fā)出的激光，端面漫反射圓環(huán)反射來自高精度攝影測量系統(tǒng)發(fā)出的平行光。然后激光自準(zhǔn)直測量系統(tǒng)根據(jù)標(biāo)靶中心反射鏡反射回的激光點(diǎn)，計(jì)算測量對象偏轉(zhuǎn)量。同時高精度攝影測量系統(tǒng)對標(biāo)靶端面的漫反射圓環(huán)進(jìn)行拍照，計(jì)算測量對象中心位置。圖中測量系統(tǒng)調(diào)節(jié)平臺用于調(diào)節(jié)測量系統(tǒng)位姿，主要實(shí)現(xiàn)測量成像平面與標(biāo)靶端面的平行。而測量系統(tǒng)隔振平臺用于保證測量系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性。這一測量數(shù)據(jù)結(jié)合壓力檢測數(shù)據(jù)，就是這一裝配結(jié)果的量化表現(xiàn)形式。

圖2 發(fā)動機(jī)吊裝方案示意

圖3 孔軸過盈配合用智能加熱設(shè)備及壓力監(jiān)測器

最后，該裝配的質(zhì)量還將通過試車乃至后續(xù)的實(shí)測與實(shí)操得到進(jìn)一步的反映。而這些回饋信息將成為后續(xù)裝配互換性分組與工藝規(guī)程這兩部分內(nèi)容的的調(diào)整依據(jù)。從而使得這一容差過程控制成為一個閉環(huán)系統(tǒng)。圖5給出了這一閉環(huán)系統(tǒng)的總體流程。

3 數(shù)字化管控技術(shù)

發(fā)動機(jī)的裝配信息流包括裝配工藝設(shè)計(jì)、工裝設(shè)計(jì)、裝配過程管理、質(zhì)量狀態(tài)控制等，業(yè)務(wù)流程復(fù)雜，質(zhì)量要求嚴(yán)格。為了提高航發(fā)裝配質(zhì)量和效率、降低裝配出錯概率率、縮短裝配周期，在架構(gòu)航發(fā)總裝生產(chǎn)線的硬件設(shè)施時必須同步引入裝配數(shù)字化管控系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場操作的有效實(shí)施指導(dǎo)與管控，并最終從整體上提高航發(fā)的裝配質(zhì)量。

由于為航發(fā)總裝配備的裝配現(xiàn)場綜合管控系統(tǒng)本身非常復(fù)雜，包括安全性、穩(wěn)定性、子系統(tǒng)交互設(shè)定、兼容性設(shè)置等諸多方面，由于篇幅限制無法詳述。本節(jié)僅就該系統(tǒng)信息流傳遞進(jìn)行說明。圖6所示為該管控系統(tǒng)的總體信息流架構(gòu)。如圖所示，系統(tǒng)涉及人員包括負(fù)責(zé)生產(chǎn)調(diào)度人員、工藝工程師、操作工人、質(zhì)檢員以及各級管理人員和用戶等。所有操作均需通過發(fā)動機(jī)總裝生產(chǎn)線管理門戶進(jìn)行，其流程如下：首先由調(diào)度人員基于各廠協(xié)調(diào)計(jì)劃生成總裝廠的各級昨夜計(jì)劃，然后由生產(chǎn)車間組織基于電子看板式的生產(chǎn)管理，以進(jìn)行裝配。其中裝配的過程由工藝工程師編制的電子工藝指令進(jìn)行指導(dǎo)，裝配質(zhì)量按照質(zhì)量工程師編制的質(zhì)量計(jì)劃書進(jìn)行相應(yīng)檢驗(yàn)，同時使用集成于系統(tǒng)中的的各類傳感器對裝配過程與裝配結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。采集數(shù)據(jù)包括了被裝配的物料狀態(tài)，工藝狀態(tài)以及裝配超差狀態(tài)等。每臺機(jī)的數(shù)據(jù)狀態(tài)在此系統(tǒng)下將生成重要的結(jié)構(gòu)化電子履歷，存儲入發(fā)動機(jī)裝配數(shù)據(jù)庫，以供該機(jī)服役周期使用。同時，這一電子履歷中所蘊(yùn)含的數(shù)據(jù)也被用于對總體裝配工作進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析。通過數(shù)據(jù)挖掘與知識發(fā)現(xiàn)技術(shù)，可以找出影響質(zhì)量與成本的關(guān)鍵因素，從而進(jìn)一步提高裝配技術(shù)水平。

圖4 激光對中系統(tǒng)

圖5 容差控制流程

在實(shí)現(xiàn)了裝配現(xiàn)場信息流數(shù)字化的基礎(chǔ)上，就可以實(shí)現(xiàn)并提高對裝配現(xiàn)場的管控能力。這里以風(fēng)扇機(jī)匣裝配為例，說明現(xiàn)場具體裝配中管控的實(shí)現(xiàn)。如圖7所示，首先由調(diào)度人員向數(shù)字化管控系統(tǒng)提交生產(chǎn)需求，基于這一需求，管控系統(tǒng)向吊運(yùn)單元發(fā)出裝配要求，以將風(fēng)扇機(jī)匣裝配位置預(yù)留。同時，系統(tǒng)向庫房單元發(fā)出物料要求。庫房在有庫存的情況下，由AGV小車將物料配送至風(fēng)扇機(jī)匣裝配單元。在該單元，工人將按照系統(tǒng)給出的裝配規(guī)程實(shí)施裝配，并且其裝配進(jìn)度實(shí)時回饋至系統(tǒng)。待裝配完成，檢驗(yàn)人員檢測裝配無誤后，該裝配結(jié)果即被送入下一個裝配單元。

圖6 航發(fā)裝配現(xiàn)場綜合管控系統(tǒng)

圖7 裝配單元信息流示意

結(jié)束語

航空發(fā)動機(jī)是一個復(fù)雜系統(tǒng)，其裝配生產(chǎn)牽涉到技術(shù)、物料、人力、以及質(zhì)量、周期、成本等諸多因素。因此其總裝生產(chǎn)線的構(gòu)建需要綜合考量各個目標(biāo)，權(quán)衡各部門的業(yè)務(wù)內(nèi)容與需求，以期最大化滿足航發(fā)裝配各項(xiàng)要求。我們在規(guī)劃該總裝生產(chǎn)線的過程中，與諸相關(guān)部門多次研討，以獲得該生產(chǎn)線的關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)與重要需求。在此基礎(chǔ)上，并與部分承建單位反復(fù)論證，對每一個工藝、生產(chǎn)技術(shù)難點(diǎn)與需求的實(shí)現(xiàn)都進(jìn)行了詳盡的討論與過程仿真。并在討論中引入了風(fēng)險(xiǎn)預(yù)防機(jī)制，給出了在任何工作點(diǎn)出現(xiàn)問題后的解決預(yù)案。由此確定出水平脈動式航發(fā)總裝生產(chǎn)線建設(shè)的總體目標(biāo)，并將該總體目標(biāo)分解為五個重要的子目標(biāo)。在獲得子目標(biāo)后，對涉及到裝備工作的3個重要目標(biāo)進(jìn)行了分析，找到了每一個目標(biāo)的關(guān)鍵影響因此。然后圍繞關(guān)鍵影響因素，給出了這些目標(biāo)的具體實(shí)現(xiàn)方案，軟硬件規(guī)劃與流程圖。并對其中的難點(diǎn)給出了原理分析以及實(shí)體仿真。最終完成的結(jié)果能確實(shí)提高目前發(fā)動機(jī)裝配質(zhì)量，縮短生產(chǎn)周期并減少人員勞動消耗。因此受到了各方的認(rèn)可。

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