航空發(fā)動機(jī)低壓渦輪單元體智能對接技術(shù)研究

王 嶺

(中國航發(fā)商用航空發(fā)動機(jī)有限責(zé)任公司，上海 201108)

1 引言

航空發(fā)動機(jī)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[1-2]。發(fā)動機(jī)總裝裝配是指將各主單元體及外部結(jié)構(gòu)進(jìn)行安裝形成整機(jī)的過程。作為發(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)量直接影響發(fā)動機(jī)的工況特性，決定著發(fā)動機(jī)的可靠性、壽命及主要性能參數(shù)[3]。

目前，國內(nèi)航空發(fā)動機(jī)總裝主要采用傳統(tǒng)裝配方法，圍繞固定站位，采用目視檢查-調(diào)整-目視檢查的方法進(jìn)行對接安裝，由人工進(jìn)行各單元體的位置和姿態(tài)調(diào)整，容易造成磕碰和卡滯，裝配質(zhì)量不穩(wěn)定，裝配效率低，與國際先進(jìn)航空發(fā)動機(jī)裝配技術(shù)的差距巨大[4]。國外商用發(fā)動機(jī)廠商已針對總裝過程設(shè)計(jì)出脈動生產(chǎn)線，廣泛采用機(jī)器視覺、機(jī)器人等技術(shù)用于發(fā)動機(jī)對接裝配過程，實(shí)現(xiàn)提質(zhì)增效的目標(biāo)。法國斯奈克瑪于2011年建成了CFM56發(fā)動機(jī)脈動生產(chǎn)線，通過精確制導(dǎo)的自動引導(dǎo)車進(jìn)行準(zhǔn)確對接裝配[5]；普惠于2014年開始研發(fā)發(fā)動機(jī)自動裝配生產(chǎn)線，并在其佛羅里達(dá)州西棕櫚灘工廠安裝了具有頂部夾具系統(tǒng)的生產(chǎn)線，通過視覺引導(dǎo)完成其齒輪傳動渦輪發(fā)動機(jī)的對接裝配過程，有效提高了裝配生產(chǎn)效率[6]；GE公司在拉斐特的發(fā)動機(jī)總裝廠建立了總裝脈動生產(chǎn)線，采用上部吊裝方式進(jìn)行發(fā)動機(jī)水平對接[7]。

本文針對脈動生產(chǎn)線的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[8-9]，研發(fā)低壓渦輪單元體水平智能對接技術(shù)方案，并驗(yàn)證其可行性，以期為未來批生產(chǎn)和維修過程裝配質(zhì)量穩(wěn)定性提供技術(shù)保障，同時(shí)為我國商用航空發(fā)動機(jī)脈動生產(chǎn)線設(shè)計(jì)提供技術(shù)基礎(chǔ)。

2 航空發(fā)動機(jī)低壓渦輪單元體智能對接需求分析

以某型商用航空發(fā)動機(jī)為例，其低壓渦輪對接安裝示意如圖1所示。目前，其安裝主要沿襲傳統(tǒng)裝配方式，采用人工+吊車并使用專用工裝的裝配方法，存在裝配過程一致性和穩(wěn)定性差、裝配效率低等問題，與國際先進(jìn)航空發(fā)動機(jī)裝配技術(shù)的差距巨大，難以滿足未來航空發(fā)動機(jī)批量生產(chǎn)和維修的發(fā)展需求[9]。

圖1 低壓渦輪單元體(右側(cè))和風(fēng)扇核心機(jī)單元體(左側(cè))對接安裝示意圖Fig.1 The schematic diagram of the docking process for the low pressure turbine module(right)and low pressure compressor module(left)

低壓渦輪單元體對接安裝過程的典型特點(diǎn)及難點(diǎn)在于：

(1)裝配行程長，低壓渦輪軸長約2.0 m，裝配行程至少2.2 m；

(2)裝配質(zhì)量大，低壓渦輪單元體總質(zhì)量超過800 kg；

(3)裝配精度高，低壓渦輪軸與風(fēng)扇核心機(jī)單元體為過渡配合，配合精度要求0～0.057 mm；

(4)裝配環(huán)境可視性差，不易直接觀察，對接安裝過程屬于盲裝過程。

3 航空發(fā)動機(jī)低壓渦輪單元體智能對接系統(tǒng)方案

通過對航空發(fā)動機(jī)低壓渦輪單元體裝配工藝進(jìn)行分析，梳理出的智能對接方案如圖2所示，主要包括以下幾個(gè)模塊：

(1)裝配過程虛擬仿真驗(yàn)證模塊。將低壓渦輪單元體與風(fēng)扇核心機(jī)單元體的實(shí)際尺寸參數(shù)導(dǎo)入仿真環(huán)境，對目標(biāo)部件、移動部件、智能對接平臺、對接區(qū)域?qū)崪y數(shù)據(jù)等運(yùn)動要素的數(shù)模及其在裝配坐標(biāo)系下所處的位姿進(jìn)行仿真，在實(shí)際對接前進(jìn)行模擬對接及選配工作。

(2)自動運(yùn)輸及上下料模塊。自動上下料模塊涉及大負(fù)載自動運(yùn)輸AGV小車，將低壓渦輪單元體自低壓渦輪區(qū)運(yùn)輸至對接安裝區(qū)域；設(shè)計(jì)基于絲杠機(jī)構(gòu)的自動上下料裝置，將低壓渦輪單元體自動放置于智能裝配平臺上。

(3)多自由度智能對接模塊。由多自由度位移與姿態(tài)調(diào)整平臺組成，包括X、Y、Z方向的移動和轉(zhuǎn)動，以及裝配過程中所需的2個(gè)局部自由度。相對位姿通過定制的激光跟蹤與引導(dǎo)測量系統(tǒng)、高精度激光測距系統(tǒng)、高精度超聲測距系統(tǒng)和力傳感系統(tǒng)測量實(shí)現(xiàn)。通過將測量數(shù)據(jù)反饋至控制系統(tǒng)，對位姿進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)無磕碰、平滑對接。

(4)螺母擰緊模塊。分為主螺母和邊螺母擰緊兩部分。其中，主螺母通過激光測距、視覺檢測、電動扳手等實(shí)現(xiàn)自動擰緊；邊螺母通過視覺引導(dǎo)方式進(jìn)行對中，因空間限制采用人工方式擰緊。

4 航空發(fā)動機(jī)低壓渦輪單元體智能對接關(guān)鍵技術(shù)

4.1 激光導(dǎo)航與物料自動運(yùn)輸技術(shù)

采用激光反射原理，在AGV小車行走路徑周圍安裝位置精確的激光反射板，AGV小車通過發(fā)射激光束來確定，其當(dāng)前的位置和方向，計(jì)算相對位置，通過幾何運(yùn)算實(shí)現(xiàn)路徑導(dǎo)航。導(dǎo)航原理如圖3所示。

圖3 激光導(dǎo)航原理Fig.3 The principle of laser navigation

考慮低壓渦輪AGV小車負(fù)載運(yùn)行過程中負(fù)荷大，將低壓渦輪AGV小車的行駛速度范圍設(shè)定為小于20.0 m/min。考慮到裝配車間人員行駛路徑與AGV小車行駛路徑，為保證人員安全，設(shè)置激光防撞儀及急停裝置，安全控制結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 物料自動運(yùn)輸安全防護(hù)方案Fig.4 The safe protection solution for the material transportation

4.2 對接過程激光跟蹤與位姿測量技術(shù)

考慮到商用航空發(fā)動機(jī)裝配過程安裝精度要求高，配合精度要求0～0.057 mm，研究中綜合比較了間接測量和直接測量的特點(diǎn)?？紤]到間接測量過程存在累計(jì)誤差風(fēng)險(xiǎn)，難以滿足精度需求，設(shè)計(jì)過程采用直接測量方式，利用激光跟蹤與引導(dǎo)系統(tǒng)、高精度激光測量傳感器、高精度超聲測量傳感器等測量并控制低壓渦輪和風(fēng)扇核心機(jī)單元體的相對姿態(tài)，滿足精度要求[4]。

如圖5所示，激光跟蹤與引導(dǎo)測量的基本過程為，在兩個(gè)目標(biāo)點(diǎn)(風(fēng)扇端與低壓渦輪軸端)上各安置一組激光發(fā)射裝置及激光測距傳感器和超聲波測距傳感器。激光發(fā)射裝置發(fā)射出的兩組激光進(jìn)入激光跟蹤頭，激光測距傳感器對兩組激光進(jìn)行識別。測量過程主要通過激光光源照射在成像板上，測量相對位置，進(jìn)而通過計(jì)算獲取低壓渦輪與風(fēng)扇核心機(jī)單元體相對姿態(tài)，得出低壓渦輪和風(fēng)扇核心機(jī)單元體前端之間的相對偏差。當(dāng)目標(biāo)移動時(shí)，激光跟蹤頭保證跟蹤兩組激光，同時(shí)準(zhǔn)確測量低壓渦輪與風(fēng)扇核心機(jī)單元體后端的相對姿態(tài)，在配合精度靠近要求上下限(0～0.057 mm)時(shí)進(jìn)行控制，并實(shí)時(shí)顯示和虛擬裝配過程，為檢測和指導(dǎo)對接過程提供精確數(shù)據(jù)。

圖5 定制的激光跟蹤與引導(dǎo)測量工作原理Fig.5 The principle of customized laser tracking and guided measurement technology

4.3 力傳感與智能控制技術(shù)

采用六維腕力傳感器測量低壓渦輪單元體與風(fēng)扇核心機(jī)單元體裝配過程中產(chǎn)生的摩擦力的大小和方向。通過基于行為的智能控制算法進(jìn)行計(jì)算并形成控制指令輸出，其基本邏輯如圖6所示。

圖6 基于智能感知的碰撞控制技術(shù)Fig.6 Smart sensor based bumping control technology

基于行為的智能控制算法實(shí)施過程中，行為序列主要由目標(biāo)、操作場景之間的交互實(shí)現(xiàn)。行為控制主要包括自組織和分布式控制方式，通過形成的位姿調(diào)整控制指令進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)動控制，防止磕碰損傷。

4.4 集成控制系統(tǒng)組成

通過集成控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)智能對接平臺的總體控制，實(shí)現(xiàn)對接安裝過程模擬仿真、對接數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)檢測與控制、對接數(shù)據(jù)分析等功能。系統(tǒng)組成如圖7所示，分為智能對接設(shè)備層、嵌入式控制層(含感知層、嵌入式控制器、伺服驅(qū)動及控制器等)和中央控制層。其中，中央控制層主要功能模塊的功能為：

(1)算法模塊為位姿調(diào)整相關(guān)的智能算法，支持進(jìn)行測量數(shù)據(jù)擬合、位姿坐標(biāo)變換、控制過程優(yōu)化等。

(2)仿真驗(yàn)證模塊支持進(jìn)行部件選配、運(yùn)動數(shù)據(jù)的仿真驗(yàn)證。

(3)對接運(yùn)動控制模塊實(shí)現(xiàn)X/Y/Z方向6個(gè)自由度及2個(gè)局部自由度的調(diào)整與控制。

(4)過程控制模塊控制對接裝配過程中物料運(yùn)輸、自動上料、對接安裝過程的啟停。

(5)故障報(bào)警模塊對對接安裝過程中的故障數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄與顯示，對于機(jī)械故障進(jìn)行及時(shí)報(bào)警及中斷操作，針對通訊故障進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性驗(yàn)證與校驗(yàn)，對于用戶交互數(shù)據(jù)錯(cuò)誤進(jìn)行及時(shí)提示。

圖7 智能對接設(shè)備控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.7 The control system structure of automatic docking device

4.5 安全防護(hù)策略

為保證操作過程人員與機(jī)器人手臂協(xié)同工作中的人員安全，操作過程嚴(yán)格控制人與運(yùn)動設(shè)備的位置區(qū)間。同時(shí)，為防止大型設(shè)備出現(xiàn)設(shè)備傾翻，安裝防傾翻電動插銷。

5 低壓渦輪單元體智能對接平臺設(shè)備展示

航空發(fā)動機(jī)低壓渦輪單元體智能對接平臺實(shí)物如圖8所示，采用某型發(fā)動機(jī)模擬件進(jìn)行相關(guān)測試工作。對接安裝過程中，由物料配送AGV小車獲取中央控制室的控制指令，搬運(yùn)低壓渦輪單元體至裝配工位，通過仿真獲得低壓渦輪單元體與風(fēng)扇核心機(jī)單元體的參數(shù)符合性，繼而啟動對接安裝生產(chǎn)指令，通過自動上料、智能對接、螺母擰緊等過程，完成對接安裝。

圖8 智能對接設(shè)備實(shí)物工作圖片F(xiàn)ig.8 The working picture of low pressure turbine automatic docking device

通過測算，采用人工裝配，現(xiàn)場裝配需要5個(gè)或以上操作工人，負(fù)責(zé)行車、搬運(yùn)、對接、擰緊等過程；使用智能化手段后，僅需配置2人即可完成工作任務(wù)，且操作工人勞動強(qiáng)度大大降低。工作時(shí)間上，傳統(tǒng)的人工操作需要約8 h工時(shí)，而智能對接方式約3 h工時(shí)即可，工作效率明顯提高。

6 結(jié)束語

采用智能對接技術(shù)可有效提高航空發(fā)動機(jī)對接裝配的精度和效率。本文設(shè)計(jì)的航空發(fā)動機(jī)低壓渦輪單元體大部件智能對接平臺，將為我國研制航空發(fā)動機(jī)批生產(chǎn)脈動生產(chǎn)線提供重要的技術(shù)儲備，同時(shí)這一研究也是快速研制生產(chǎn)和批生產(chǎn)航空發(fā)動機(jī)的必由之路。此外，要將該技術(shù)成功用于我國商用航空發(fā)動機(jī)批生產(chǎn)過程，還需要更進(jìn)一步納入整個(gè)企業(yè)的信息管理，如實(shí)現(xiàn)與車間生產(chǎn)管理系統(tǒng)的集成，并完善柔性化工裝工具，以便為后續(xù)建立柔性裝配生產(chǎn)線奠定基礎(chǔ)，從根本上提升我國航空發(fā)動機(jī)研制水平。