直升機(jī)升力系統(tǒng)自動(dòng)化裝配工藝設(shè)計(jì)及驗(yàn)證

胡文騏 周方云

（江西昌河航空工業(yè)有限公司，江西 景德鎮(zhèn) 333001）

升力系統(tǒng)是直升機(jī)的核心部件，用于改變傳動(dòng)方向、傳遞發(fā)動(dòng)機(jī)功率、產(chǎn)生升力，系統(tǒng)主要包括減速器、自動(dòng)傾斜器、槳轂、及旋翼，其中主槳轂和自動(dòng)傾斜器安裝在主減速器上，主旋翼安裝在主槳轂上。通常直升機(jī)自動(dòng)傾斜器與主減速器通過球鉸與主減速器精加工配合面套合的方式連接，而主槳轂與主減速器通過精密齒型花鍵進(jìn)行連接，裝配精度要求較高。

目前升力系統(tǒng)關(guān)鍵部件地面組立通過吊車手工完成裝配，由于部件重量過大，吊裝過程中難以精確、有效控制部件的運(yùn)動(dòng)，且吊裝設(shè)備精度低，需大量的人工操作，嚴(yán)重影響直升機(jī)的裝配效率與質(zhì)量。隨著我國大噸位直升機(jī)的研發(fā)，單純依靠吊裝方式進(jìn)行地面裝配的弊端會(huì)更加突顯。亟需開展升力系統(tǒng)關(guān)鍵部件自動(dòng)化檢測及精密裝配技術(shù)研究，開展相關(guān)驗(yàn)證的工藝設(shè)計(jì)及驗(yàn)證，以此提高裝配效率、精度和質(zhì)量，提升我國直升機(jī)裝配的技術(shù)水平與能力。

1 研究背景

1.1 現(xiàn)狀

目前直升機(jī)升力系統(tǒng)地面組立裝配過程為主減速器固定，通過吊車手工完成自動(dòng)傾斜器和主槳轂的吊裝和裝配，由于部件重量過大，吊裝過程中難以精確、有效控制部件的運(yùn)動(dòng)，且吊裝設(shè)備精度低，需大量的人工操作，裝配過程中易出現(xiàn)碰撞導(dǎo)致的部件損傷，嚴(yán)重影響直升機(jī)的裝配效率與質(zhì)量。隨著我國大噸位直升機(jī)的研發(fā)，自動(dòng)傾斜器、主槳轂的尺寸與重量均會(huì)大幅度增加，單純依靠吊裝方式進(jìn)行地面裝配的弊端會(huì)更加突顯，升力系統(tǒng)組成及吊裝安裝現(xiàn)狀如圖1 所示。

圖1 升力系統(tǒng)組成及吊裝安裝現(xiàn)狀

1.2 問題分析

由于現(xiàn)有的直升機(jī)升力系統(tǒng)裝配方式為使用吊車進(jìn)行手工裝配，在以往的生產(chǎn)中多次暴露問題，經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析，相關(guān)問題可分為以下三類：

1.2.1 裝配易損傷

主槳轂吊裝運(yùn)動(dòng)精度差，容易發(fā)生碰撞，造成零件損傷。裝配主槳轂時(shí)采用簡易吊帶與吊車連接，吊車精度低，裝配過程中難以精確、有效控制主槳轂的運(yùn)動(dòng)；同時(shí)不具備旋轉(zhuǎn)功能，特別是在花鍵齒的寬齒配合時(shí)，需要旋轉(zhuǎn)主槳轂對(duì)準(zhǔn)齒槽，依靠人工控制，力度難以均勻把握，齒輪和齒槽極易發(fā)生碰撞，造成零件損壞。

1.2.2 裝配周期長

裝配過程無在線測量手段，只能通過人工觀察進(jìn)行，多次調(diào)整，裝配效率低。主槳轂和自動(dòng)傾斜器與主減速器裝配過程中，主槳轂和自動(dòng)傾斜器的位姿全部通過工人的觀察來判讀，無測量手段保證，只能通過反復(fù)試裝的方式完成裝配，裝配效率低，周期長。

1.2.3 裝配精度低

主槳轂與主減速器精密齒型花鍵配合精度達(dá)到0.1mm，自動(dòng)傾斜器與主減速器的孔軸配合精度達(dá)到0.2mm，均是直升機(jī)裝配的關(guān)鍵工序。裝配過程無數(shù)字化線測量手段，裝配精度低。升力系統(tǒng)關(guān)鍵部件裝配過程中，全部依靠人工觀察的方法進(jìn)行裝配，裝配精度低。裝配過程中只關(guān)注配合區(qū)的情況，不考慮關(guān)鍵部件的整體姿態(tài)，裝配精度同樣比較低。

1.3 研究目標(biāo)

針對(duì)直升機(jī)升力系統(tǒng)關(guān)鍵部件裝配易損傷、生產(chǎn)周期長、精度低等問題，建立全新的自動(dòng)傾斜器與主減速器、主槳榖與主減速器的地面組立裝配工藝流程，研制一套通用的自動(dòng)化裝配系統(tǒng)，針對(duì)中型、大型直升機(jī)設(shè)計(jì)制造模擬試驗(yàn)件進(jìn)行應(yīng)用驗(yàn)證，形成直升機(jī)升力系統(tǒng)關(guān)鍵部件自動(dòng)化裝配工藝規(guī)范，實(shí)現(xiàn)直升機(jī)升力系統(tǒng)的高效率、高精度、高可靠性裝配。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 直升機(jī)升力系統(tǒng)關(guān)鍵部件自動(dòng)化裝配方案設(shè)計(jì)研究

將直升機(jī)升力系統(tǒng)關(guān)鍵部件裝配方案規(guī)劃工作，圍繞夾持、測量、調(diào)整共三個(gè)維度開展。梳理、分析并研究公司現(xiàn)有裝配方案在三個(gè)維度中各項(xiàng)技術(shù)的運(yùn)用情況；分析直升機(jī)升力系統(tǒng)關(guān)鍵部件自動(dòng)化裝配方案在三個(gè)維度中各項(xiàng)技術(shù)的需求；對(duì)比研究現(xiàn)有裝配方案和自動(dòng)化裝配方案需求間的矛盾，圍繞三個(gè)維度開展裝配方案重新規(guī)劃工作：

通過對(duì)不同機(jī)型升力系統(tǒng)關(guān)鍵部件的區(qū)別分析，結(jié)合自動(dòng)化裝配設(shè)備的特點(diǎn)，研究關(guān)鍵部件快速上架技術(shù)規(guī)劃；通過關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)分析及測量要求，研究數(shù)字化測量技術(shù)規(guī)劃；通過升力系統(tǒng)關(guān)鍵部件配合方式與自動(dòng)化裝配設(shè)備的特點(diǎn)分析，研究關(guān)鍵部件自動(dòng)精確調(diào)姿技術(shù)規(guī)劃，最終建立一套全新的裝配方案。

2.2 面向自動(dòng)化裝配的工藝設(shè)計(jì)及優(yōu)化研究

基于全新設(shè)計(jì)的裝配方案，從裝配基準(zhǔn)選擇、裝配定位方法、裝配協(xié)調(diào)方法、工藝模型建立、裝配工藝分離面劃分等方面實(shí)現(xiàn)對(duì)升力系統(tǒng)關(guān)鍵部件裝配工藝的重新最優(yōu)設(shè)計(jì)。通過分析公司現(xiàn)有裝配工藝技術(shù)現(xiàn)狀，研究自動(dòng)化裝配的工藝需求，通過數(shù)字化仿真模擬技術(shù)，對(duì)比研究現(xiàn)狀和需求，發(fā)現(xiàn)問題；針對(duì)發(fā)現(xiàn)的問題，運(yùn)用數(shù)字化仿真模擬技術(shù)，尋求最優(yōu)解決方案，最終應(yīng)用到裝配基準(zhǔn)選擇、裝配定位協(xié)調(diào)方法、工藝分離面的優(yōu)化改進(jìn)之中，最終形成解決升力系統(tǒng)關(guān)鍵部件裝配工藝問題的最優(yōu)工藝設(shè)計(jì)。具體技術(shù)方案如下：

通過結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析將關(guān)鍵部件劃分成主減速器、自動(dòng)傾斜器和主槳轂三大部件；結(jié)合自動(dòng)化裝配的需求，將關(guān)鍵部件進(jìn)行裝配模型簡化，在全機(jī)坐標(biāo)系下將簡化裝配模型、自動(dòng)化裝配設(shè)備模型、數(shù)字化測量模型、夾持工裝模型等與裝配信息結(jié)合形成自動(dòng)化裝配工藝模型；采用窮舉法得到可用的關(guān)鍵部件裝配基準(zhǔn)，再根據(jù)自動(dòng)化裝配和關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行分析，優(yōu)選出裝配基準(zhǔn)；根據(jù)關(guān)鍵部件裝配技術(shù)要求，將自動(dòng)化裝配設(shè)備和數(shù)字化測量技術(shù)應(yīng)用到裝配中，通過裝配流程仿真得到最優(yōu)的夾持定位方法、位置及數(shù)字化測量協(xié)調(diào)方法。

2.3 直升機(jī)升力系統(tǒng)關(guān)鍵部件自動(dòng)化裝配流程設(shè)計(jì)研究

充分運(yùn)用重新設(shè)計(jì)的升力系統(tǒng)關(guān)鍵部件裝配工藝，開展升力系統(tǒng)關(guān)鍵部件裝配流程的仿真，從上架流程、裝配流程等方面對(duì)升力系統(tǒng)關(guān)鍵部件現(xiàn)有裝配流程進(jìn)行再造。通過仿真公司現(xiàn)有裝配流程，同步研究其與自動(dòng)化裝配流程的技術(shù)差距，運(yùn)用數(shù)字化仿真驗(yàn)證技術(shù)，消除發(fā)現(xiàn)的技術(shù)差距。運(yùn)用數(shù)字化仿真驗(yàn)證優(yōu)化成果，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)有裝配流程再造，以滿足升力系統(tǒng)關(guān)鍵部件自動(dòng)化裝配的流程需要，固化相關(guān)技術(shù)成果。

3 應(yīng)用驗(yàn)證

根據(jù)自動(dòng)化裝配工藝設(shè)計(jì)和仿真的結(jié)果，結(jié)合關(guān)鍵部件自動(dòng)化裝配設(shè)備的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，首先依據(jù)對(duì)主減速器的定位技術(shù)要求，設(shè)計(jì)裝配過程中主減速器運(yùn)輸、入位及鎖死等上架流程；其次依據(jù)對(duì)主槳轂和自動(dòng)傾斜器的定位技術(shù)要求，設(shè)計(jì)裝配過程中主槳轂和自動(dòng)傾斜器輸、入位及鎖死等上架流程；最后依據(jù)關(guān)鍵部件的裝配技術(shù)要求，設(shè)計(jì)主槳轂和自動(dòng)傾斜器調(diào)姿、裝配及下架流程，本項(xiàng)目驗(yàn)證劃分為：準(zhǔn)備工作、產(chǎn)品上架、自動(dòng)傾斜器裝配、主槳轂裝配、人工作業(yè)、產(chǎn)品下架共6 個(gè)步驟開展，驗(yàn)證流程如圖2 所示。

圖2 驗(yàn)證流程圖

3.1 準(zhǔn)備工作

準(zhǔn)備工作分為系統(tǒng)準(zhǔn)備以及產(chǎn)品準(zhǔn)備。系統(tǒng)準(zhǔn)備工作首先需要給自動(dòng)化裝配系統(tǒng)進(jìn)行供電進(jìn)行開機(jī)自檢；其次完成測量場的建立及標(biāo)定，保證測量精度滿足驗(yàn)證工作需要；最后將主減速器平臺(tái)、主槳轂定位工裝、自動(dòng)傾斜器定位工裝分別吊裝入位。主減速器平臺(tái)、主槳轂定位工裝、自動(dòng)傾斜器定位工裝如圖3 所示。

圖3 主減速器平臺(tái)、主槳轂定位工裝、自動(dòng)傾斜器定位工裝

產(chǎn)品準(zhǔn)備工作首先將主減速器、主槳轂、自動(dòng)傾斜器的外包裝分別拆卸，最后將主減速器、主槳轂、自動(dòng)傾斜器分別安裝至主減速器平臺(tái)、主槳轂定位工裝、自動(dòng)傾斜器定位工裝上。主減速器準(zhǔn)備、主槳轂準(zhǔn)備、自動(dòng)傾斜器準(zhǔn)備如圖4 所示。

圖4 主減速器準(zhǔn)備、主槳轂準(zhǔn)備、自動(dòng)傾斜器準(zhǔn)備

3.2 產(chǎn)品上架

產(chǎn)品上架主要工作是將主減速器及其支撐模塊以及自動(dòng)傾斜器及其夾持工裝吊裝至裝配平臺(tái)上，為下一步自動(dòng)傾斜器裝配做準(zhǔn)備。產(chǎn)品上架示意如圖5 所示。

圖5 產(chǎn)品上架示意

3.3 自動(dòng)傾斜器裝配

自動(dòng)傾斜器裝配首先需要在主減速器主軸上安裝限位塊，操作系統(tǒng)裝配平臺(tái)移動(dòng)至自動(dòng)傾斜器夾持位置，裝配平臺(tái)上的并聯(lián)機(jī)構(gòu)抓取自動(dòng)傾斜器，裝配平臺(tái)移動(dòng)至主減速器上方的裝配位置，通過孔軸配合測量進(jìn)行路經(jīng)計(jì)算指導(dǎo)系統(tǒng)將自動(dòng)傾斜器姿態(tài)調(diào)整到位最終完成自動(dòng)傾斜器與主減速器的裝配，裝配完成后將自動(dòng)傾斜器上的夾持模塊拆卸并撤出裝配平臺(tái)，為下一步主槳轂裝配做準(zhǔn)備。并聯(lián)機(jī)構(gòu)、安裝夾持模塊的自動(dòng)傾斜器、自動(dòng)傾斜器裝配如圖6 所示。

圖6 并聯(lián)機(jī)構(gòu)、安裝夾持模塊的自動(dòng)傾斜器、自動(dòng)傾斜器裝配

3.4 主槳轂裝配

首先將主槳轂夾持模塊與定位模塊連接，主槳轂及其夾持工裝吊裝至裝配平臺(tái)，其次操作系統(tǒng)裝配平臺(tái)移動(dòng)至主槳轂夾持位置，裝配平臺(tái)上的并聯(lián)機(jī)構(gòu)抓取抓取主槳轂，裝配平臺(tái)移動(dòng)至主減速器上方的裝配位置，通過齒形配合測量進(jìn)行路經(jīng)計(jì)算指導(dǎo)系統(tǒng)將主槳轂姿態(tài)調(diào)整到位最終完成主槳轂同主減速器主軸的裝配，裝配完成后將主槳轂夾持模塊拆卸并撤出裝配平臺(tái)。安裝夾持模塊的主槳轂、主槳轂裝配如圖7 所示。

圖7 安裝夾持模塊的主槳轂、主槳轂裝配

3.5 人工作業(yè)及產(chǎn)品下架

通過以上4 個(gè)步驟，已經(jīng)將自動(dòng)傾斜儀和主槳轂同主減速器進(jìn)行裝配，還需要手工將變距拉桿組件等附件按要求進(jìn)行裝配，最終完成主減速器的地面組立，本次直升機(jī)升力系統(tǒng)自動(dòng)裝配工藝設(shè)計(jì)及驗(yàn)證工作結(jié)束。

結(jié)束語

通過本次直升機(jī)升力系統(tǒng)自動(dòng)化裝配技術(shù)研究與應(yīng)用工作，開展了大型直升機(jī)自動(dòng)傾斜器及主槳榖裝配工藝設(shè)計(jì)以及驗(yàn)證技術(shù)研究，通過自主創(chuàng)新、自主保證，突破核心關(guān)鍵技術(shù)，制造具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的工藝裝備替代進(jìn)口設(shè)備，并經(jīng)過工藝仿真及現(xiàn)場應(yīng)用驗(yàn)證，形成可用的工藝規(guī)范和工藝數(shù)據(jù)資源庫，支持、引領(lǐng)航空科技工業(yè)自主發(fā)展、持續(xù)發(fā)展及技術(shù)創(chuàng)新能力，推動(dòng)全行業(yè)工藝技術(shù)水平的整體躍升。