飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字化對(duì)接安裝工藝研究

劉旋

摘 要： 研究數(shù)字化對(duì)接安裝工藝在飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)制造中的應(yīng)用。首先，描述了傳統(tǒng)安裝工藝，突出其繁瑣和高人力成本。接著探討數(shù)字化工藝的優(yōu)勢(shì)，包括提高效率、降低成本和提高精確度。詳細(xì)介紹激光跟蹤測(cè)量系統(tǒng)、脈動(dòng)生產(chǎn)線集成管理系統(tǒng)和發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字化安裝平臺(tái)的作用。然后，討論了數(shù)字化對(duì)接可能遇到的問題，以及規(guī)劃設(shè)計(jì)的關(guān)鍵要點(diǎn)。總結(jié)了數(shù)字化對(duì)接的優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用，并展望了未來的發(fā)展方向，著重強(qiáng)調(diào)了技術(shù)創(chuàng)新和可持續(xù)性的推動(dòng)作用。

關(guān)鍵詞： 數(shù)字化對(duì)接 飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)裝配 工藝優(yōu)化 安裝

中圖分類號(hào)： TP393文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A文章編號(hào)： 1679-3567（2024）06-0019-03

Research on the Digital Docking and Installation Technology of Aircraft Engines

LIU Xuan

Tool Manufacturing Plant， AVIC Shenyang Liming Aero-Engine Co.， Ltd.， Shenyang， Liaoning Province， 110043 China

Abstract： This paper studies the application of the digital docking and installation technology in aircraft engine manufacturing. Firstly， it describes the traditional installation technology， highlighting its complexity and high labor costs. Next， it explores the advantages of the digital technology， including improving efficiency， reducing costs and improving accuracy， and provides a detailed introduction to the functions of the laser tracker system， the integrated management system of pulsating production lines and the digital installation platform of engines. Then， it discusses the possible problems encountered by digital docking and the key points of planning and design. Finally， it summa‐rizes the advantages and applications of digital docking， and looks forward to its future development direction， em‐phasizing the driving role of technological innovation and sustainability.

Key Words： Digital docking； Aircraft engine assembly； Process optimization； Installation

引擎發(fā)動(dòng)機(jī)的對(duì)接安裝是飛機(jī)總裝工序中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，對(duì)安裝質(zhì)量和最終的飛機(jī)性能和運(yùn)行安全產(chǎn)生直接影響。盡管我國已經(jīng)取得了在飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域的重要成就，成為全球僅有5個(gè)獨(dú)立研發(fā)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的國家之一，但在發(fā)動(dòng)機(jī)安裝技術(shù)方面，仍然面臨一定的挑戰(zhàn)[1]。傳統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)安裝工藝依賴于人工經(jīng)驗(yàn)和目視校準(zhǔn)，操作繁瑣，安裝難度較大，容易出現(xiàn)位置偏差和重復(fù)性問題，從而導(dǎo)致安裝效率低下和人工成本上升。為了提高飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)裝配工作的效率和質(zhì)量，數(shù)字化對(duì)接安裝工藝應(yīng)運(yùn)而生。這一新興技術(shù)利用激光測(cè)量系統(tǒng)、集成管理系統(tǒng)和數(shù)字化安裝平臺(tái)等組成部分，通過自動(dòng)化和精準(zhǔn)的方式來調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)的位置和姿態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的精確裝配。

1 飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字化對(duì)接安裝工藝的優(yōu)勢(shì)

1.1 傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)安裝工藝

第一步，安裝人員需要將專用對(duì)接車推行至飛機(jī)尾部，以便將發(fā)動(dòng)機(jī)安裝到機(jī)身上。這一步需要憑借工作經(jīng)驗(yàn)和目測(cè)將對(duì)接車與飛機(jī)軸線調(diào)整至同一水平高度。第二步，安裝人員要使用手搖把手，進(jìn)一步將對(duì)接車升至適宜的高度，以便與飛機(jī)對(duì)接。專用起吊設(shè)備被用來將發(fā)動(dòng)機(jī)安裝到對(duì)接車上[2]，這涉及人工操作，將發(fā)動(dòng)機(jī)從地面起吊并固定在對(duì)接車上。安裝人員必須使用人工力量將固定在對(duì)接車上的發(fā)動(dòng)機(jī)向前推進(jìn)，直至發(fā)動(dòng)機(jī)上方掛點(diǎn)與飛機(jī)的安裝軌道相吻合。如果對(duì)接不準(zhǔn)確，需要重新進(jìn)行第一步和第二步的位置校準(zhǔn)。第三步，安裝人員會(huì)手動(dòng)推動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)緩慢地進(jìn)入飛機(jī)的軌道艙內(nèi)。這一步需要不斷地調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)的位置，以確保其順利安裝。第四步，一旦發(fā)動(dòng)機(jī)安裝在位，安裝人員需要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的所有安裝點(diǎn)進(jìn)行人工固定，以確保牢固地連接到飛機(jī)結(jié)構(gòu)上。第五步，將對(duì)接車從已安裝的發(fā)動(dòng)機(jī)下方撤除，以完成安裝過程。

傳統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)安裝工藝存在著一系列問題，包括人工操作復(fù)雜、繁瑣，對(duì)工人的要求高，容易出現(xiàn)人為誤差，安裝時(shí)間長，安裝精度難以保證。因此，數(shù)字化對(duì)接安裝工藝的出現(xiàn)為這些問題提供了解決方案，通過激光測(cè)量和自動(dòng)化控制來提高安裝精度和效率。

1.2 數(shù)字化對(duì)接安裝工藝的優(yōu)勢(shì)

數(shù)字化對(duì)接安裝工藝相對(duì)于傳統(tǒng)工藝具有明顯的優(yōu)勢(shì)，它通過采用現(xiàn)代技術(shù)和自動(dòng)化手段，顯著提高了裝配效率和精確度，同時(shí)降低了人力成本[3]。

數(shù)字化工藝采用激光測(cè)量系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)高精度的實(shí)時(shí)測(cè)量。這消除了傳統(tǒng)方法中人工校準(zhǔn)和調(diào)整的需要，節(jié)省了大量時(shí)間。安裝人員不再需要依賴經(jīng)驗(yàn)，而是依賴精確的測(cè)量數(shù)據(jù)，從而提高了裝配精確度。數(shù)字化工藝中的機(jī)械裝置是由系統(tǒng)控制的，能夠自動(dòng)進(jìn)行位置調(diào)整和發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)。激光測(cè)量系統(tǒng)可以提供高精度的位置和角度測(cè)量數(shù)據(jù)，確保發(fā)動(dòng)機(jī)的精確安裝。

2 飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字化對(duì)接安裝工藝的具體組成部分

2.1 激光跟蹤測(cè)量系統(tǒng)

激光跟蹤測(cè)量系統(tǒng)是數(shù)字化對(duì)接安裝工藝的關(guān)鍵組成部分。其工作原理基于激光測(cè)量技術(shù)，通過精確的光學(xué)測(cè)量來實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)對(duì)象的位置和姿態(tài)測(cè)量。系統(tǒng)主要由激光跟蹤儀（如T-Cam或T-Probe）、聯(lián)合控制器、定位器和反應(yīng)器等設(shè)備構(gòu)成[4]。

激光跟蹤測(cè)量系統(tǒng)的核心任務(wù)是測(cè)量目標(biāo)對(duì)象的位置和姿態(tài)，這通常以三維坐標(biāo)變換和角度測(cè)量的方式實(shí)現(xiàn)。假設(shè)目標(biāo)對(duì)象在全局坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為（X，Y，Z），而系統(tǒng)測(cè)量得到的坐標(biāo)為（X，Y，Z），同時(shí)提供的角度測(cè)量為（α，β，γ）。下面是相關(guān)的數(shù)學(xué)公式：

這些公式描述了在全局坐標(biāo)系中目標(biāo)對(duì)象的位置與系統(tǒng)測(cè)量得到的位置之間的差異，其中ΔX、ΔY和ΔZ分別表示系統(tǒng)測(cè)量的坐標(biāo)偏差。

角度測(cè)量通常以歐拉角形式給出，分別表示繞X、Y和Z軸的旋轉(zhuǎn)角度。為了將角度測(cè)量應(yīng)用于坐標(biāo)變換，需要構(gòu)建旋轉(zhuǎn)矩陣R，其中Rz（γ）、Ry（β）和Rx（α）分別是繞Z、Y和X軸的旋轉(zhuǎn)矩陣。

這些公式說明了激光跟蹤測(cè)量系統(tǒng)如何測(cè)量目標(biāo)對(duì)象的位置和姿態(tài)，并將全局坐標(biāo)映射到測(cè)量坐標(biāo)系中。實(shí)際的測(cè)量系統(tǒng)通常會(huì)采用更復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型來處理誤差校正、坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換等問題，但上述公式提供了一個(gè)基本的理解。這些測(cè)量數(shù)據(jù)將被傳輸?shù)郊晒芾硐到y(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)位置和姿態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和調(diào)整，從而確保裝配過程的高精度和可重復(fù)性。如果測(cè)量受到干擾或偏差過大，激光系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)發(fā)出警報(bào)，通知安裝人員進(jìn)行必要的人工干預(yù)，以確保裝配質(zhì)量。

2.2 脈動(dòng)生產(chǎn)線集成管理系統(tǒng)

集成管理系統(tǒng)的主要職責(zé)是監(jiān)督和協(xié)調(diào)數(shù)字化對(duì)接安裝工藝中的各個(gè)子系統(tǒng)，包括激光跟蹤測(cè)量系統(tǒng)、站位控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫等[5]。確保這些子系統(tǒng)協(xié)同工作，以保證飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的安裝和調(diào)整工作高效、順利進(jìn)行。集成管理系統(tǒng)接收來自激光跟蹤測(cè)量系統(tǒng)的實(shí)時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)，然后利用事先設(shè)定的安裝標(biāo)準(zhǔn)對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。這包括飛機(jī)上的發(fā)動(dòng)機(jī)導(dǎo)軌的位置和姿態(tài)。系統(tǒng)通過分析數(shù)據(jù)可以判斷當(dāng)前發(fā)動(dòng)機(jī)的位置是否符合要求。如果發(fā)動(dòng)機(jī)的位置不符合要求，集成管理系統(tǒng)將下達(dá)指令，以調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)的位置和方向。它會(huì)操控對(duì)接安裝平臺(tái)上的機(jī)械調(diào)資裝置，確保發(fā)動(dòng)機(jī)滿足對(duì)接安裝的要求。集成管理系統(tǒng)提供了一個(gè)人機(jī)交互界面，讓操作人員能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，接收來自系統(tǒng)的異常情況報(bào)告和警報(bào)信息。這使操作人員可以在需要時(shí)介入一定的人工控制行為。

2.3 發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字化安裝平臺(tái)

數(shù)字化裝配平臺(tái)是飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字化對(duì)接安裝工藝的關(guān)鍵組成部分，其機(jī)械結(jié)構(gòu)和自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有高度復(fù)雜性。以下公式用于更詳細(xì)地描述數(shù)字化裝配平臺(tái)的工作原理。

3 飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字化對(duì)接安裝工藝的難點(diǎn)與規(guī)劃設(shè)計(jì)

3.1 工藝難點(diǎn)

安裝調(diào)姿通常需要高精度和多軸位的定位，以確保發(fā)動(dòng)機(jī)與飛機(jī)結(jié)構(gòu)的精確對(duì)接。這可能涉及到微小的調(diào)整和多次嘗試，因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)的尺寸和形狀有時(shí)會(huì)與設(shè)計(jì)規(guī)范略有不同。數(shù)字化對(duì)接工藝需要應(yīng)對(duì)這種精確性要求，確保發(fā)動(dòng)機(jī)在裝配時(shí)能夠精準(zhǔn)地調(diào)整到指定位置和姿態(tài)。飛機(jī)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和多樣性可能導(dǎo)致對(duì)接安裝的挑戰(zhàn)。這包括遇到非常規(guī)的機(jī)身曲線、安裝區(qū)域的限制和飛機(jī)結(jié)構(gòu)的變化。數(shù)字化對(duì)接工藝需要具備足夠的適應(yīng)性和靈活性，以應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，確保對(duì)接安裝過程可以平穩(wěn)進(jìn)行。

3.2 規(guī)劃設(shè)計(jì)

采用模塊化設(shè)計(jì)方法，將整個(gè)安裝過程分解為可獨(dú)立完成的模塊。這些模塊可以包括發(fā)動(dòng)機(jī)安裝、調(diào)整、校準(zhǔn)、測(cè)試等。模塊化設(shè)計(jì)有助于優(yōu)化資源分配、提高并行性，以及更容易管理和維護(hù)。設(shè)計(jì)工藝時(shí)，應(yīng)強(qiáng)調(diào)靈活性，以適應(yīng)不同飛機(jī)型號(hào)和配置的裝配要求。這包括可調(diào)整的夾具和支撐結(jié)構(gòu)，使其能夠容納各種發(fā)動(dòng)機(jī)尺寸和形狀，以及適應(yīng)各種機(jī)身曲率和配置。利用大數(shù)據(jù)和分析技術(shù)，將數(shù)字化對(duì)接安裝工藝與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)集成。這樣，工作人員可以獲得有關(guān)發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)、飛機(jī)結(jié)構(gòu)、精確位置和姿態(tài)的信息，以做出準(zhǔn)確的決策。這有助于優(yōu)化工藝、提高效率和減少錯(cuò)誤。利用自動(dòng)化技術(shù)，如機(jī)器人和自動(dòng)控制系統(tǒng)，執(zhí)行重復(fù)性和高精度的任務(wù)，如發(fā)動(dòng)機(jī)安裝和校準(zhǔn)。機(jī)器學(xué)習(xí)算法可以用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和優(yōu)化裝配過程，從而提高效率。

4 總結(jié)與展望

4.1 總結(jié)

數(shù)字化對(duì)接安裝工藝在航空制造中帶來了顯著的優(yōu)勢(shì)和廣泛的應(yīng)用。通過數(shù)字化技術(shù)、自動(dòng)化裝配和智能系統(tǒng)的引入，制造商能夠提高裝配效率、精確性和可重復(fù)性。這不僅有助于減少人力成本，還改進(jìn)了飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的裝配質(zhì)量。數(shù)字化對(duì)接安裝工藝還強(qiáng)調(diào)了數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)決策，使實(shí)時(shí)信息的分析和利用成為可能，從而減少錯(cuò)誤和提高生產(chǎn)線的透明度。更進(jìn)一步，數(shù)字化對(duì)接安裝工藝通過模塊化設(shè)計(jì)和靈活裝配，使制造商能夠更好地適應(yīng)不同飛機(jī)配置和需求，增強(qiáng)了產(chǎn)業(yè)的靈活性和適應(yīng)性。此外，機(jī)器學(xué)習(xí)和自動(dòng)化的整合為飛機(jī)裝配提供了新的機(jī)會(huì)，從而提高了效率和質(zhì)量。

4.2 未來展望

未來，數(shù)字技術(shù)在飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)裝配領(lǐng)域?qū)l(fā)揮關(guān)鍵作用。首先，預(yù)計(jì)更多智能化、自動(dòng)化和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)將被廣泛采用，以提高裝配效率和精確度。例如：自動(dòng)化調(diào)整工具的進(jìn)一步發(fā)展將減少調(diào)整時(shí)間，智能機(jī)器人將能夠執(zhí)行更復(fù)雜的任務(wù)，提高生產(chǎn)線的自動(dòng)化程度。數(shù)據(jù)分析和預(yù)測(cè)能力將不斷提高，有助于更好的資源規(guī)劃和故障預(yù)測(cè)。數(shù)字雙胞胎技術(shù)的成熟將允許虛擬裝配和測(cè)試，從而在實(shí)際生產(chǎn)之前進(jìn)行更多驗(yàn)證，降低了錯(cuò)誤成本。數(shù)字化裝配還將有助于可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，如減少廢物和資源浪費(fèi)。通過更好的過程優(yōu)化和數(shù)據(jù)分析，飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的制造將更加環(huán)保。數(shù)字技術(shù)的持續(xù)發(fā)展將在飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)裝配領(lǐng)域帶來更多創(chuàng)新，提高效率、質(zhì)量和可持續(xù)性，推動(dòng)未來的航空制造進(jìn)一步發(fā)展。

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