航空發動機三自由度裝配平臺結構設計

王志，劉清林，冉健，齊向陽，安喜平，陳宇

設計技術

航空發動機三自由度裝配平臺結構設計

王志，劉清林，冉健，齊向陽，安喜平，陳宇

（中國農業機械化科學研究院，北京100083）

三自由度航空發動機裝配平臺是一種固定式設備，裝配平臺由垂直升降、俯仰旋轉和軸心回轉三個主要裝置構成。其中可繞軸心線旋轉的軸線回轉裝置中包含裝卡裝置，該裝置采用C形環主體結構，C形環上安裝有用于與航空發動機連接的裝卡裝置，改變裝卡裝置可實現不同型號發動機的裝卡。垂直升降裝置依附于平臺機體，馱負全部運動質量沿垂直軌道上下移動。俯仰旋轉裝置介于垂直升降和軸心回轉裝置之間，實現自身轉動的同時，將二者連接在一起。通過三裝置的動作變化，可使其裝卡的對象保持多種裝配姿態。

三自由度；航空發動機；裝配平臺；結構設計

航空發動機是多元件組合的復雜裝配體，在完成其裝配的過程中，需要借助專用的工裝設備來輔助裝配人員完成作業。這類工裝設備主要用于實現航空發動機的支撐或懸掛，并可用于調整位置變化以方便工作人員裝配與檢測。工裝設備的設計與裝配工藝緊密結合，在各具特色的水平懸吊、裝配豎井、支撐平臺等不同的裝配工藝方法中，由于支撐平臺裝配方式簡繁隨意，使用得比較廣泛。支撐式裝配平臺一般固定于地面，利用其專有的裝卡連接、支撐航空發動機。各種單自由度裝配平臺結構簡單，但要求裝配人員更換工位、改變姿態來適應裝配需要，甚至需要更換不同的裝配平臺才能完成全部裝配任務。多自由度裝配平臺能夠實現多種動作，方便工人作業，但結構復雜。三自由度裝配平臺是性能價格比較高的多自由度裝配平臺，其適用性較強，除一些特別的工序外，在單臺裝配平臺上能完成航空發動機的各種裝配作業。航空發動機三自由度裝配平臺能夠解決諸如工件姿態調整困難、裝配過程效率低、人員操作不安全等現階段部分型號航空發動機裝配作業中存在的問題。該平臺的研制成功與應用，可以提高我國航空發動機裝配技術水平，也為研制高水平的航空發動機裝配工藝設備提供借鑒。

1 三自由度裝配平臺功能與結構

航空發動機三自由度裝配平臺通過自身機構的運動，實現發動機的垂直升降、俯仰旋轉和軸心旋轉的動作，并可在任意位置保持姿態。這使裝配人員不需再借助梯架等輔助工具改變高低位置，也不需要大幅度改變作業體態即可完成全部裝配作業。裝配平臺通過改變夾持裝置來提高其通用性，實現不同型號發動機的裝配。

1.1 總體結構與組成

航空發動機裝配平臺是一固定裝配設備，整個裝配平臺牢固固定于地面，保證裝載發動機與裝配作業過程中不會發生傾覆。裝配平臺在整體結構可看作是多個裝置的集成，主要有裝配平臺機體、裝卡裝置、垂直升降裝置、俯仰旋轉裝置和軸線旋轉裝置。每個裝置相對獨立，特別是垂直升降、俯仰旋轉和軸心旋轉三裝置中各自機構的運動獨立，運動機構之間不產生運動干涉，其中某一裝置的機構動作時，其它兩裝置的機構能夠保持原來的姿態而不發生變化。

與航空發動機聯接的裝卡裝置必須與發動機匹配，為了適應航空發動機的裝卡位置的結構特點，裝卡裝置主體結構呈現圓形，裝卡點位置布置于圓周。為了使發動機裝卡方便、拆卸順利，外觀呈圓形主體構架開有口，整體呈C形，因此也稱該裝置為C形環，如圖1所示。帶有缺口的C形環結構一方面是方便發動機的裝與卸，另一方面能夠通過設計在C形環外側的齒實現嚙合，驅動該C形環連同裝卡的工件實現軸心回轉運動。該裝置既是裝卡承載裝置，也是軸心回轉裝置其中的組成部分。軸心回轉裝置布置在裝配平臺的最前端位置，通過俯仰旋轉裝置與垂直升降裝置連接。垂直升降裝置依附于固定在地面上的機架，沿機架導軌實現垂直升降，從而來實現裝卡在軸心回轉裝置上的工件垂直動作。俯仰旋轉裝置布置在軸心回轉裝置與垂直升降裝置之間起過渡連接作用，其回轉驅動采用對稱布置的雙驅動結構。

圖1 三自由度航空發動機裝配平臺

1.2 驅動與傳動

航空發動機裝配平臺中包含三種運動，即垂直升降、俯仰旋轉和軸心回轉。為了實現相應的動作，必須配備動力裝置來驅動每一運動機構。對于含有多運動裝置的設備而言，可以采用一套動力裝置利用分流傳動，實現每一機構的驅動，也可以每一機構獨立采用自己的驅動裝置。裝配平臺三運動機構的運動相對獨立，采用獨立驅動方式較為簡單。同時由于其用于裝配或試驗車間，采用交流電驅動最為方便，因此采用交流電機為動力裝置獨立驅動。為了方便控制與使用，驅動電機均采用交流伺服電機。

由于每一運動都有獨立的電機驅動，所以傳動也各自獨立。傳動的方式基本都采取電機帶動各自得減速器，再由減速器輸出端采用齒輪傳動或絲杠驅動實現最終驅動。其中俯仰旋轉和軸心回轉采用齒輪嚙合傳動，垂直升降是將旋轉驅動轉化為直線驅動，因此采用絲杠驅動。為安全起見在傳動路線中都布置有制動器，在傳動軸的端部安裝失電制動器，正常工作時制動器處于非制動態，一旦出現斷電等非正常作業情況，制動器實施制動鎖止機構運動。為了增強裝配平臺在使用過程中的安全性，還設計安裝位置傳感器、行程開關、機械限位裝置等。

2 垂直升降裝置

垂直升降裝置在整個裝配平臺中起著十分重要的作用，可簡單分解為固定部分、運動部分與驅動部分，固定部分為機架、運動部分為滑動連接部件。工作時其利用安裝在機架上的電機帶動絲杠旋轉，驅動滑動連接部件沿機架上的直線軌道運動。滑動連接部件與俯仰旋轉裝置連接，從而帶動裝配平臺上的全部運動裝置與所裝卡的工件一起升降。

2.1 機架與升降裝置

垂直升降裝置的機架也是整個裝配平臺的機架，機架由底座與豎直立柱構成，如圖2所示。底座采用六塊鋼板焊接而成，鋼板圍成的中空空間用來安裝驅動電機和減速器。在底座底板四個角上焊接有四個用來調平底座的帶有楔形槽的鋼板，調平后的底座采用四個地腳螺栓固定在地基上。底座上前后兩塊鋼板中間分別開有方孔，通過該方孔可將驅動電機和減速器安裝到內部，也可用作設備維護時的檢修孔。

圖2 機架與升降裝置

升降裝置采用直線導軌-滑塊-滾珠絲杠-電機結合的布置方式，升降裝置的主體立柱為焊接結構，通過螺紋與底座連接固定。立柱兩側的側板上對稱布置有用于安裝直線導軌的凹槽，直線導軌安裝在其上。滑動連接塊是升降立柱中的運動件，在整個垂直升降機構中起著承載連接的作用。滾珠絲杠布置在立柱的中間，通過電機帶動絲杠轉動來驅動滑動連接塊上的螺母座，帶動滑動連接塊移動。控制絲杠旋轉，調節滑動連接塊的升降。

2.2 垂直升降傳動設計

垂直升降裝置的運動采用伺服電機驅動，伺服電機輸出旋轉運動通過減速器減速后驅動滾珠絲杠旋轉，絲杠旋轉運動通過絲杠—螺母運動副的變換，使滑動連接塊轉變為在豎直方向上的直線運動，以此來實現垂直升降動作。升降裝置的驅動部分由伺服電機、行星減速機、聯軸器、滾珠絲杠等構成，驅動電機安裝在機體的底座上，行星減速器緊聯在其上側。減速器的輸出軸通過聯軸器與滾珠絲杠的下端連接，絲杠通過滑動連接塊上的螺母座直接到達機架的頂端。絲杠軸的上端與固定在機架頂端的制動連接，該制動器用于鎖止絲杠運動。

滾珠絲杠副具有不能自鎖的特點，特別是垂直安裝的絲杠，當運動停止后，螺母座將在重力的作用下下滑，故常需要設置制動裝置。該制動器為失電制動器，當裝置通電動作的同時制動器得電解除制動，斷電停止動作時制動器失電制動。絲杠既是傳動元件，又是垂直載荷的承載元件，為此在絲杠的下端與機架底座之間連接有推力軸承，有推力軸承將載荷傳遞到底座上。

3 俯仰旋轉裝置

俯仰旋轉裝置能夠實現所夾持工件由水平姿態到豎直姿態各個旋轉位置的保持，以滿足航空發動機的部、組件在裝配過程中對裝配姿態的要求。

3.1 俯仰旋轉裝置結構

俯仰旋轉裝置的回轉由回轉支承的內外圈相對轉動而實現，回轉支承內圈通過螺栓與連接面板相連，外圈與連接支座連接，從而實現回轉支承在連接面板上的固定且不影響其轉動，如圖3所示。連接面板為俯仰旋轉機構的基礎，起著與垂直升降裝置連接的作用，直接連接在垂直升降裝置中的滑動連接塊上。俯仰旋轉裝置除要實現裝置本身旋轉功能，而且擔負前后裝置的連接作用，其中連接支座用于連接軸心回轉裝置。

連接面板作為俯仰旋轉裝置的載體，還要安裝用于旋轉驅動的相關裝置。連接面板可以看作是帶有兩只“耳朵”的圓形板，兩只“耳朵”對稱布置于回轉中心的左右兩側，用于安裝兩個動力驅動單元。雙驅動結構一方面是保證整個裝置的重心在回轉支承的中心位置，另一方面保證了裝配過程中的安全可靠。出于位置與限制與安全考慮，俯仰旋轉機構的運動不作整周旋轉。連接面板上設計有對稱安裝的限位擋塊，與安裝在軸線回轉裝置上的限位擋塊相互作用，確保回轉支承旋轉一定角度之后不再旋轉。

3.2 俯仰旋轉傳動

俯仰旋轉驅動采用齒輪嚙合傳動方式，而且采用對稱布置的兩個齒輪共同驅動一個中心大齒輪的方式。如圖4所示，兩個驅動單元組成形式相同，均由電機、行星減速機、聯軸器、小齒輪構成。電機水平放置，輸出軸直接連接減速器，減速器的輸出端安裝驅動小齒輪，軸端還連接有制動器。驅動單元整體從連接面板連接到其上，小齒輪透過耳孔到連接面板的前側與大齒輪嚙合。對稱布置兩側的兩個動力驅動單元的驅動小齒輪同時旋轉，繼而帶動回轉支承回轉來實現向左或向右旋轉。

圖4 俯仰旋轉傳動結構示意圖

俯仰旋轉機構也會在重力矩作用下繼續旋轉，繼而帶動與驅動齒輪旋轉。這樣不僅使得裝配作業及其不安全，也可能會對伺服電機造成損壞。基于同樣的原因，每個驅動小齒輪軸的軸端安裝了失電制動器。兩個動力驅動單元既可以同時工作，也可以獨立作業，當一個驅動單元突發故障不能使用，另一個還可以繼續工作。

由于齒輪的嚙合傳動采用的是開式傳動，為了防止嚙合的齒輪對裝配作業的工人產生傷害，防止扳手等異物掉落損傷機構等不安全情況的發生，在回轉支承以及驅動齒輪的外圍均設計加裝有齒輪護罩。

4 軸心回轉裝置

軸心回轉裝置既擔負安全有效裝卡航空發動機的任務，又要使所裝卡的對象實現繞軸心線旋轉的功能，該裝置是將上述兩功能集成為一體的裝置。

4.1 軸心回轉裝置

軸心回轉裝置以C形環為主體結構，工件裝卡在C形環上，通過C形環的旋轉實現工件繞軸心線回轉的功能。軸心回轉裝置主要分為兩個部分，一部分是圖5所示的與俯仰旋轉固定連接的C形環支座，另一部分是C形環部分。C形環支座的連接面板與俯仰旋轉裝置的回轉支承外圈連接，這樣便使整個軸心回轉裝置能夠隨著俯仰旋轉機構的轉動而轉動。C形環支座上的兩側板之間連接過渡連接塊，過渡連接塊兩側安裝有弧形導軌。C形環與弧形導軌配合并在其上滑動，為防止C形環因重力等作用從弧形導軌滑出脫落，支座兩端安裝有限位擋塊。

圖5 軸心回轉支座與傳動

軸心回轉驅動裝置水平安裝在C形環支座上，驅動裝置的構成形式與俯仰旋轉驅動單元的驅動裝置相同，只是元件能力、型號不同。驅動小齒輪透過C形環支座的側板，在兩側板之間與C形環外背上的齒嚙合，實現C形環驅動。C形環外背側齒末端安裝有兩個限位擋塊，與安裝在C形環支座立板中間的兩個限位擋塊作用，來防止C形環因旋轉過度而滑出情況的發生，確保裝配作業過程中的安全。

4.2 夾持裝置與裝卡

C形環不但要完成繞軸心線的轉動功能，還是承載與連接的主體。整個C形環由鋼板焊接而成，內部中空且焊接有筋板，以此來保證C型環結構強度和剛度。根據所要裝卡的航空發動機的支撐部位與連接界面，再在C形環主體的側面安裝三個夾持裝置，共同組成裝卡裝置。夾持裝置與C形環主體部分采用螺栓連接，通過互換夾持裝置實現不同型號發動機的夾持固定，提高裝配平臺的通用化程度。

如圖6所示，夾持裝置布置在在C形環主體的一側，通過銷軸或支架與發動機對應位置上的安裝節相連接。每一夾持裝置的位置與連接方式均要同所裝卡的航空發動機機匣上的接口匹配。夾持裝置裝卡點的軸向位置固定，即每一接觸點到C形環側連接面的距離為定值，接觸點的徑向位置需要變化，方便與航空發動機的連接。裝卡時首先使發動機進入C形環，軸向調整位置使發動機機匣上的連接位置，與C形環上夾持裝置的夾持銷軸或支架對正，分別調整每一夾持裝置與發動機的連接部位接觸，夾緊并鎖止。

圖6 C形環及夾持裝置

5 結束語

航空發動機三自由度裝配平臺用于航空發動機裝配過程的工裝設備，在航空發動機裝配過程中，可實現垂直升降、俯仰旋轉、軸心回轉等特定動作，滿足航空發動機在裝配過程中對于姿態調整的各項要求，能夠使得航空發動機姿態調整和裝配操作過程更安全、高效。裝配平臺通過改變裝卡裝置可實現不同型號發動機的通用，用于多種型號航空發動機的主單元體及整機裝配。

[1]黃松，王志.基于Solidworks的多自由度航空發動機裝配平臺設計與分析[J].航空制造技術，2015（S1）：84-86.

[2]周爍，孫凱.大型商用航空發動機整機裝配廠房起重設備配置方案[J].起重運輸機械，2013（12）：12-16.

[3]朱濤，莫蓉.航空發動機裝配工藝執行系統關鍵技術研究[J].制造業自動化，2009，31（3）：24-28.

[4]《航空制造工程手冊-發動機裝配與試車》總編委會.航空制造工程手冊[M].北京：航空工業出版社，1995.

Structure Design of Three Degree-of－freedom Assembly Devicefor Aero-engine

WANG Zhi，LIU Qing-lin，RAN Jian，QI Xiang-yang，AN Xi-ping，CHEN Yu
（Chinese Academy of Agricultural Mechanization Sciences，Beijing 100083，China）

The three degree of freedom aero-engine assembly platform is a kind of fixed equipment.The assembly platform consists of three main components，vertical lifting，pitching rotating and pivot rotating.The axis rotary device can rotate around the axis line which includes clamping device，the device adopts C ring main structure,C ring is installed on the device for aero engine and connected clamping，clamping device can realize the change of different types of engine mount.The vertical lifting device is attached to the platform body，and all the moving mass moves up and down the vertical track.The pitching and rotating device is between the vertical lifting and the pivot rotating device，and the two are connected together while realizing the rotation of the device.Through the movement of the three device，the object holding the card can maintain a plurality of assembly postures.

3-DOF；aero-engine；assembly device；structuredesign

V263.2

A

1672-545X（2017）07-0001-04

2017-04-21

王志（1963－），男，遼寧蓋縣人，博士生導師，研究員，研究方向：機械設計與理論。