航空發動機低壓渦輪單元體智能對接技術研究

王 嶺

(中國航發商用航空發動機有限責任公司，上海 201108)

1 引言

航空發動機由數千或上萬的零件以及由這些零件組成的組件、部件、單元體和系統附件、成品件組成[1-2]。發動機總裝裝配是指將各主單元體及外部結構進行安裝形成整機的過程。作為發動機制造過程中最為重要的環節之一，其裝配技術水平和裝配質量直接影響發動機的工況特性，決定著發動機的可靠性、壽命及主要性能參數[3]。

目前，國內航空發動機總裝主要采用傳統裝配方法，圍繞固定站位，采用目視檢查-調整-目視檢查的方法進行對接安裝，由人工進行各單元體的位置和姿態調整，容易造成磕碰和卡滯，裝配質量不穩定，裝配效率低，與國際先進航空發動機裝配技術的差距巨大[4]。國外商用發動機廠商已針對總裝過程設計出脈動生產線，廣泛采用機器視覺、機器人等技術用于發動機對接裝配過程，實現提質增效的目標。法國斯奈克瑪于2011年建成了CFM56發動機脈動生產線，通過精確制導的自動引導車進行準確對接裝配[5]；普惠于2014年開始研發發動機自動裝配生產線，并在其佛羅里達州西棕櫚灘工廠安裝了具有頂部夾具系統的生產線，通過視覺引導完成其齒輪傳動渦輪發動機的對接裝配過程，有效提高了裝配生產效率[6]；GE公司在拉斐特的發動機總裝廠建立了總裝脈動生產線，采用上部吊裝方式進行發動機水平對接[7]。

本文針對脈動生產線的關鍵環節[8-9]，研發低壓渦輪單元體水平智能對接技術方案，并驗證其可行性，以期為未來批生產和維修過程裝配質量穩定性提供技術保障，同時為我國商用航空發動機脈動生產線設計提供技術基礎。

2 航空發動機低壓渦輪單元體智能對接需求分析

以某型商用航空發動機為例，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定性差、裝配效率低等問題，與國際先進航空發動機裝配技術的差距巨大，難以滿足未來航空發動機批量生產和維修的發展需求[9]。

圖1 低壓渦輪單元體(右側)和風扇核心機單元體(左側)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及難點在于：

(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)裝配質量大，低壓渦輪單元體總質量超過800 kg；

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

(4)裝配環境可視性差，不易直接觀察，對接安裝過程屬于盲裝過程。

3 航空發動機低壓渦輪單元體智能對接系統方案

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

(1)裝配過程虛擬仿真驗證模塊。將低壓渦輪單元體與風扇核心機單元體的實際尺寸參數導入仿真環境，對目標部件、移動部件、智能對接平臺、對接區域實測數據等運動要素的數模及其在裝配坐標系下所處的位姿進行仿真，在實際對接前進行模擬對接及選配工作。

(2)自動運輸及上下料模塊。自動上下料模塊涉及大負載自動運輸AGV小車，將低壓渦輪單元體自低壓渦輪區運輸至對接安裝區域；設計基于絲杠機構的自動上下料裝置，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調整平臺組成，包括X、Y、Z方向的移動和轉動，以及裝配過程中所需的2個局部自由度。相對位姿通過定制的激光跟蹤與引導測量系統、高精度激光測距系統、高精度超聲測距系統和力傳感系統測量實現。通過將測量數據反饋至控制系統，對位姿進行調整，實現無磕碰、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、電動扳手等實現自動擰緊；邊螺母通過視覺引導方式進行對中，因空間限制采用人工方式擰緊。

4 航空發動機低壓渦輪單元體智能對接關鍵技術

4.1 激光導航與物料自動運輸技術

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小車通過發射激光束來確定，其當前的位置和方向，計算相對位置，通過幾何運算實現路徑導航。導航原理如圖3所示。

圖3 激光導航原理Fig.3 The principle of laser navigation

考慮低壓渦輪AGV小車負載運行過程中負荷大，將低壓渦輪AGV小車的行駛速度范圍設定為小于20.0 m/min?？紤]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，設置激光防撞儀及急停裝置，安全控制結構如圖4所示。

圖4 物料自動運輸安全防護方案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

考慮到商用航空發動機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?？紤]到間接測量過程存在累計誤差風險，難以滿足精度需求，設計過程采用直接測量方式，利用激光跟蹤與引導系統、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扇核心機單元體的相對姿態，滿足精度要求[4]。

如圖5所示，激光跟蹤與引導測量的基本過程為，在兩個目標點(風扇端與低壓渦輪軸端)上各安置一組激光發射裝置及激光測距傳感器和超聲波測距傳感器。激光發射裝置發射出的兩組激光進入激光跟蹤頭，激光測距傳感器對兩組激光進行識別。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，進而通過計算獲取低壓渦輪與風扇核心機單元體相對姿態，得出低壓渦輪和風扇核心機單元體前端之間的相對偏差。當目標移動時，激光跟蹤頭保證跟蹤兩組激光，同時準確測量低壓渦輪與風扇核心機單元體后端的相對姿態，在配合精度靠近要求上下限(0～0.057 mm)時進行控制，并實時顯示和虛擬裝配過程，為檢測和指導對接過程提供精確數據。

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

4.3 力傳感與智能控制技術

采用六維腕力傳感器測量低壓渦輪單元體與風扇核心機單元體裝配過程中產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行計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Fig.6 Smart sensor based bumping control technology

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

4.4 集成控制系統組成

通過集成控制系統實現智能對接平臺的總體控制，實現對接安裝過程模擬仿真、對接數據實時檢測與控制、對接數據分析等功能。系統組成如圖7所示，分為智能對接設備層、嵌入式控制層(含感知層、嵌入式控制器、伺服驅動及控制器等)和中央控制層。其中，中央控制層主要功能模塊的功能為：

(1)算法模塊為位姿調整相關的智能算法，支持進行測量數據擬合、位姿坐標變換、控制過程優化等。

(2)仿真驗證模塊支持進行部件選配、運動數據的仿真驗證。

(3)對接運動控制模塊實現X/Y/Z方向6個自由度及2個局部自由度的調整與控制。

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

(5)故障報警模塊對對接安裝過程中的故障數據進行記錄與顯示，對于機械故障進行及時報警及中斷操作，針對通訊故障進行數據傳輸的正確性驗證與校驗，對于用戶交互數據錯誤進行及時提示。

圖7 智能對接設備控制系統結構Fig.7 The control system structure of automatic docking device

4.5 安全防護策略

為保證操作過程人員與機器人手臂協同工作中的人員安全，操作過程嚴格控制人與運動設備的位置區間。同時，為防止大型設備出現設備傾翻，安裝防傾翻電動插銷。

5 低壓渦輪單元體智能對接平臺設備展示

航空發動機低壓渦輪單元體智能對接平臺實物如圖8所示，采用某型發動機模擬件進行相關測試工作。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扇核心機單元體的參數符合性，繼而啟動對接安裝生產指令，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 智能對接設備實物工作圖片Fig.8 The working picture of low pressure turbine automatic docking device

通過測算，采用人工裝配，現場裝配需要5個或以上操作工人，負責行車、搬運、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，且操作工人勞動強度大大降低。工作時間上，傳統的人工操作需要約8 h工時，而智能對接方式約3 h工時即可，工作效率明顯提高。

6 結束語

采用智能對接技術可有效提高航空發動機對接裝配的精度和效率。本文設計的航空發動機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動機批生產脈動生產線提供重要的技術儲備，同時這一研究也是快速研制生產和批生產航空發動機的必由之路。此外，要將該技術成功用于我國商用航空發動機批生產過程，還需要更進一步納入整個企業的信息管理，如實現與車間生產管理系統的集成，并完善柔性化工裝工具，以便為后續建立柔性裝配生產線奠定基礎，從根本上提升我國航空發動機研制水平。