飛機制造是一項技術難度大、過程非常復雜的的工程，在現(xiàn)代飛機制造中，裝配已經(jīng)占到了整個飛機制造周期中總工作量的一半以上。由于飛機零部件尺寸大、結構精密復雜、數(shù)量繁多，裝配環(huán)節(jié)的自動化程度一直處于較低的水平，勞動密集且耗時耗力的裝配工作已經(jīng)成為提高飛機制造質(zhì)量和效率、降低成本的最大障礙。

F-35戰(zhàn)斗機發(fā)動機整機安裝

航空發(fā)動機是飛機動力系統(tǒng)的核心，發(fā)動機安裝在飛機裝配中占有重要地位，安裝質(zhì)量對飛機性能有著很大影響。如圖所示，航空發(fā)動機具有體積重量大、結構精密復雜、安裝間隙小等特點，且表面布滿復雜的管路，安裝軌跡復雜，使得高質(zhì)量、高效率的發(fā)動機安裝成為飛機裝配中最大的難點之一。目前國內(nèi)普遍采用手工模式進行航空發(fā)動機的安裝作業(yè)，其主要存在以下幾個方面的問題。

（1）自動化程度低：在整個發(fā)動機安裝過程中，只能依靠人力對發(fā)動機的位置姿態(tài)反復進行手動調(diào)整，且不能多軸聯(lián)動調(diào)整，耗時耗力，勞動強度大。

（2）調(diào)姿精度低：發(fā)動機的位置姿態(tài)調(diào)整過程中沒有精準的伺服控制，只能依靠人的操作經(jīng)驗，沒有精確的測量與反饋，只能依靠人的目視觀察，精度低，可靠性差，且容易磕碰發(fā)動機。

（3）安裝效率低：發(fā)動機的安裝需要多人協(xié)同觀察和操作，且容易發(fā)生誤操作和返工，安裝一臺發(fā)動機需要數(shù)個小時。國內(nèi)的航空發(fā)動機手工安裝模式仍處于比較低的技術水平，而國外飛機制造公司如洛克希德·馬丁、波音、空客等，都在航空發(fā)動機安裝中應用了自動化安裝方法和裝備，大大提高了發(fā)動機安裝的質(zhì)量和效率。

航空發(fā)動機數(shù)控安裝多軸調(diào)姿平臺

1 航空發(fā)動機安裝動作要求和調(diào)姿分析

某航空發(fā)動機安裝軌跡

所示為國內(nèi)某型航空發(fā)動機安裝軌跡示意圖，理論上為一近似梯形折線軌跡。由于發(fā)動機和安裝艙的結構特點以及初始位姿的隨機性和不確定性，在航空發(fā)動機的安裝過程中，需要在沿安裝艙軸線的豎直剖面內(nèi)，對發(fā)動機的俯仰姿態(tài)進行實時調(diào)整。

在航空發(fā)動機安裝前和安裝過程中，要能夠始終保證航空發(fā)動機與機身安裝艙的軸心對準，這是發(fā)動機成功安裝的必要條件。

航空發(fā)動機軸心對準示意圖

除了俯仰姿態(tài)調(diào)整和軸心對準，在航空發(fā)動機的安裝中，還需要對其繞軸線的轉(zhuǎn)動進行調(diào)整，以及向機身安裝艙內(nèi)的推進。

為了實現(xiàn)發(fā)動機的高效精準安裝，航空發(fā)動機數(shù)控安裝應能夠?qū)崿F(xiàn)對發(fā)動機6 個空間自由度的位置姿態(tài)的精準調(diào)整，應能夠在發(fā)動機安裝過程中對發(fā)動機位置姿態(tài)進行實時監(jiān)測和反饋控制。

2 航空發(fā)動機數(shù)控安裝多軸調(diào)姿平臺

航空發(fā)動機數(shù)控安裝架車

按照功能劃分，研制的航空發(fā)動機數(shù)控安裝架車包括兩大部分：多軸調(diào)姿平臺和行走底盤車，如圖所示。其中多軸調(diào)姿平臺作為數(shù)控安裝架車執(zhí)行發(fā)動機數(shù)控安裝作業(yè)的主要機構，有6個空間自由度，根據(jù)安裝需要可以多軸聯(lián)動控制，負責航空發(fā)動機在安裝過程中的位置姿態(tài)調(diào)整和推進；行走底盤車由電力驅(qū)動，并帶有液壓支腿，負責航空發(fā)動機的短途轉(zhuǎn)運和安裝前的初始對準，安裝過程中由液壓支腿進行承載。

多軸調(diào)姿平臺包括：發(fā)動機夾具、平移機構、轉(zhuǎn)臺機構、升降俯仰機構，其中平移機構實現(xiàn)發(fā)動機垂直于軸心方向的水平偏移，轉(zhuǎn)臺機構實現(xiàn)發(fā)動機的水平偏擺，承載框架與底盤導軌配合實現(xiàn)發(fā)動機沿軸線方向的推進，而發(fā)動機其余3個自由度的調(diào)整依靠多軸調(diào)姿平臺的升降俯仰機構來實現(xiàn)。

升降俯仰機構需要實現(xiàn)發(fā)動機的豎直偏移、豎直偏擺和沿軸線轉(zhuǎn)動等3 個自由度的調(diào)整，采用了4 組“人字形”連桿獨立驅(qū)動的方案，每組“人字形”連桿頂部均采用關節(jié)軸承的連接方式，4 組“人字形”連桿共同支撐轉(zhuǎn)臺機構底板。對其空間自由度進行分析，以驗證其是否能夠滿足3個自由度的要求。

航空發(fā)動機位置姿態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)

在航空發(fā)動機的安裝過程中，需要對其位置姿態(tài)進行實時在線監(jiān)測并做出反饋調(diào)整，為實現(xiàn)這一功能，采用了研制的多視覺監(jiān)測系統(tǒng)。

多視覺監(jiān)測系統(tǒng)包括5個部分：圓環(huán)標靶、監(jiān)視攝像頭、監(jiān)測平臺、主機、輔助監(jiān)視攝像頭，其中，圓環(huán)標靶固定在航空發(fā)動機前端，與發(fā)動機前端同心，起到確定發(fā)動機位置和姿態(tài)的作用；監(jiān)視攝像頭固定在安裝艙的多個檢修口，在發(fā)動機安裝過程中起到輔助監(jiān)視作用；監(jiān)測平臺放置在安裝艙前端（靠近飛機進氣口一側(cè)），將固定在發(fā)動機前端的圓環(huán)標靶和安裝艙輪廓進行圖像采集，并將采集結果傳輸?shù)街鳈C；采用多個輔助監(jiān)視攝像頭，安裝在機身適當?shù)奈恢没虼翱?，用于輔助監(jiān)控發(fā)動機進入機身后與側(cè)壁的間隙大小等。主機是整個系統(tǒng)的大腦，將采集到的圖像進行處理比對，計算出發(fā)動機相對于安裝艙的位置姿態(tài)偏差。

航空發(fā)動機數(shù)控安裝示意圖

圖5所示為航空發(fā)動機數(shù)控安裝場景示意圖，多視覺監(jiān)測系統(tǒng)與航空發(fā)動機數(shù)控安裝架車的數(shù)控系統(tǒng)連接，在發(fā)動機安裝過程中將計算出的發(fā)動機位置姿態(tài)偏差反饋給架車數(shù)控系統(tǒng)，由其控制多軸數(shù)控調(diào)姿平臺，對發(fā)動機的位置姿態(tài)進行實時精準調(diào)控，推進發(fā)動機向機身內(nèi)安裝，直至發(fā)動機安裝到位。此外，在數(shù)控安裝過程中，操作者可以根據(jù)需要切換至非自動模式，通過數(shù)控手麥或數(shù)控指令調(diào)整發(fā)動機的位置姿態(tài)，使其滿足安裝要求。

航空發(fā)動機數(shù)控安裝驗證試驗

為了驗證研制的航空發(fā)動機多軸數(shù)控安裝架車的可行性，聯(lián)合某飛機制造企業(yè)，進行了多次生產(chǎn)現(xiàn)場的航空發(fā)動機安裝應用驗證試驗。如圖6 所示為航空發(fā)動機數(shù)控安裝試驗流程，主要包括軸心對準和安裝推進，兩個過程都包含“監(jiān)測-反饋- 調(diào)整”的機制。

航空發(fā)動機數(shù)控安裝試驗流程

航空發(fā)動機與機身安裝艙的軸心對準，包括初始對準和精對準。首先進行架車與機身的初始對準，驅(qū)動架車至發(fā)動機安裝工位，架車前端有定位環(huán)，調(diào)整架車的位置和角度，當定位環(huán)與機身安裝艙特定位置的外圓輪廓對齊時，使發(fā)動機相對于安裝艙的偏差處于可調(diào)范圍內(nèi)，即完成了架車與機身的初始對準，將液壓支腿放下，整個發(fā)動機安裝過程中由液壓支腿承載架車和發(fā)動機的重量。

航空發(fā)動機的位姿監(jiān)測系統(tǒng)界面

在軸心精對準過程中，架車數(shù)控系統(tǒng)利用多視覺監(jiān)測系統(tǒng)的反饋信息，控制多軸調(diào)姿平臺調(diào)整發(fā)動機的位置姿態(tài)，如圖所示，系統(tǒng)程序中設置了允許誤差，包括水平偏移允許誤差Δy0，豎直偏移允許誤差Δz0，水平偏擺角度允許誤差Δθ10 和豎直偏擺角度允許誤差Δθ20，當發(fā)動機的4個位置姿態(tài)偏差全部控制在允許誤差范圍內(nèi)時，即完成了發(fā)動機與安裝艙的軸心對準，然后進入發(fā)動機的推進安裝作業(yè)。

發(fā)動機數(shù)控安裝系統(tǒng)界面

在發(fā)動機通過數(shù)控系統(tǒng)操控緩慢推進安裝過程中，多視覺監(jiān)測系統(tǒng)對發(fā)動機的位置姿態(tài)進行在線實時監(jiān)測，并將結果反饋到航空發(fā)動機數(shù)控安裝架車的數(shù)控系統(tǒng)，如圖所示，當發(fā)動機位置姿態(tài)偏差在誤差范圍內(nèi)時，安裝過程持續(xù)進行；當發(fā)動機位置姿態(tài)偏差超出了誤差范圍時，發(fā)動機安裝工作將暫停，由多軸數(shù)控調(diào)姿平臺對發(fā)動機位置姿態(tài)進行調(diào)整，直到符合誤差范圍要求，繼續(xù)執(zhí)行安裝工作，直至發(fā)動機安裝到位。

在發(fā)動機安裝驗證試驗過程中，同時對發(fā)動機安裝架車沿各軸的發(fā)動機位置、姿態(tài)調(diào)整精度進行了檢測，其中沿X 軸、Y 軸、Z 軸直線運動的位置精度采用激光干涉儀進行檢測；而繞X 軸、Y 軸、Z 軸的姿態(tài)精度等不便于應用激光干涉儀的檢測項目，則在軸線兩側(cè)布置兩臺百分表，利用兩臺百分表的示值差，推算出繞軸線的偏擺角度。將檢測結果與數(shù)控系統(tǒng)、多視覺監(jiān)測系統(tǒng)的結果進行對比，即可得出發(fā)動機安裝的位置、姿態(tài)精度能否滿足要求。

多次試驗結果表明，所采用的航空發(fā)動機數(shù)控安裝方法及其裝備，操作輕便，精度高，使航空發(fā)動機整機安裝效率提高了1 倍以上，位置操控精度可以控制在0.2mm 以內(nèi)，姿態(tài)操控精度控制在20' 以內(nèi)，能夠?qū)Πl(fā)動機的安裝過程進行有效監(jiān)測，避免了安裝過程中發(fā)動機外緣與機身發(fā)動機艙的磕碰。

來源：航空制造網(wǎng)

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