CN105443169A - 航空发动机多级鼓盘式转子装配装置和装配方法 - Google Patents

Abstract

一种航空发动机多级鼓盘式转子装配装置和装配方法，该装置包括：基座、气浮转台、夹具装置、测量装置和计算控制系统，其中：气浮转台固定于基座中心，夹具装置安装在气浮转台上，测量装置安装在基座上并设置于气浮转台两侧；所述的计算控制系统与气浮转台相连并传输驱动、调心调倾信息，计算控制系统与测量装置相连并采集装配零件的形貌信息。本发明能够保证转子各级零件的同轴度，且能进行连续装配，无需拆下零件逐个测量、标记和装配，通用性强，操作简易，装配精度和装配效率高。

Description

航空发动机多级鼓盘式转子装配装置和装配方法

技术领域

本发明涉及的是航空发动机装配领域的技术，具体是一种航空发动机多级鼓盘式转子连续装配装置与装配方法。

背景技术

航空发动机转子的零部件在加工过程中不可避免的伴随有跳动、偏心、倾斜等偏差，如果转子的定心方案设计不妥，转子装配不当，偏差累积将会成倍放大，并由于杠杆效应，造成装配后整个转子部件的巨大偏摆和倾斜。若转子部件产生严重偏心，转子工作时将产生剧烈振动，直接影响发动机的安全性和可靠性。

目前，国内发动机装配主要采用传统的装配方法，以千分表人工手动测试为主，按照从下到上的顺序装配发动机。装配一个部件之后进行测量，确保每次增加部件后的整体能够满足同轴度的阈值条件，然后再向上安装另一个部件。每次都以前一个部件作为基准，最终要求整体的同轴度在一定范围内。这种方法耗费时间长，返工可能性大，严重影响安装效率及发动机寿命。

经过对现有技术的检索发现，中国专利文献号CN103899367A，公开(公告)日2014.07.02，公开了一种航空发动机转子堆叠装配方法与装置。该装置采用气浮回转轴系确定回转基准，依据光电编码器确定转台的角度定位；先采用四个接触式传感测头提取转子径向装配面的径向误差和轴向装配面的倾斜误差，得到该转子对装配后转子同轴度的影响权值，然后分别测量装配所需的全部转子，得到各转子对装配后转子同轴度的影响权值，最后将各转子的权值进行矢量优化，得到各转子的装配角度。该方法存在的问题是，所采用的接触式测量会对零件表面产生挤压力作用，测头一个轻微的扰动易造成转子部件同轴度超差，而且测量范围狭窄，接触式测量设备无法覆盖整个零件装配面，也无法提供直观的零件表面形貌图像，以找到偏差源所在。

中国专利文献号CN103790644A，公开(公告)日2014.05.14，公开了一种基于空间矢量投影的航空发动机转子装配方法与装置，该装置依据光栅尺确定转台的角度定位，通过测量每个零件径向装配面的径向误差和轴向装配面的倾斜误差，得到该转子对装配后转子同轴度的影响权值，将各权值进行矢量优化，计算出装配角度。该方法存在的问题是，零件测量与装配需要不同台架来逐个测量和安装，此过程分开进行，效率低。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出了一种航空发动机多级鼓盘式转子装配装置和装配方法，利用全息检测技术生成待测零件的完整三维表面形貌和轮廓，通过形貌匹配技术检测到最优装配位置，实现连续在线安装。

本发明是通过以下技术方案实现的，

本发明涉及一种航空发动机多级鼓盘式转子装配装置，包括：基座、气浮转台、夹具装置、测量装置和计算控制系统，其中：气浮转台固定于基座中心，夹具装置安装在气浮转台上，测量装置安装在基座上并设置于气浮转台两侧；

所述的计算控制系统与气浮转台相连并传输驱动、调心调倾信息，计算控制系统与测量装置相连并采集装配零件的形貌信息。

所述的夹具装置包括：液压卡盘、标准中心筒、一级支撑和二级支撑，其中：液压卡盘和一级支撑安装在气浮转台上，液压卡盘卡固标准中心筒，二级支撑安装在标准中心筒上。

所述的测量装置包括：分别设置在气浮转台两侧的两个测量立柱、与左侧测量立柱相连的两个测量臂、与右侧测量立柱相连的两个测量臂、轴向圆跳动千分表、径向圆跳动千分表和激光传感器，其中：轴向圆跳动千分表、径向圆跳动千分表分别设置在左侧一测量臂和右侧一测量臂上，左侧另一测量臂和右侧另一测量臂均设有激光传感器。

本发明涉及上述装置的航空发动机转子装配方法，包括以下步骤：

步骤一、校准标准中心筒的轴向最大跳动量和径向最大跳动量，并控制n级零件上端装配面和n+1级零件上端装配面的轴向最大跳动量和径向最大跳动量，与标准中心筒保持同一水平；

步骤二、使用激光传感器同步扫描n级零件上端装配面和n+1级零件下端装配面，利用多波长数字全息技术重建零件表面三维形貌，通过形貌匹配找到两个零件互相匹配的高低点，得到转子偏心量和倾斜量，确定n+1级零件相对于n级零件的安装角；

步骤三、根据n+1级零件相对于n级零件的安装角对n+1级零件标定，下移二级支撑及n+1级零件，完成n+1级零件相对于n级零件的装配，使n+1级零件装配后与n级零件同轴度误差最小；

步骤四、重新固定二级支撑，并将n+2级零件固定在二级支撑上，重复上述步骤，完成n+2级零件相对于n+1级零件的装配，直至完成全部N级零件的装配。

所述的形貌匹配是指：设n级零件上端装配面为零位相平面，并取一个参考点O、坐标设为(x_O，y_O，0)，设n+1级零件下端装配面上任一点P的坐标为(x_p，y_p，z_p)，根据数字全息测量三维轮廓生成原理的微小物体高度表达式：得到P点相位Φ_p： ${\mathrm{\Φ}}_p=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\[z_p(\cos i+{\mathrm{cosi}}^{\′})+\sqrt{{(x_p-x_o)}^2+{(y_p-y_o)}^2}(\sin i-{\mathrm{sini}}^{\′})\],$ λ为激光波长，i和i’分别为激光入射角和反射角。

技术效果

相对于现有技术装配完成后最上端零件外止口装配面的径向跳动精度0.038mm，轴向跳动精度0.030mm，本发明实时对航空发动机转子所有装配面进行形貌测量与最优匹配，可将径向跳动量控制在0.012mm范围内，轴向跳动量控制在0.010mm范围内，保证了较高的同轴度；而且能够连续装配，无需拆下零件逐个测量和标记，通用性强，操作简易，一次装配成功率达到90％，一次装配时间由原来的4-5天缩短为1天。

附图说明

图1为本发明的装配装置结构示意图；

图2为本发明中一级支撑结构示意图；

图3为本发明中二级支撑结构示意图；

图中：基座1、气浮转台2、夹具装置3、液压卡盘4、一级支撑5、可伸缩支架5a、丝杠螺母5b、支撑板5c、零件锁紧滑块5d、标准中心筒6、二级支撑7、可伸缩支架7a、丝杠螺母7b、支撑板7c、零件锁紧滑块7d、二级支撑装配螺母7e、二级支撑定位螺母7f、夹持部7g、一级零件8、二级零件9、测量立柱10、激光传感器11、测量臂12、轴向圆跳动千分表13、滑动连接件14、径向圆跳动千分表15、导轨16、测量装置17、计算控制系统18。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

如图1所示，本实施例涉及一种航空发动机多级鼓盘式转子装配装置，包括：基座1、气浮转台2、夹具装置3、测量装置17和计算控制系统18，其中：气浮转台3固定于基座1的中心，夹具装置3安装在气浮转台2上，测量装置17安装在基座1上并设置于气浮转台2左右两侧；

所述的计算控制系统18与气浮转台2相连并传输驱动、调心调倾信息，计算控制系统18与测量装置17相连并采集装配零件形貌信息。

所述的夹具装置3包括：液压卡盘4、一级支撑5、标准中心筒6和二级支撑7，其中：液压卡盘4和一级支撑5安装在气浮转台2上，液压卡盘4卡固标准中心筒6，二级支撑7安装在标准中心筒6上。

所述的测量装置17包括：通过导轨16设置在气浮转台两侧的两个测量立柱10、通过滑动连接件14与左侧测量立柱10相连的两个测量臂12、通过滑动连接件14与右侧测量立柱10相连的两个测量臂12、轴向圆跳动千分表13、径向圆跳动千分表15和激光传感器16，其中：导轨16设置在基座1上，测量立柱10与导轨16滑动连接，轴向圆跳动千分表13、径向圆跳动千分表15分别设置在左下测量臂12和右下测量臂12上，左上测量臂12和右上测量臂12的末端均设有激光传感器11；通过控制滑动连接件14的位置调节测量高度，以满足测量各级零件的需要。

所述的一级支撑5包括：可伸缩支架5a、丝杠螺母5b、支撑板5c和零件锁紧滑块5d，其中：上下支撑板5c通过可伸缩支架5a连接；可伸缩支架5a设有丝杠螺母5b便于调节一级支撑5的结构高度，上部支撑板5c设有周向均布的凹槽，零件锁紧滑块5d设置在凹槽内，便于锁紧不同直径的一级零件8。

所述的二级支撑7包括：可伸缩支架7a、丝杠螺母7b、支撑板7c、零件锁紧滑块7d、二级支撑装配螺母7e、二级支撑定位螺母7f和夹持部7g，其中：夹持部7g和支撑板7c通过可伸缩支架7a相连；夹持部7g通过二级支撑装配螺母7e相互锁紧、可拆分，二级支撑7通过夹持部7g上的二级支撑定位螺母7f固定在标准中心筒6上，可伸缩支架7a设有丝杠螺母7b便于调节二级支撑7的结构高度，上部支撑板7c设有周向均布的凹槽，零件锁紧滑块7d设置在凹槽内，便于锁紧不同直径的二级零件9。

所述的气浮转台2由无刷伺服电机驱动，定位精度<2角秒，双向重复定位精度<1角秒，转速60～80r/min。

本实施例涉及上述装置装配航空发动机转子的方法：

1)先将标准中心筒6固定在液压卡盘4上，启动气浮转台2，调节测量高度，使轴向圆跳动千分表13测量标准中心筒6上端面、径向圆跳动千分表15测量标准中心筒6柱面，调节气浮转台2的调心调倾旋钮，使轴向最大跳动量小于0.030mm，径向最大跳动量小于0.038mm，关闭气浮转台2，完成标准中心筒6的标定；

2)接着装配一级零件8，然后启动气浮转台2，调节高度，使轴向圆跳动千分表13测量一级零件8的上端装配面、径向圆跳动千分表15测量一级零件8柱面，手动调节支撑丝杠螺母5b至阀值，使轴向最大跳动量小于0.030mm，径向最大跳动量小于0.038mm，关闭气浮转台2，完成一级零件8的标定；

3)接着装配二级零件9，然后启动气浮转台2，调节高度，使轴向圆跳动千分表13测量二级零件9的上端装配面、径向圆跳动千分表15测量二级零件9柱面，手动调节丝杠螺母7b至阀值，使轴向最大跳动量小于0.030mm，径向最大跳动量小于0.038mm，关闭气浮转台2，完成二级零件9的标定；

4)然后调节左侧和右侧的激光传感器11的高度分别测量一级零件8上端装配面和二级零件9下端装配面之间，启动气浮转台2，激光传感器11将测得的三维形貌数据传输给计算控制系统18，根据公式： ${\mathrm{\&Phi;}}_p=\frac{2\mathrm{\&pi;}}{\mathrm{\&lambda;}}\&lsqb;z_p(\cos i+{\mathrm{cosi}}^{\&prime;})+\sqrt{{(x_p-x_o)}^2+{(y_p-y_o)}^2}(\sin i-{\mathrm{sini}}^{\&prime;})\&rsqb;,$ λ为激光波长，i和i’分别为激光入射角和反射角，计算控制系统18计算得到P点相位，找到两个零件互相匹配的高低点，得到转子偏心量和倾斜量，确定二级零件9相对一级零件8的安装角；

5)关闭气浮转台2，根据二级零件9相对一级零件8的安装角，用角度尺在二级零件9上沿着激光线旋转一个角度标上记号，再在一级零件8的激光线位置做一个标记，把两个标记对齐，松开二级支撑定位螺母7f，下移二级支撑7，完成二级零件9相对于一级零件8的装配；

6)松开二级支撑装配螺母7e，取出二级支撑7，重新装夹二级支撑7和下一级零件，进行下一级零件相对于二级零件9的装配，直至完成全部N级零件的装配。

Claims (6)

1.一种航空发动机多级鼓盘式转子装配装置，其特征在于，包括：基座、气浮转台、夹具装置、测量装置和计算控制系统，其中：气浮转台固定于基座中心，夹具装置安装在气浮转台上，测量装置安装在基座上并设置于气浮转台两侧，计算控制系统与气浮转台相连并传输驱动、调心调倾信息，计算控制系统与测量装置相连并采集装配零件的形貌信息。

2.根据权利要求1所述的航空发动机多级鼓盘式转子装配装置，其特征是，所述的夹具装置包括：液压卡盘、标准中心筒、一级支撑和二级支撑，其中：液压卡盘和一级支撑安装在气浮转台上，液压卡盘卡固标准中心筒，二级支撑安装在标准中心筒上。

3.根据权利要求1所述的航空发动机多级鼓盘式转子装配装置，其特征是，所述的测量装置包括：分别设置在气浮转台两侧的两个测量立柱、与左侧测量立柱相连的两个测量臂、与右侧测量立柱相连的两个测量臂、轴向圆跳动千分表、径向圆跳动千分表和激光传感器，其中：轴向圆跳动千分表、径向圆跳动千分表分别设置在左侧一测量臂和右侧一测量臂上，左侧另一测量臂和右侧另一测量臂均设有激光传感器。

4.一种根据上述任一权利要求所述的装置的航空发动机多级鼓盘式转子装配方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、校准标准中心筒的轴向最大跳动量和径向最大跳动量，并控制n级零件上端装配面和n+1级零件上端装配面的轴向最大跳动量和径向最大跳动量与标准中心筒保持同一水平；

步骤二、使用激光传感器同步扫描n级零件上端装配面和n+1级零件下端装配面，利用多波长数字全息技术重建零件表面三维形貌，通过形貌匹配找到两个零件互相匹配的高低点，得到转子偏心量和倾斜量，确定n+1级零件相对于n级零件的安装角；

步骤三、根据n+1级零件相对于n级零件的安装角对n+1级零件标定，下移二级支撑及n+1级零件，完成n+1级零件相对于n级零件的装配，使n+1级零件装配后与n级零件的同轴度误差最小；

步骤四、重新固定二级支撑，并将n+2级零件固定在二级支撑上，重复上述步骤，完成n+2级零件相对于n+1级零件的装配，直至完成全部N级零件的装配。

5.根据权利要求4所述的航空发动机多级鼓盘式转子装配方法，其特征是，所述的形貌匹配是指：设n级零件上端装配面为零位相平面，并取一个参考点O、坐标设为(x_o，y_o，0)，设n+1级零件下端装配面上任一点P的坐标为(x_p，y_p，z_p)，根据数字全息测量三维轮廓生成原理的微小物体高度表达式：得到P点相位Φ_p： ${\mathrm{\&Phi;}}_p=$ $\frac{2\mathrm{\&pi;}}{\mathrm{\&lambda;}}\&lsqb;z_p(\cos i+{\mathrm{cosi}}^{\&prime;})+\sqrt{{(x_p-x_o)}^2+{(y_p-y_o)}^2}(\sin i-{\mathrm{sini}}^{\&prime;})\&rsqb;,$ λ为激光波长，i和i’分别为激光入射角和反射角。

6.根据权利要求4所述的装配航空发动机多级鼓盘式转子的方法，其特征是，所述的轴向最大跳动量小于0.030mm，径向最大跳动量小于0.038mm。