CN108032078B - 一种航空发动机低压涡轮轴-盘组件的装配装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种航空发动机低压涡轮轴‑盘组件的装配装置，包括涡轮夹具、涡轮轴调姿对接系统、转位式拧紧系统和床身。所述的涡轮夹具实现涡轮单元体的轴线水平安装；所述的涡轮轴调姿对接系统实现涡轮轴相对连接盘的接触端面平行校准运动和同心校准运动，并实现涡轮轴相对连接盘的进给对接运动；所述的转位式拧紧系统实现拧紧轴转位至对应圆周分布螺栓的拧紧工位。本发明采用低压涡轮轴‑盘轴线水平的安装方式，实现涡轮轴相对连接盘的对心定位校准和端面正确紧密贴合，提高对接装配精度。本发明采用转位式拧紧系统，应用拧紧轴可有效控制螺栓预紧力偏差，确保拧紧质量；采用龙门式移动台，解决了拧紧系统进给过程中运动干涉问题。

Description

一种航空发动机低压涡轮轴-盘组件的装配装置
技术领域
本发明属于自动化装配技术领域，特别涉及一种航空发动机低压涡轮轴-盘组件的装配装置。
背景技术
在航空发动机中，低压涡轮轴通过前端法兰结构与低压涡轮单元体端部连接盘相装配，实现低压涡轮转子的动力传递。由于低压涡轮转子所受外载大，轴-盘组件承受高达数十吨的轴向力和数万牛米的传动扭矩，而其连接部分属于截面突变关键易损位置，因此轴-盘组件的装配性能是发动机运行可靠性的重要影响因素。
在低压涡轮轴-盘组件装配过程中，低压涡轮轴-盘需进行相对位姿调整和校准，二者对正后沿轴向进行对接配合，最终通过周向均布螺栓拧紧方式进行紧固。目前国内主要采用夹具、吊具、运动辅具和手持工具等简单机械机构，配合人工操作的方式进行装配作业，主要应用设备及装配过程如下：通过夹具将体积重量较大的低压涡轮单元体进行轴线沿竖直方向的立式安装，采用吊具装运的方式将涡轮轴移动至对中位置，在竖直方向上完成相对连接盘的对接，应用力矩扳手等拧紧器具对沿轴线圆周均布的螺栓组进行拧紧。上述装配过程中大量依靠人工作业方法，未使用自动化专用装配装置，存在以下不足：(1)组件对接精度低：长度为约2m规格的涡轮轴轴向尺寸过大，利用吊具吊装的形式造成其微距位移对准困难，影响组件对心精度；处于立式的涡轮轴难以通过机械机构实现其姿态调整，无法实现适应配对接触面型面误差的柔性装配要求，难以保证连接接触面正确紧密贴合；(2)手工操作力矩扳手方式拧紧质量不稳定，螺栓预紧力偏差高至25％-50％，导致工况下薄弱连接部位螺栓易松脱；应用数控拧紧轴可有效控制预紧力偏差至10％以下，但因拧紧作业空间限制，拧紧轴轴向进给机构易与吊具、夹具等结构发生干涉，而应用机械臂作为拧紧轴侧向进给机构的方式存在成本高、刚度低和效率低等问题；(3)现有装配设备大量依赖人工操作，作业效率低，装配一致性差；应用现有设备的立式装配方式导致工人观察和操作困难，对工人技能要求高，劳动强度大。
发明内容
为解决上述现有技术存在的问题，本发明提供一种航空发动机低压涡轮轴-盘组件的装配装置，满足涡轮轴-盘组件高精度对接和螺栓一致性拧紧要求，具有工作效率高和操作方便的特点，实现航空发动机低压涡轮轴-盘高性能装配。
本发明的技术方案是：一种航空发动机低压涡轮轴-盘组件的装配装置，包括涡轮夹具、涡轮轴调姿对接系统、转位式拧紧系统和床身。
所述的涡轮夹具位于床身端部，实现涡轮单元体的轴线为水平方向的固定安装。
所述的涡轮轴调姿对接系统位于床身中部，由滚轮式卡爪I、涡轮轴支撑杆I、支撑杆轴承I、滚轮式卡爪II、涡轮轴支撑杆II、支撑杆轴承II、涡轮轴位姿调整台、涡轮轴位姿调整台底座和直线导轨系统I组成；涡轮轴支撑杆I底端通过支撑杆轴承I安装在涡轮轴位姿调整台端部，涡轮轴支撑杆I围绕支撑杆轴承I进行90°转动，即具有竖直和水平二个工位，分别实现涡轮轴支撑功能和转位式拧紧系统进给过程避让功能；滚轮式卡爪I位于涡轮轴支撑杆I顶端，滚轮式卡爪I上安装有多个周向分布的滚轮，实现对涡轮轴尾端的定心夹紧；涡轮轴支撑杆II底端通过支撑杆轴承II安装在涡轮轴位姿调整台另一端部，涡轮轴支撑杆II围绕支撑杆轴承II进行90°转动，即具有竖直和水平二个工位，分别实现涡轮轴支撑功能和转位式拧紧系统进给过程避让功能；滚轮式卡爪II位于涡轮轴支撑杆II顶端，滚轮式卡爪II上安装有多个周向分布的滚轮，实现对涡轮轴前端的定心夹紧，滚轮式卡爪I定心轴线和滚轮式卡爪II定心轴线在水平面内同轴，实现对涡轮轴的轴线为水平方向的安装；涡轮轴位姿调整台安装在涡轮轴位姿调整台底座上方，具有相对涡轮轴位姿调整台底座水平面摆转、竖直面俯仰、水平横移和竖直升降的功能，实现涡轮轴位姿调整台上安装的涡轮轴相对连接盘的接触端面平行校准运动和同心校准运动，直线导轨系统I安装于床身上，位于直线导轨系统II的内侧，涡轮轴位姿调整台安装在直线导轨系统II上，直线导轨系统I运动方向平行于连接盘轴线方向，实现涡轮轴相对连接盘的进给对接运动。
所述的转位式拧紧系统由龙门式移动台、拧紧轴、拧紧轴安装轴承和直线导轨系统II组成；直线导轨系统II安装于床身两侧，龙门式移动台安装在直线导轨系统II上，直线导轨系统II运动方向平行于连接盘轴线方向，实现转位式拧紧系统从涡轮轴尾端进给至前端工作区，进给运动过程中龙门式移动台的架空部分跨过涡轮轴位姿调整台，并与处于水平工位的涡轮轴支撑杆I、涡轮轴支撑杆II不发生空间干涉；拧紧轴安装轴承位于龙门式移动台上方，单个或多个拧紧轴安装在拧紧轴安装轴承上，拧紧轴安装轴承旋转轴线与连接盘轴线同轴，实现拧紧轴转位至对应圆周分布螺栓的拧紧工位。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
1、本发明采用低压涡轮轴-盘轴线水平的安装方式，便于在对接过程中对长度较大的低压涡轮轴进行位置和姿态的精密调整，实现涡轮轴相对连接盘的对心定位校准和端面正确紧密贴合，提高对接装配精度。
2、本发明采用转位式拧紧系统，单个或多个拧紧轴旋转至工位的方式提高作业效率，应用拧紧轴可有效控制螺栓预紧力偏差，确保拧紧质量；采用龙门式移动台配合涡轮轴支撑杆I、涡轮轴支撑杆II依次避让方式，解决拧紧系统进给过程中运动干涉问题。
3、本发明具有结构静态刚度高和运动稳定性好的特点，各功能部件布局合理，整体结构紧凑。
4、本发明具有自动化程度高的特点，提高工作效率，减少工人技能要求和劳动强度。
5、本发明置通过改变轴、盘组件夹具的结构，适用于多种规格型号航空发动机低压涡轮轴-盘组件装配，也适用于其它类似结构形式的轴-盘组件装配，具备较高扩展性。
附图说明
图1是航空发动机低压涡轮轴-盘组件装配装置的结构示意图。
图2是涡轮轴调姿对接系统的结构示意图。
图3是转位式拧紧系统的结构示意图。
图4是应用装置进行涡轮轴位姿调整的工作示意图。
图5是应用装置进行涡轮轴对接预装的工作示意图。
图6是应用装置进行龙门式移动台进给至前端工作区第一步的工作示意图。
图7是应用装置进行龙门式移动台进给至前端工作区第二步和拧紧轴转位式作业的工作示意图。
图中：1、涡轮夹具，2、涡轮轴调姿对接系统，3、转位式拧紧系统，4、床身，5、涡轮单元体，6、滚轮式卡爪I，7、涡轮轴支撑杆I，8、支撑杆轴承I，9、滚轮式卡爪II，10、涡轮轴支撑杆II，11、支撑杆轴承II，12、涡轮轴位姿调整台，13、涡轮轴位姿调整台底座，14、直线导轨系统I，15、涡轮轴，16、连接盘，17、龙门式移动台，18、拧紧轴，19、拧紧轴安装轴承，20、直线导轨系统II。
具体实施方式
以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。
如图1-3所示，一种航空发动机低压涡轮轴-盘组件装配装置，包括涡轮夹具1、涡轮轴调姿对接系统2、转位式拧紧系统3和床身4。
如图1所示，所述的涡轮夹具1位于床身4端部，实现涡轮单元体5的轴线为水平方向的固定安装。
如图2所示，所述的涡轮轴调姿对接系统2位于床身4中部，由滚轮式卡爪I6、涡轮轴支撑杆I7、支撑杆轴承I8、滚轮式卡爪II9、涡轮轴支撑杆II10、支撑杆轴承II11、涡轮轴位姿调整台12、涡轮轴位姿调整台底座13和直线导轨系统I14组成；涡轮轴支撑杆I7底端通过支撑杆轴承I8安装在涡轮轴位姿调整台12端部，涡轮轴支撑杆I7可围绕支撑杆轴承I8进行90°转动，即具有竖直和水平二个工位，分别实现涡轮轴15支撑功能和转位式拧紧系统3进给过程避让功能；滚轮式卡爪I6位于涡轮轴支撑杆I10顶端，滚轮式卡爪I6上安装有多个周向分布的滚轮，实现对涡轮轴15尾端的定心夹紧；涡轮轴支撑杆II10底端通过支撑杆轴承II11安装在涡轮轴位姿调整台12另一端部，涡轮轴支撑杆II10可围绕支撑杆轴承II11进行90°转动，即具有竖直和水平二个工位，分别实现涡轮轴15支撑功能和转位式拧紧系统3进给过程避让功能；滚轮式卡爪II9位于涡轮轴支撑杆II10顶端，滚轮式卡爪II9上安装有多个周向分布的滚轮，实现对涡轮轴15前端的定心夹紧，滚轮式卡爪I6定心轴线和滚轮式卡爪II9定心轴线在水平面内同轴，实现对涡轮轴15的轴线为水平方向的安装；涡轮轴位姿调整台12安装在涡轮轴位姿调整台底座13上方，具有相对涡轮轴位姿调整台底座13水平面摆转、竖直面俯仰、水平横移和竖直升降等运动功能，实现其上安装的涡轮轴15相对连接盘16的连接接触端面平行校准运动和同心校准运动，涡轮轴位姿调整台底座13通过直线导轨系统I14安装于床身4上，直线导轨系统I14运动方向平行于连接盘16轴线方向，实现涡轮轴15相对连接盘16的进给对接运动。
如图7所示，所述的转位式拧紧系统3由龙门式移动台17、拧紧轴18、拧紧轴安装轴承19和直线导轨系统II20组成；龙门式移动台17通过直线导轨系统II20安装于床身4上，直线导轨系统II20运动方向平行于连接盘16轴线方向，实现转位式拧紧系统3从涡轮轴15尾端进给至前端工作区，进给运动过程中龙门式移动台17的架空部分可跨过涡轮轴位姿调整台12，并与处于水平工位的涡轮轴支撑杆I7、涡轮轴支撑杆II10不发生空间干涉；拧紧轴安装轴承19位于龙门式移动台17上方，单个或多个拧紧轴18安装在拧紧轴安装轴承19上，拧紧轴安装轴承19旋转轴线与连接盘16轴线同轴，实现拧紧轴18转位至对应圆周分布螺栓的拧紧工位。
如图1、图4-7所示，本发明的工作方法如下，：
(1)工件安装：如图1所示，涡轮单元体5固定安装于涡轮夹具1上，其轴线处于水平方向；涡轮轴15尾端通过滚轮式卡爪I6安装在处于竖直工位的涡轮轴支撑杆I7上，另一端端通过滚轮式卡爪II9安装在处于竖直工位的涡轮轴支撑杆II10上，涡轮轴15轴线处于水平方向；
(2)涡轮轴位姿调整：如图4所示，通过观察和测量涡轮轴15与连接盘16的连接定位接触面的端面平行度偏差和轴心偏差，进行涡轮轴位姿调整台12运动作业，通过涡轮轴位姿调整台12水平面摆转(B转轴)、竖直面俯仰(A转轴)实现涡轮轴15相对连接盘16的端面平行校准，通过涡轮轴位姿调整台12的水平横移(Y直线轴)、竖直升降(Z直线轴)实现涡轮轴15相对连接盘16的同心校准；比对涡轮轴15相对连接盘16的连接孔周向相位差，驱动滚轮式卡爪上的滚轮带动涡轮轴15沿轴线转动(C转轴)，完成连接孔相位校准并锁定滚轮；
(3)涡轮轴对接预装：如图5所示，驱动涡轮轴位姿调整台底座13沿直线导轨系统I14进给运动(X直线轴)，完成涡轮轴15相对连接盘16的对接，进行连接螺栓预装；
(4)龙门式移动台进给至前端工作区：如图6-7所示，滚轮式卡爪I6松开，涡轮轴支撑杆I7绕支撑杆轴承I8转位90°至水平工位，涡轮轴15由涡轮轴支撑杆II10和连接盘16处预装螺栓提供支撑，龙门式移动台17沿直线导轨系统II20位移(X直线轴)至涡轮轴支撑杆I7与涡轮轴支撑杆II10之间，涡轮轴支撑杆I7绕支撑杆轴承I8反向转位90°返回至竖直工位，滚轮式卡爪I6夹紧；滚轮式卡爪II9松开，涡轮轴支撑杆II10绕支撑杆轴承II11转位90°至水平工位，涡轮轴15由涡轮轴支撑杆I7和连接盘16处预装螺栓提供支撑，龙门式移动台17沿直线导轨系统II20位移(X直线轴)至涡轮轴15前端的拧紧工作区；
(5)拧紧轴转位式作业：如图7所示，安装于龙门式移动台17上端拧紧轴安装轴承19上的单个或多个拧紧轴18转位(C转轴)至对应拧紧螺栓处进行拧紧，拧紧轴安装轴承19驱动拧紧轴18按拧紧顺序工艺转位(C转轴)至下一个或一组螺栓进行拧紧，以此类推直至完成全部螺栓拧紧工作。
本发明不局限于本实施例，任何在本发明披露的技术范围内的等同构思或者改变，均列为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种航空发动机低压涡轮轴-盘组件的装配装置，其特征在于：包括涡轮夹具(1)、涡轮轴调姿对接系统(2)、转位式拧紧系统(3)和床身(4)；
所述的涡轮夹具(1)位于床身(4)端部，实现涡轮单元体(5)的轴线为水平方向的固定安装；
所述的涡轮轴调姿对接系统(2)位于床身(4)中部，由滚轮式卡爪I(6)、涡轮轴支撑杆I(7)、支撑杆轴承I(8)、滚轮式卡爪II(9)、涡轮轴支撑杆II(10)、支撑杆轴承II(11)、涡轮轴位姿调整台(12)、涡轮轴位姿调整台底座(13)和直线导轨系统I(14)组成；涡轮轴支撑杆I(7)底端通过支撑杆轴承I(8)安装在涡轮轴位姿调整台(12)端部，涡轮轴支撑杆I(7)围绕支撑杆轴承I(8)进行90°转动，即具有竖直和水平二个工位，分别实现涡轮轴(15)支撑功能和转位式拧紧系统(3)进给过程避让功能；滚轮式卡爪I(6)位于涡轮轴支撑杆I(7)顶端，滚轮式卡爪I(6)上安装有多个周向分布的滚轮，实现对涡轮轴(15)尾端的定心夹紧；涡轮轴支撑杆II(10)底端通过支撑杆轴承II(11)安装在涡轮轴位姿调整台(12)另一端部，涡轮轴支撑杆II(10)围绕支撑杆轴承II(11)进行90°转动，即具有竖直和水平二个工位，分别实现涡轮轴(15)支撑功能和转位式拧紧系统(3)进给过程避让功能；滚轮式卡爪II(9)位于涡轮轴支撑杆II(10)顶端，滚轮式卡爪II(9)上安装有多个周向分布的滚轮，实现对涡轮轴(15)前端的定心夹紧，滚轮式卡爪I(6)定心轴线和滚轮式卡爪II(9)定心轴线在水平面内同轴，实现对涡轮轴(15)的轴线为水平方向的安装；涡轮轴位姿调整台(12)安装在涡轮轴位姿调整台底座(13)上方，具有相对涡轮轴位姿调整台底座(13)水平面摆转、竖直面俯仰、水平横移和竖直升降的功能，实现涡轮轴位姿调整台(12)上安装的涡轮轴(15)相对连接盘(16)的接触端面平行校准运动和同心校准运动，直线导轨系统I(14)安装于床身(4)上，位于直线导轨系统II(20)的内侧，涡轮轴位姿调整台(12)安装在直线导轨系统II(20)上，直线导轨系统I(14)运动方向平行于连接盘(16)轴线方向，实现涡轮轴(15)相对连接盘(16)的进给对接运动；
所述的转位式拧紧系统(3)由龙门式移动台(17)、拧紧轴(18)、拧紧轴安装轴承(19)和直线导轨系统II(20)组成；直线导轨系统II(20)安装于床身(4)两侧，龙门式移动台(17)安装在直线导轨系统II(20)上，直线导轨系统II(20)运动方向平行于连接盘(16)轴线方向，实现转位式拧紧系统(3)从涡轮轴(15)尾端进给至前端工作区，进给运动过程中龙门式移动台(17)的架空部分跨过涡轮轴位姿调整台(12)，并与处于水平工位的涡轮轴支撑杆I(7)、涡轮轴支撑杆II(10)不发生空间干涉；拧紧轴安装轴承(19)位于龙门式移动台(17)上方，单个或多个拧紧轴(18)安装在拧紧轴安装轴承(19)上，拧紧轴安装轴承(19)旋转轴线与连接盘(16)轴线同轴，实现拧紧轴(18)转位至对应圆周分布螺栓的拧紧工位。
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