CN109093379A - 低压涡轮单元体智能装配平台 - Google Patents

低压涡轮单元体智能装配平台 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种低压涡轮单元体智能装配平台，用于航空发动机整机装配，其包括：底座、风扇核心机姿态调节系统和低压涡轮单元体位置调节系统；所述风扇核心机姿态调节系统固定在所述底座的一端，在所述风扇核心机姿态调节系统上安装有所述风扇核心机；所述低压涡轮单元体位置调节系统固定在所述底座的另一端，在所述低压涡轮单元体位置调节系统上安装有所述低压涡轮单元体；所述低压涡轮单元体与所述风扇核心机连接，所述低压涡轮单元体具有四个运动自由度，所述风扇核心机具有两个运动自由度。本发明能够提高装配精度、降低零件损伤、提高装配效率且降低装配劳动量。

Description

低压涡轮单元体智能装配平台
技术领域
本发明涉及航空发动机装配领域，特别涉及一种低压涡轮单元体智能装配平台。
背景技术
民用涡扇航空发动机主要结构包括风扇单元体、核心机单元体和低压涡轮单元体，具有结构复杂、尺寸大、精度高、重量大等特点。其中，低压涡轮单元体包括低压涡轮轴、低压涡轮转子和低压涡轮机匣等，重量集中于后端，即低压涡轮转子/机匣端。民用涡扇航空发动机整机装配过程中低压涡轮单元体的安装属于深孔装配，装配难度大。
某新型民用涡扇航空发动机的低压涡轮轴长度1900mm，重量800kg，其前端与风扇轴采用花键连接，位于发动机内部，双短止口配合，止口间的配合分别为间隙0-0.067mm、间隙0-0.057mm；低压涡轮机匣与级间机匣连接，采用短止口定心，止口的配合要求为间隙0.005mm-过盈0.3mm，通过108个螺栓连接固定；低压涡轮轴后侧封严篦齿与NO.4支点后密封静止件封严间隙为0.2mm-0.276mm,低压涡轮转子前封严篦齿与级间机匣封严组件配合间隙为0.2mm-0.28mm。
该发动机整机装配中低压涡轮安装要求：首先，需要同时保证低压涡轮轴前端与风扇轴配合止口对正，低压涡轮机匣与级间机匣配合止口对正，低压涡轮轴、低压涡轮转子两处封严配合处对正，才能满足风扇核心机组合件与低压涡轮单元体的定心要求；其次，需对正低压涡轮机匣与级间机匣安装边螺纹连接孔位，低压涡轮轴与风扇轴花键角度，才能满足低压涡轮单元体安装周向定位要求。只有满足以上要求才可实现低压涡轮单元体的安装。
目前，整机装配中低压涡轮安装由操作人员使用吊车和专用工装完成，由于低压涡轮单元体与风扇核心机组合件的各处配合面位于发动机内部，无法观测。同时满足以上装配要求极其困难，通常依靠操作人员的直观感受和经验。此外，由于低压涡轮单元体轴向尺寸长，后端发生微小变化在低压涡轮轴前端都会被放大数倍，不仅影响配合止口的对正，也容易造成零件损伤。因此，这种装配方法难以满足低压涡轮高精度装配需求，装配效率低，人工劳动量大，且容易损伤零件。
如上所述，现有技术涡扇航空发动机的整机装配具有如下技术问题：
一、长距离小间隙精确对接：低压涡轮轴长度达到1900mm，其前端与风扇轴连接，位于发动机内部，双短止口配合，止口间的配合分别为间隙0-0.067mm、间隙0-0.057mm，低压涡轮单元体安装时需解决深度1900mm处两段配合止口高精度定心需求。
二、多处同时定心：低压涡轮单元体安装时需要同时保证低压涡轮轴前端与风扇轴配合止口对正，低压涡轮机匣与级间机匣配合止口对正，低压涡轮轴、低压涡轮转子两处封严配合处对正，才能满足风扇核心机组合件与低压涡轮单元体的定心要求。
三、套齿角向对正：低压涡轮轴前端与风扇轴采用花键连接，安装时需对正低压涡轮轴与风扇轴花键套齿角向位置。
四、静子角向对正：低压涡轮机匣与级间机匣连接，采用短止口定心，通过108个螺栓连接固定，安装时需对正低压涡轮机匣与级间机匣安装边螺纹连接孔位。
五、深孔盲装：低压涡轮单元体与风扇核心机组合件的各处配合面位于发动机内部，无法观测。
发明内容
本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中涡扇航空发动机难以满足高精度装配要求且装配效率低等缺陷，提供一种低压涡轮单元体智能装配平台。
本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：
一种低压涡轮单元体智能装配平台，用于航空发动机整机装配，其特点在于，所述低压涡轮单元体智能装配平台包括：底座、风扇核心机姿态调节系统和低压涡轮单元体位置调节系统；
所述风扇核心机姿态调节系统固定在所述底座的一端，在所述风扇核心机姿态调节系统上安装有风扇核心机；
所述低压涡轮单元体位置调节系统固定在所述底座的另一端，在所述低压涡轮单元体位置调节系统上安装有低压涡轮单元体；
所述低压涡轮单元体与所述风扇核心机连接，所述低压涡轮单元体具有四个运动自由度，所述风扇核心机具有两个运动自由度。
根据本发明的一个实施例，所述低压涡轮单元体的四个运动自由度分别由沿X轴运动的运动机构、沿Y轴运动的运动机构、沿Z轴运动的运动机构和绕X轴旋转的运动机构实现。
根据本发明的一个实施例，所述沿X轴运动的运动机构采用滑轨导向，伺服电机驱动且齿轮齿条传动；所述沿Y轴运动的运动机构采用线性马达。
根据本发明的一个实施例，所述沿Z轴运动的运动机构采用导向轴和电动缸；所述绕X轴旋转的运动机构采用伺服电机和RV精密减速机。
根据本发明的一个实施例，所述沿X轴运动的运动机构的移动范围为[0mm,1.7839m]；所述沿Y轴运动的运动机构的移动范围为[-150mm,150mm]；所述沿Z轴运动的运动机构的移动范围为[-90mm,-210mm]；所述沿X轴旋转的运动机构的旋转范围为[-180°,180°]。
根据本发明的一个实施例，所述风扇核心机的两个运动自由度分别由绕Y轴摆动的运动机构和绕Z轴旋转的运动机构实现。
根据本发明的一个实施例，所述绕Y轴摆动的运动机构采用双电动杆和伺服电机驱动；所述绕Z轴旋转的运动机构采用回转支撑、RV减速机和伺服电机驱动。
根据本发明的一个实施例，所述低压涡轮单元体智能装配平台还包括光学定位机构，所述光学定位机构包括高精度超声波测量传感器系统、高精度激光测量传感器系统和激光跟踪与引导测量系统。
根据本发明的一个实施例，所述高精度超声波测量传感器系统包括三个高精度超声波测距传感器；所述高精度激光测量传感器系统包括三个高精度激光测距传感器；所述激光跟踪与引导测量系统包括激光发射器、激光跟踪头和控制器。
根据本发明的一个实施例，所述低压涡轮单元体智能装配平台还包括六维力碰撞检测感知系统，所述六维力碰撞检测感知系统通过六维力传感器测量物体受到的空间全力信息。
本发明的积极进步效果在于：
本发明低压涡轮单元体智能装配平台具有如下优点：
一、提高装配精度：采用光学定位、高精度六自由度平台，实现装配过程高精度检测，姿态精密调整，实现高精度装配。
二、降低零件损伤：通过智能装配平台，光学传感器，实现深孔检测和观测，有效降低零件碰撞的发生，通过六维力碰撞检测感知系统，实现降低碰撞损伤程度。
三、提高装配效率：通过应用智能装配平台，提高装配合格率，提高装配效率。
四、降低装配劳动量：通过应用智能装配平台，操作人员只需控制平台就可实现低压涡轮单元体的安装，大量减少操作人员的劳动量。
附图说明
本发明上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变的更加明显，在附图中相同的附图标记始终表示相同的特征，其中：
图1为本发明低压涡轮单元体智能装配平台的结构示意图。
图2为本发明低压涡轮单元体智能装配平台中低压涡轮单元体的运动自由度示意图。
图3为本发明低压涡轮单元体智能装配平台中风扇核心机的运动自由度示意图。
图4为本发明低压涡轮单元体智能装配平台中光学定位机构的示意图。
图5为本发明低压涡轮单元体智能装配平台中光学定位机构的测量示意图。
图6为图5中光学定位机构的侧视图。
图7为本发明低压涡轮单元体智能装配平台中六维力碰撞检测感知系统的示意图。
图8为图7中沿Zs、Ys方向运动的平面图。
图9为本发明低压涡轮单元体智能装配平台中六维力碰撞检测感知系统的六维力传感器的示意图及坐标系统。
具体实施方式
为让本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，以下结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明。
现在将详细参考附图描述本发明的实施例。现在将详细参考本发明的优选实施例，其示例在附图中示出。在任何可能的情况下，在所有附图中将使用相同的标记来表示相同或相似的部分。此外，尽管本发明中所使用的术语是从公知公用的术语中选择的，但是本发明说明书中所提及的一些术语可能是申请人按他或她的判断来选择的，其详细含义在本文的描述的相关部分中说明。此外，要求不仅仅通过所使用的实际术语，而是还要通过每个术语所蕴含的意义来理解本发明。
图1为本发明低压涡轮单元体智能装配平台的结构示意图。
如图1所示，本发明公开了一种低压涡轮单元体智能装配平台，其包括：底座10、风扇核心机姿态调节系统20、风扇核心机30、低压涡轮单元体40和低压涡轮单元体位置调节系统50。其中，风扇核心机姿态调节系统20固定在底座10的一端，风扇核心机30安装在风扇核心机姿态调节系统20上。低压涡轮单元体位置调节系统50固定在底座10的另一端，低压涡轮单元体40安装在低压涡轮单元体位置调节系统50上。
图2为本发明低压涡轮单元体智能装配平台中低压涡轮单元体的运动自由度示意图。图3为本发明低压涡轮单元体智能装配平台中风扇核心机的运动自由度示意图。
如图2和图3所示，此处的低压涡轮单元体40与风扇核心机30连接，低压涡轮单元体40具有四个运动自由度，风扇核心机30具有两个运动自由度。
具体地说，低压涡轮单元体40的四个运动自由度分别由沿X轴运动的运动机构41、沿Y轴运动的运动机构42、沿Z轴运动的运动机构43和绕X轴旋转的运动机构44实现。其中，沿X轴运动的运动机构41采用滑轨导向，伺服电机驱动且齿轮齿条传动，沿Y轴运动的运动机构42采用线性马达，沿Z轴运动的运动机构43采用导向轴和电动缸，绕X轴旋转的运动机构44采用伺服电机和RV精密减速机。
特别优选地，沿X轴运动的运动机构41的移动范围为[0mm,1.7839m]；沿Y轴运动的运动机构42的移动范围为[-150mm,150mm]，通过直线电机实现。沿Z轴运动的运动机构43的移动范围为[-90mm,210mm]，通过带导向的电动缸(行程300mm)实现。沿X轴旋转的运动机构44的旋转范围为[-180°,180°]。
风扇核心机30的两个运动自由度分别由绕Y轴摆动的运动机构31和绕Z轴旋转的运动机构32实现。特别优选地，绕Y轴摆动的运动机构31采用双电动杆和伺服电机驱动，绕Z轴旋转的运动机构32采用回转支撑、RV减速机和伺服电机驱动。其中，绕Y轴方向的旋转范围为(-2.5451°，+5.9386°)。绕Z方向的旋转范围为(-5°，+5°)。绕Z轴方向的旋转通过RV减速器和伺服电机实现。
本发明低压涡轮单元体智能装配平台采用了六个自由度运动平台，此处的六个自由度在物体上分为两组：在风扇核心机侧有两个自由度，为绕Z轴的旋转和绕Y轴的摆动。在低压涡轮单元体侧有四个自由度，为绕X轴的旋转，沿X轴的直线运动、沿Y轴的直线运动和沿Z轴的直线运动。通过合理布局六个运动自由度，使各个运动自由度之间没有耦合，形成了一种并联机构，消除了传统串联机构的误差累积效应。各个运动自由度都通过独立伺服电机来控制，消除了传统并联机构复杂的控制算法计算。因此控制算法简单，实时性好，控制精度高。
图4为本发明低压涡轮单元体智能装配平台中光学定位机构的示意图。图5为本发明低压涡轮单元体智能装配平台中光学定位机构的测量示意图。图6为图5中光学定位机构的侧视图。
如图4至图6所示，所述低压涡轮单元体智能装配平台还包括光学定位机构60，光学定位机构60包括高精度超声波测量传感器系统、高精度激光测量传感器系统和激光跟踪与引导测量系统。
其中，优选地，所述高精度超声波测量传感器系统包括三个高精度超声波测距传感器61，所述高精度激光测量传感器系统包括三个高精度激光测距传感器62，所述激光跟踪与引导测量系统包括激光发射器63、激光跟踪头和控制器64。
所述高精度超声波测量传感器系统的安装位置和布局方式基本与所述高精度激光测量传感器系统相同。其不同之处在于测量位置的不一样。三个超声波测距传感器61用于测量低压涡轮轴与风扇核心机精密配合段之前的距离较远的相对位置姿态，并计算偏差，即低压涡轮和风扇核心机单元体后端的相对偏差，并反馈给智能控制系统。然而，三个激光测距传感器62用于测量低压涡轮轴与风扇核心机单元体短止口精密配合段的相对位置姿态，并计算偏差，反馈给智能控制系统。这两组位置姿态构成完整的低压涡轮轴与风扇核心机单元体的相对位置姿态关系。
如图5所示，三个高精度激光测距传感器62安装在低压涡轮轴前端的智能引导头65上，测量低压涡轮轴前端与风扇核心机30单元体内部的情况。在智能引导头65中，有三个激光测距传感器62，测量智能引导头65周围环境的距离66，构建环境的模型。智能引导头65的数据通过无线ZIGBEE方式传输。
本发明低压涡轮单元体智能装配平台采用激光、超声波等光学传感器，构建光学定位系统，实现风扇核心机组件与低压涡轮单元体同轴度检测和导向，机匣安装边孔位同轴度检测，为平台姿态调整提供数据。
图7为本发明低压涡轮单元体智能装配平台中六维力碰撞检测感知系统的示意图。图8为图7中沿Zs、Ys方向运动的平面图。图9为本发明低压涡轮单元体智能装配平台中六维力碰撞检测感知系统的六维力传感器的示意图及坐标系统。
如图7至图9所示，本发明低压涡轮单元体智能装配平台还包括六维力碰撞检测感知系统70。这里的六维力碰撞检测感知系统70包括低涡工装71、六维力传感器72、低涡静子73和低涡转子。六维力碰撞检测感知系统70主要通过六维力传感器72(力矩传感器)测量物体受到的空间全力信息。
具体地说，六维力传感器72(力矩传感器)能够测量物体受到的空间全力信息，即三维力信息Fx、Fy、Fz与三维力矩信息Mx、My、Mz。智能平台低压涡轮侧具有X、Y、Z三个坐标方向的运动调节能力。
六维力传感器72与低压涡轮和风扇核心机姿态之间的调节关系是非线性的。采用具有学习功能的基于力感知的智能控制算法可以建立起六维力传感器中力的大小、方向与低压涡轮、风扇核心机姿态之间的非线性模型。由于伺服电机的旋转角度与低压涡轮和风扇核心机的姿态之间的关系是线性关系，因此也就是可以建立起六维力传感器力的大小、方向与伺服电机的旋转角度之间的非线性模型。基于力感知的智能学习控制算法输入参数为六个：三维力信息Fx、Fy、Fz与三维力矩信息Mx、My、Mz。输出结果为六个：X、Y、Z、RX、RY、RZ。
本发明低压涡轮单元体智能装配平台利用六维力碰撞检测感知系统，能够顺利地完成低压涡轮轴轴端花键与风扇核心机花键孔的对正插入。
本发明低压涡轮单元体智能装配平台采用六维力/力矩传感器测量物体受到的空间全力信息，建立起六维力传感器中力的大小、方向与低压涡轮、风扇核心机姿态之间的非线性模型，基于力感知的智能学习控制算法，实现低压涡轮轴轴端花键与风扇核心机花键孔的对正插入。
根据上述结构描述可知，本发明低压涡轮单元体智能装配平台应用智能机器人技术、智能传感器技术、实时控制技术，研制专用智能装配平台，具备整机装配中低压涡轮安装的高精度导航与定位、六自由度姿态调整、智能感知与决策、智能控制等功能，可以有效地实现商用航空发动机低压涡轮单元体安装过程的智能装配与检测以及远程监控。
综上所述，本发明低压涡轮单元体智能装配平台具有如下优点：
一、提高装配精度：采用光学定位、高精度六自由度平台，实现装配过程高精度检测，姿态精密调整，实现高精度装配。
二、降低零件损伤：通过智能装配平台，光学传感器，实现深孔检测和观测，有效降低零件碰撞的发生，通过六维力碰撞检测感知系统，实现降低碰撞损伤程度。
三、提高装配效率：通过应用智能装配平台，提高装配合格率，提高装配效率。
四、降低装配劳动量：通过应用智能装配平台，操作人员只需控制平台就可实现低压涡轮单元体的安装，大量减少操作人员的劳动量。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式作出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种低压涡轮单元体智能装配平台，用于航空发动机整机装配，其特征在于，所述低压涡轮单元体智能装配平台包括：底座、风扇核心机姿态调节系统和低压涡轮单元体位置调节系统；
所述风扇核心机姿态调节系统固定在所述底座的一端，在所述风扇核心机姿态调节系统上安装有风扇核心机；
所述低压涡轮单元体位置调节系统固定在所述底座的另一端，在所述低压涡轮单元体位置调节系统上安装有低压涡轮单元体；
所述低压涡轮单元体与所述风扇核心机连接，所述低压涡轮单元体具有四个运动自由度，所述风扇核心机具有两个运动自由度。
2.如权利要求1所述的低压涡轮单元体智能装配平台，其特征在于，所述低压涡轮单元体的四个运动自由度分别由沿X轴运动的运动机构、沿Y轴运动的运动机构、沿Z轴运动的运动机构和绕X轴旋转的运动机构实现。
3.如权利要求2所述的低压涡轮单元体智能装配平台，其特征在于，所述沿X轴运动的运动机构采用滑轨导向，伺服电机驱动且齿轮齿条传动；所述沿Y轴运动的运动机构采用线性马达。
4.如权利要求2所述的低压涡轮单元体智能装配平台，其特征在于，所述沿Z轴运动的运动机构采用导向轴和电动缸；所述绕X轴旋转的运动机构采用伺服电机和RV精密减速机。
5.如权利要求2所述的低压涡轮单元体智能装配平台，其特征在于，所述沿X轴运动的运动机构的移动范围为[0mm,1.7839m]；所述沿Y轴运动的运动机构的移动范围为[-150mm,150mm]；所述沿Z轴运动的运动机构的移动范围为[-90mm,-210mm]；所述沿X轴旋转的运动机构的旋转范围为[-180°,180°]。
6.如权利要求1所述的低压涡轮单元体智能装配平台，其特征在于，所述风扇核心机的两个运动自由度分别由绕Y轴摆动的运动机构和绕Z轴旋转的运动机构实现。
7.如权利要求6所述的低压涡轮单元体智能装配平台，其特征在于，所述绕Y轴摆动的运动机构采用双电动杆和伺服电机驱动；所述绕Z轴旋转的运动机构采用回转支撑、RV减速机和伺服电机驱动。
8.如权利要求1所述的低压涡轮单元体智能装配平台，其特征在于，所述低压涡轮单元体智能装配平台还包括光学定位机构，所述光学定位机构包括高精度超声波测量传感器系统、高精度激光测量传感器系统和激光跟踪与引导测量系统。
9.如权利要求8所述的低压涡轮单元体智能装配平台，其特征在于，所述高精度超声波测量传感器系统包括三个高精度超声波测距传感器；所述高精度激光测量传感器系统包括三个高精度激光测距传感器；所述激光跟踪与引导测量系统包括激光发射器、激光跟踪头和控制器。
10.如权利要求9所述的低压涡轮单元体智能装配平台，其特征在于，所述低压涡轮单元体智能装配平台还包括六维力碰撞检测感知系统，所述六维力碰撞检测感知系统通过六维力传感器测量物体受到的空间全力信息。
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