CN116276005A - 一种航空发动机盲腔紧固件液压拧紧装配系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种航空发动机盲腔紧固件液压拧紧装配系统及方法，涉及发动机装配技术与装备领域。系统包括螺母拧紧机构、送螺母机构以及安装于机架上的第一支架和显示屏；送螺母机构用于从多级轮盘的一端沿涡轮轴孔伸入，将螺母送入从多级轮盘另一端伸入的螺母拧紧机构的工作头上；螺母拧紧机构具有由4个转动轴和1个移动轴构成的5个自由度，包括定位座、伸缩臂、中摆臂、上摆臂和工作头。在使用时，将涡轮叶片固定后，利用送螺母机构和螺母拧紧机构相互协同工作，并通过液压系统和控制系统，实现盲腔紧固件的拧紧和精准力矩控制。本发明具有实现涡轮叶片盲腔内液压拧紧且精准控制拧紧力矩，并进行实时监控拧紧过程的功能。

Description

一种航空发动机盲腔紧固件液压拧紧装配系统及方法

技术领域

本发明涉及发动机装配技术与装备领域，具体是一种航空发动机盲腔紧固件液压拧紧装配系统及方法。

背景技术

在航空发动机装配过程中，某些型号的涡轮航空发动机中的三级轮盘之间需要通过12颗螺钉相连接，然而螺钉处在三级轮盘之间狭小的盲腔内。盲腔为狭小扁圆柱空间，位于涡轮轴孔内部，其半径约137mm，最大高度约59mm，周向分布12颗螺钉，螺钉轴线距盲腔内壁10mm，需要将12颗螺母与螺钉相拧紧，拧紧力矩25N·m。但是盲腔位于涡轮轴孔的内部，工作空间极其狭小，普通的机械臂无法伸入盲腔内部，同时也无法提供足够的扭矩拧紧螺钉。目前的操作方法为手工拧紧螺钉螺母，操作极为不便且费力，同时也无法保证提供扭矩，这在航空发动机装配过程留下了很大的安全隐患。如何方便快速对航空发动机盲腔内紧固件进行相应的拧紧，并且保证足够的扭矩，领域内缺乏相应的装配系统。

发明内容

针对现有技术的不足之处，本发明的目的在于设计开发一套盲腔紧固件装配系统，该系统可实现狭小盲腔内12颗螺钉与螺母的拧紧，同时具备拧紧力矩控制系统，可保证满足所需力矩。该系统还带有盲腔内部可视等功能，最大限度地提高了盲腔紧固件装配效率。

本发明所采用的具体技术方案如下：

第一方面，本发明提供了一种航空发动机盲腔紧固件液压拧紧装配系统，包括螺母拧紧机构、送螺母机构以及安装于机架上的第一支架和显示屏；所述第一支架位于机架顶部的工作台面上，用于固定待装配的多级轮盘，使多级轮盘呈涡轮轴孔水平且盲孔竖直的状态；所述送螺母机构用于从多级轮盘的一端沿涡轮轴孔伸入，将螺母送入从多级轮盘另一端伸入的螺母拧紧机构的工作头上；

所述螺母拧紧机构具有由4个转动轴和1个移动轴构成的5个自由度，包括定位座、伸缩臂、中摆臂、上摆臂和工作头；所述定位座上设有能使螺母拧紧机构整体绕X轴转动的手轮，内端部设有与涡轮轴孔尺寸相匹配的轴孔定位件；所述伸缩臂滑动连接于定位座上，通过固定于定位座上的液压缸驱动实现X轴向平移，伸缩臂的内端部转动连接有中摆臂；所述中摆臂与伸缩臂相连的一端通过第一液压摆动缸驱动实现绕Y轴的转动，另一端转动连接有上摆臂；所述上摆臂与中摆臂相连的一端通过第二液压摆动缸驱动实现绕Y轴的转动，另一端设有用于绕X轴转动以将螺母拧紧的工作头；所述工作头处设有带光源的微型摄像头，微型摄像头获取的盲腔内部影像能实时反应在显示屏上。

作为优选，所述送螺母机构包括推杆座、轴孔定位座、推杆、定位销和螺母弹性夹头；所述推杆座上固定有与涡轮轴孔尺寸相匹配的轴孔定位座，一端设有用于夹持螺母的螺母弹性夹头和用于与螺母拧紧机构定位装配的定位销；所述推杆座上设有能沿轴向移动的推杆；所述推杆的一端滑动连接于推杆座上，另一端与螺母弹性夹头处于同一水平面，通过移动推杆能将夹持于螺母弹性夹头上的螺母推出并进入螺母拧紧机构的工作头。

进一步的，所述工作头上开设有与所述定位销匹配的销孔。

作为优选，所述工作头处设有棘轮机构，通过第三液压摆动缸驱动棘轮实现工作头的单方向旋转与拧紧。

作为优选，所述机架上还设有控制系统和液压系统；所述控制系统与显示屏相连，液压系统与液压缸、第一液压摆动缸、第二液压摆动缸和第三液压摆动缸相连以提供液压驱动力，控制系统通过液压系统能调整螺母拧紧机构五个自由度的运动情况。

进一步的，所述液压系统置于液压系统下方的机架上，控制系统安装于控制柜中，控制柜固定于机架侧方。

作为优选，所述第一液压摆动缸的一侧带齿，其往复运动能驱动多级齿轮啮合传动，最后一级齿轮与中摆臂和伸缩臂之间的转动轴相连，带动中摆臂整体绕Y轴转动。

作为优选，所述第二液压摆动缸其往复运动能驱动多级齿轮啮合传动，最后一级齿轮与上摆臂和中摆臂之间的转动轴相连，带动上摆臂整体绕Y轴转动。

作为优选，所述工作台面上还设有用于放置螺母拧紧机构的第二支架。

第二方面，本发明提供了一种利用第一方面任一所述航空发动机盲腔紧固件液压拧紧装配系统的装配方法，具体如下：

S1：将需要进行装配的多级轮盘以盲腔竖直且涡轮轴孔水平的状态固定于第一支架上，随后将螺母拧紧机构通过轴孔定位件从多级轮盘的一端卡入涡轮轴孔内，通过调节伸缩臂沿X轴向平移，使工作头位于目标盲腔中；

S2：在送螺母机构的螺母弹性夹头上放置螺母，随后将送螺母机构从多级轮盘的另一端卡入涡轮轴孔内并与螺母拧紧机构装配定位，通过移动推杆将螺母送入工作头中，随后将送螺母机构撤出目标盲腔；

S3：利用显示屏通过微型摄像头获取的盲腔内部影像，通过控制中摆臂、上摆臂与伸缩臂之间的协同工作，带动工作头靠近待安装的目标螺钉并将螺母推入，随后工作头绕X轴转动以将螺母拧紧；

S4：将螺母拧紧机构复位，重复步骤S2～S3；在该过程中，通过旋转手轮使工作头靠近待安装的下一个目标螺钉，直至所有目标螺钉均拧紧，完成装配过程。

本发明相对于现有技术而言，具有以下有益效果：

(1)针对盲腔内空间小不便进行装配且不能精准把握螺母拧紧力矩的问题，本发明通过设计一套盲腔紧固件装配系统，实现了在狭小的盲腔空间内对12颗螺钉与螺母的拧紧操作，解决了人工操作不便的问题；

(2)针对装配时拧紧力矩模糊的问题，系统设计了控制系统和液压系统，实现了螺钉与螺母拧紧时拧紧力矩的精确控制，解决了拧紧时力矩不足的问题；

(3)针对螺钉与螺母进行拧紧时无法得知拧紧状况的问题，系统设计了带光源的微型摄像头，实现了盲腔内部的可视功能，可以实时监测拧紧时盲腔内部的状况。

综上，本发明具有盲腔内拧紧螺钉与螺母，精准实现拧紧力矩控制和盲腔内部可视化等功能，极大的提高了装配效率。

附图说明

图1为本发明盲腔紧固件液压拧紧装配系统的结构示意图；

图2为送螺母机构的结构示意图；

图3和图4为不同视角下螺母拧紧机构的结构示意图；

图5为送螺母机构进入螺母拧紧机构工作头的剖视图；

图6为螺母拧紧机构在拧紧螺母时的剖视图；

图7为第一液压摆动缸(a)和第二液压摆动缸(b)的传动结构示意图；

图中：1机架、2第一支架、3螺母拧紧机构、4送螺母机构、5显示屏、6控制系统、7液压系统、8定位座、9伸缩臂、10中摆臂、11上摆臂、12液压缸、13第一液压摆动缸、14第二液压摆动缸、15第三液压摆动缸、16工作头、17微型摄像头、18推杆座、19轴孔定位座、20推杆、21定位销、22螺母弹性夹头、23多级轮盘、24第二支架、25工作台面。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步阐述和说明。本发明中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。

需要说明的是，若无特殊解释，本发明中的X轴和Y轴所指示的方向均为图1中的坐标轴所示，后续不再赘述。

如图1所示，为本发明提供的一种航空发动机盲腔紧固件液压拧紧装配系统，该装配系统主要包括螺母拧紧机构3、送螺母机构4以及安装于机架1上的第一支架2和显示屏5。其中，第一支架2位于机架1顶部的工作台面25上，用于固定待装配的多级轮盘23(在本实施例中，优选采用三级轮盘)，使多级轮盘23呈涡轮轴孔水平且盲孔竖直的状态。送螺母机构4用于从多级轮盘23的一端沿涡轮轴孔伸入，将螺母送入从多级轮盘23另一端伸入的螺母拧紧机构3的工作头16上。螺母拧紧机构3用于将螺母依次送至盲腔内的目标螺钉上，随后进行拧紧操作。

在本实施例中，机架1由若干长条杆和工作台面25组成。长条杆之间两两采用螺栓连接，构成外部框架结构，随后利用螺栓将工作台面25固定于外部框架结构顶部，工作台面25作为固定第一支架2和显示屏5的支撑板。

在本实施例中，如图2所示，送螺母机构4主要包括推杆座18、轴孔定位座19、推杆20、定位销21和螺母弹性夹头22。推杆座18为长条状结构，其上固定有与涡轮轴孔尺寸相匹配的轴孔定位座19，即当推杆座18插入涡轮轴孔中后，在轴孔定位座19的限位下，无法实现绕轴转动，只能沿涡轮轴孔进行平移运动。推杆座18用于插入涡轮轴孔的一端设有螺母弹性夹头22和定位销21，螺母弹性夹头22用于夹持螺母，定位销21用于与螺母拧紧机构3定位装配。推杆座18上设有能沿轴向移动的推杆20。推杆20的一端滑动连接于推杆座18上，另一端与螺母弹性夹头22处于同一水平面，通过移动推杆20能将夹持于螺母弹性夹头22上的螺母推出并进入螺母拧紧机构3的工作头16。

如图3和4所示，螺母拧紧机构3具有5个自由度，包括4个转动轴(即轴a1、轴a2、轴a3和轴a4)和1个移动轴。在结构上，螺母拧紧机构3主要包括定位座8、伸缩臂9、中摆臂10、上摆臂11和工作头16。定位座8上设有手轮，通过转动手轮能使螺母拧紧机构3整体绕X轴转动，即绕图4中轴a1转动。定位座8用于伸入涡轮轴孔中的一端设有与涡轮轴孔尺寸相匹配的轴孔定位件，通过轴孔定位件能使手轮位于外部。伸缩臂9滑动连接于定位座8上，通过固定于定位座8上的液压缸12驱动实现X轴向平移，如图4所示。伸缩臂9的前端部转动连接有中摆臂10；中摆臂10与伸缩臂9相连的一端通过第一液压摆动缸13驱动实现绕Y轴的转动，即绕图4中轴a2转动，另一端转动连接有上摆臂11。上摆臂11与中摆臂10相连的一端通过第二液压摆动缸14驱动实现绕Y轴的转动，即绕图3中轴a3转动，另一端设有用于绕X轴转动以将螺母拧紧的工作头16，即绕图3中轴a4转动。工作头16处设有带光源的微型摄像头17，微型摄像头17用于获取盲腔内部影像，同时，微型摄像头17还与显示屏5相连，能够将实时获取的盲腔内部影像反应在显示屏5上。

在实际使用时，螺母拧紧机构3利用中摆臂10、上摆臂11与伸缩臂9之间的协同工作进入工作区，操纵手轮实现螺母拧紧机构3绕轴a1方向旋转，调整圆周方向角度，采用液压驱动方式拧紧螺母，满足螺母旋紧力的要求。同时利用微型摄像头17、光源和显示屏5的互相协同工作，查看盲腔内部的情况，操作手轮作周向调整。

在本实施例中，为了实现螺母拧紧机构3与送螺母机构4的定位装配，在工作头16上开设有与定位销21匹配的销孔。当销孔与定位销21装配好时，工作头16与螺母弹性夹头22之间也处于同一水平面，通过推杆20能将夹持于螺母弹性夹头22上的螺母推出并进入工作头16上。工作头16也可以采用弹性夹头的形式。由于工作头16需要保证单向转动以实现对螺母的拧紧，因此，在工作头16处设有棘轮机构，通过第三液压摆动缸15驱动棘轮来实现工作头16的单方向旋转与拧紧。

在本实施例中，如图7所示，第一液压摆动缸13的一侧带齿，其往复运动能驱动多级齿轮啮合传动，最后一级齿轮与中摆臂10和伸缩臂9之间的转动轴相连，带动中摆臂10整体绕Y轴转动。第二液压摆动缸14其往复运动能驱动多级齿轮啮合传动，最后一级齿轮与上摆臂11和中摆臂10之间的转动轴相连，带动上摆臂11整体绕Y轴转动。

在本实施例中，机架1上还设有控制系统6和液压系统7。其中，液压系统7提供所需液压驱动力，控制系统6用于集成所需控制与软件系统。控制系统6与显示屏5相连，液压系统7与液压缸12、第一液压摆动缸13、第二液压摆动缸14和第三液压摆动缸15相连以提供液压驱动力，控制系统6通过液压系统7能调整螺母拧紧机构3五个自由度的运动情况。在实际应用时，可以将液压系统7置于液压系统7下方的机架1上，控制系统6安装于控制柜中，控制柜固定于机架1侧方。

为了便于操作，工作台面25上还设有用于放置螺母拧紧机构3的第二支架24。当多级轮盘23各目标螺钉均拧紧后，可以撤出螺母拧紧机构3，并将其放置于第二支架24上。

如图5和6所示，利用上述航空发动机盲腔紧固件液压拧紧装配系统的装配方法，具体如下：

S1：将需要进行装配的多级轮盘23以盲腔竖直且涡轮轴孔水平的状态固定于第一支架2上，随后将螺母拧紧机构3通过轴孔定位件从多级轮盘23的一端卡入涡轮轴孔内，通过调节伸缩臂9沿X轴向平移，使工作头16位于目标盲腔中。

S2：在送螺母机构4的螺母弹性夹头22上放置螺母，随后将送螺母机构4从多级轮盘23的另一端卡入涡轮轴孔内并通过定位销和销孔实现与螺母拧紧机构3定位装配，通过移动推杆20将螺母送入工作头16中，随后将送螺母机构4撤出目标盲腔。

S3：利用显示屏5通过微型摄像头17获取的盲腔内部影像，通过控制中摆臂10、上摆臂11与伸缩臂9之间的协同工作，使轴a2轴a3旋转一定角度，带动工作头16靠近待安装的目标螺钉。随后利用工作头16将螺母推入，同时绕轴a4的单方向旋转，且和轴a1配合，实现拧紧目标。在该过程中，通过液压系统7和控制系统6满足拧紧力矩要求。

S4：将螺母拧紧机构3复位，重复步骤S2～S3。在该过程中，通过旋转手轮使工作头16靠近待安装的下一个目标螺钉，直至所有目标螺钉均拧紧，完成装配过程。

本发明具有实现涡轮叶片盲腔内液压拧紧且精准控制拧紧力矩，并进行实时监控拧紧过程的功能。

以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种航空发动机盲腔紧固件液压拧紧装配系统，其特征在于，包括螺母拧紧机构(3)、送螺母机构(4)以及安装于机架(1)上的第一支架(2)和显示屏(5)；所述第一支架(2)位于机架(1)顶部的工作台面(25)上，用于固定待装配的多级轮盘(23)，使多级轮盘(23)呈涡轮轴孔水平且盲孔竖直的状态；所述送螺母机构(4)用于从多级轮盘(23)的一端沿涡轮轴孔伸入，将螺母送入从多级轮盘(23)另一端伸入的螺母拧紧机构(3)的工作头(16)上；

所述螺母拧紧机构(3)具有由4个转动轴和1个移动轴构成的5个自由度，包括定位座(8)、伸缩臂(9)、中摆臂(10)、上摆臂(11)和工作头(16)；所述定位座(8)上设有能使螺母拧紧机构(3)整体绕X轴转动的手轮，内端部设有与涡轮轴孔尺寸相匹配的轴孔定位件；所述伸缩臂(9)滑动连接于定位座(8)上，通过固定于定位座(8)上的液压缸(12)驱动实现X轴向平移，伸缩臂(9)的内端部转动连接有中摆臂(10)；所述中摆臂(10)与伸缩臂(9)相连的一端通过第一液压摆动缸(13)驱动实现绕Y轴的转动，另一端转动连接有上摆臂(11)；所述上摆臂(11)与中摆臂(10)相连的一端通过第二液压摆动缸(14)驱动实现绕Y轴的转动，另一端设有用于绕X轴转动以将螺母拧紧的工作头(16)；所述工作头(16)处设有带光源的微型摄像头(17)，微型摄像头(17)获取的盲腔内部影像能实时反应在显示屏(5)上。

2.根据权利要求1所述的一种航空发动机盲腔紧固件液压拧紧装配系统，其特征在于，所述送螺母机构(4)包括推杆座(18)、轴孔定位座(19)、推杆(20)、定位销(21)和螺母弹性夹头(22)；所述推杆座(18)上固定有与涡轮轴孔尺寸相匹配的轴孔定位座(19)，一端设有用于夹持螺母的螺母弹性夹头(22)和用于与螺母拧紧机构(3)定位装配的定位销(21)；所述推杆座(18)上设有能沿轴向移动的推杆(20)；所述推杆(20)的一端滑动连接于推杆座(18)上，另一端与螺母弹性夹头(22)处于同一水平面，通过移动推杆(20)能将夹持于螺母弹性夹头(22)上的螺母推出并进入螺母拧紧机构(3)的工作头(16)。

3.根据权利要求2所述的一种航空发动机盲腔紧固件液压拧紧装配系统，其特征在于，所述工作头(16)上开设有与所述定位销(21)匹配的销孔。

4.根据权利要求1所述的一种航空发动机盲腔紧固件液压拧紧装配系统，其特征在于，所述工作头(16)处设有棘轮机构，通过第三液压摆动缸(15)驱动棘轮实现工作头(16)的单方向旋转与拧紧。

5.根据权利要求1所述的一种航空发动机盲腔紧固件液压拧紧装配系统，其特征在于，所述机架(1)上还设有控制系统(6)和液压系统(7)；所述控制系统(6)与显示屏(5)相连，液压系统(7)与液压缸(12)、第一液压摆动缸(13)、第二液压摆动缸(14)和第三液压摆动缸(15)相连以提供液压驱动力，控制系统(6)通过液压系统(7)能调整螺母拧紧机构(3)五个自由度的运动情况。

6.根据权利要求5所述的一种航空发动机盲腔紧固件液压拧紧装配系统，其特征在于，所述液压系统(7)置于液压系统(7)下方的机架(1)上，控制系统(6)安装于控制柜中，控制柜固定于机架(1)侧方。

7.根据权利要求1所述的一种航空发动机盲腔紧固件液压拧紧装配系统，其特征在于，所述第一液压摆动缸(13)的一侧带齿，其往复运动能驱动多级齿轮啮合传动，最后一级齿轮与中摆臂(10)和伸缩臂(9)之间的转动轴相连，带动中摆臂(10)整体绕Y轴转动。

8.根据权利要求1所述的一种航空发动机盲腔紧固件液压拧紧装配系统，其特征在于，所述第二液压摆动缸(14)其往复运动能驱动多级齿轮啮合传动，最后一级齿轮与上摆臂(11)和中摆臂(10)之间的转动轴相连，带动上摆臂(11)整体绕Y轴转动。

9.根据权利要求1所述的一种航空发动机盲腔紧固件液压拧紧装配系统，其特征在于，所述工作台面(25)上还设有用于放置螺母拧紧机构(3)的第二支架(24)。

10.一种利用权利要求1～9任一所述航空发动机盲腔紧固件液压拧紧装配系统的装配方法，其特征在于，具体如下：

S1：将需要进行装配的多级轮盘(23)以盲腔竖直且涡轮轴孔水平的状态固定于第一支架(2)上，随后将螺母拧紧机构(3)通过轴孔定位件从多级轮盘(23)的一端卡入涡轮轴孔内，通过调节伸缩臂(9)沿X轴向平移，使工作头(16)位于目标盲腔中；

S2：在送螺母机构(4)的螺母弹性夹头(22)上放置螺母，随后将送螺母机构(4)从多级轮盘(23)的另一端卡入涡轮轴孔内并与螺母拧紧机构(3)装配定位，通过移动推杆(20)将螺母送入工作头(16)中，随后将送螺母机构(4)撤出目标盲腔；

S3：利用显示屏(5)通过微型摄像头(17)获取的盲腔内部影像，通过控制中摆臂(10)、上摆臂(11)与伸缩臂(9)之间的协同工作，带动工作头(16)靠近待安装的目标螺钉并将螺母推入，随后工作头(16)绕X轴转动以将螺母拧紧；

S4：将螺母拧紧机构(3)复位，重复步骤S2～S3；在该过程中，通过旋转手轮使工作头(16)靠近待安装的下一个目标螺钉，直至所有目标螺钉均拧紧，完成装配过程。

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