航空发动机智能化装配技术体系构建探索

航空发动机智能化装配技术体系构建探索

李家君

哈尔滨东安机电制造有限责任公司 黑龙江省哈尔滨市 150060

摘要：航空发动机制造过程复杂，涉及交叉学科多、范围广，其综合性能直接决定着飞机飞行的安全性、稳定性及承载能力。本文首先阐述了航空发动机的相关概述，并分析了航空发动机智能化装配技术的发展体系。

关键词：航空发动机；智能化装配；发展体系

我国发动机装配技术的发展明显落后于零件制造技术，发展极不平衡，在生产组织管理模式中，仍沿用早期的基于固定站位的手工装配模式。据装配现场统计，其手工操作占90%以上，装配质量控制严重依赖人工操作技能，已不能满足现代飞机制造对发动机的短交付周期、可靠性高、使用寿命长的要求。基于此，本文对航空发动机智能化装配技术的体系构建进行了详细论述。

一、航空发动机简介

航空发动机(aero-engine)是一种高度复杂和精密的热力机械，作为飞机的心脏，不仅是飞机飞行的动力，也是促进航空事业发展的重要推动力。

进入21世纪，航空发动机正在进一步加速发展，将为人类航空领域带来新的重大变革。传统的航空发动机正在向齿轮传动发动机、变循环发动机、多电发动机、间冷回热发动机和开式转子发动机发展，非传统的脉冲爆震发动机、超燃冲压发动机、涡轮基组合发动机，以及太阳能动力和燃料电池动力等也在不断成熟，这些发动机的发展将使未来的航空器更快、更高、更远、更经济、更可靠，并能满足更加严格的环保要求，并将使高超声速航空器、跨大气层飞行器和可重复使用的天地往返运输成为现实。

二、智能化装配技术发展体系

1、装配工艺优化技术。发动机智能装配是基于MBD模型的装配工艺设计，它改变了传统的装配工艺路线及流程。分析和梳理制约装配的瓶颈因素，总结单元体装配、总装装配、工步时间、工具、工装、检验、试验等相关资源要素，根据建设智能装配生产线的规划目标，重点解决工艺的防错、防呆、防漏等措施，以提高装配效率及质量，缩短装配周期为导向，深度集成再造装配工艺规划、生产节奏、工艺路线、智能物流规划、智能装备及智能管控技术等。主要技术研究重点：1)基于均衡节拍的装配工艺优化设计技术；2)基于MBD模型的工检合一可配置深结构工艺规划技术；3)基于混线装配的快速重构工艺规划技术。

2、规划仿真优化技术。根据发动机装配产能需求和生产线的建设条件，在数字化环境下，对单元体及总装产线的相关工装、设备和物流系统等进行布局建模，根据装配过程的虚拟动态仿真，对产品的生产制造流程进行仿真，及时评估和发现制约单机或混线产线平衡的瓶颈因素、装配工艺可行性、装配操作人机工程可达性等仿真，以制出前瞻性决策及优化实施方案，使产线产能布局最优，效率最高，降低产线硬件的成本投入，缩短建设周期，降低产线构建风险。主要技术研究重点：1)装配过程生产线产能仿真与优化技术；2)装配工艺生产线物流仿真与优化技术；3)基于虚拟与现实的数据采集分析与仿真优化技术。

3、智能物流技术。航空发动机由上万个零件组成，需满足单件可追溯性的要求。从零件制造到部装、总装流程复杂，尤其是叶片等精密加工零件，其形状和外观难以区分，在装配关键部位反复拆装及测量中易混淆。因此，研究智能物流技术，将物联网与智能管控技术相结合，建立物料标签、物料识别、位置跟踪、快速齐套、精准配送等系统具有重要的意义。由于发动机物料信息实时交互较差，物料配送响应慢，解决了影响整体交付进度及装配效率付的问题，从而降低了生产管理成本及装配质量风险。主要技术研究重点：1)发动机零件数字化标识管理规范；2)物料自动识别与数据采集技术；3)基于串、并联装配的精确物料配送技术；4)基于制造的优化齐套性技术；5)零件装配在线自动标印技术。

4、智能管控技术。传统的航空发动机装配以单元体及总装装配工位制为建设对象，装配操作主要是手动操作，产品定制程度高，工艺结构复杂，装配数据要求交互实时性强，由于制造质量问题，原发动机装配计划受到随机干扰，是典型的多品种、单件、项目型生产模式，难以形成固定的工艺装配。研究智能制造一体化管控技术解决方案，建立包括物料管理、生产管理、质量管理、维修管理、人员管理、设备管理、资产管理、统计分析、可追溯性管理、电子履历管理、复杂权限系统控制等管理平台，具有定制柔性配置的能力，稳定性、安全性及可扩展性强。主要技术研究重点：1)装配生产任务的实时监控与智能调度；2)单机装配全程管控技术；3)装配制造资源动态控制与冲突解决技术；4)基于多约束的智能排产技术。

5、智能检测技术。在发动机装配中，如叶尖间隙测量、装配深度尺寸测量、管路装配检查等，主要采用机械式检具，通过人工测量和肉眼读数完成，测量结果由检验员手工记录，然而，对于发动机的外部装配，如管路装配、保险丝等，其检查往往依赖于人工目测，检查手段简单，评价标准难以统一。在实施中，发动机外部错(漏)装、错(漏)保、磕碰划伤、管路间隙不合格等外观质量问题频发。主要技术研究重点：1)在线数字测量与分析技术；2)基于人工智能的外部装配质量智能检测技术，按要求检查装配管路保险丝；3)单元体自动对中检测技术。

6、智能装备应用技术。发动机装配中存在大量对接装配，需螺栓连接、大过盈量的轴孔配合等，应精确控制拧紧力矩、压装力与位置。航空发动机装配步骤多，结构复杂，交叉作业严重，传统装配托架已不能满足现有发动机多方位、多角度的装配需求；传统的总装脉动装配，需用行车吊运方式在一个工位进行装配，再到下一个工位继续装配，不能满足脉动生产的节拍需求；对质量较大的动力涡轮部件的安装，操作人员很难通过托举完成其位姿调整及对接，容易发生磕碰，产品损坏的风险较高等。针对上述情况，结合发动机的结构特点，开发了智能装备与智能管控系统的集成，实现装配过程质量数据的自动采集、分析、决策、追溯。通过智能装配的应用，提高发动机的装配质量及稳定性。主要技术研究重点：1)航空发动机装配紧固件智能拧紧技术；2)关重件精密配合力位控制精准压装技术；3)发动机装配支撑多自由度柔性定位技术；4)基于AGV移载脉动装配输送对接技术；5)外部管路AR辅助装配技术；6)人机协同辅助装配技术；7)机器人自动涂胶技术；8)水平悬挂脉动装配输送系统。

7、多元化系统集成应用技术。发动机装配线控制按一定的装配工艺流程，由具有特定应用功能的子系统组成。利用计算机网络技术，开发子系统间的统一接口、通信方式及相应的软硬件，使智能管控系统能统一协调管理，与企业层ERP、PDM、WMS系统进行通信，快速获取生产订单和资源数据，与现场设备通讯，获取设备状态和制造质量数据，实现各系统间数据的采集分析、存储与交互共享。主要技术研究重点：1)多系统集成数据采集交互技术；2)面向多平台、多样化系统通讯技术。

8、智能故障诊断分析技术。发动机试验故障的类型和方式复杂多样，通过采集发动机装配、试车、排故、修理机型的大量试验数据，构建在线采集、实时诊断的航空发动机智能专家系统。统计分析故障类型及发生概率，构成直接或间接影响装配质量、性能、强度的评价指标。分析发动机的故障模式，从不同结构评判故障的发生率，正确预防、处理、指导装配中的质量控制问题。主要技术研究重点：1)航空发动机故障模式分析及基于知识的专家库系统；2)发动机故障智能诊断方法技术。

参考文献：

[1]陈军.飞机总装脉动生产线智能制造技术研究与应用[J].航空制造技术，2016(16).

[2]陈冰.面向智能制造的航空发动机协同设计与制造[J].航空制造技术，2016(05).

[3]罗敏.航空发动机外部管路工装数字化设计[J].航空制造技术，2015(15).

[4]张鹏飞.航空发动机智能化装配技术体系构建探索[J].航空发动机，2020(01).