劉旋

摘 要： 研究數(shù)字化對接安裝工藝在飛機發(fā)動機制造中的應(yīng)用。首先，描述了傳統(tǒng)安裝工藝，突出其繁瑣和高人力成本。接著探討數(shù)字化工藝的優(yōu)勢，包括提高效率、降低成本和提高精確度。詳細介紹激光跟蹤測量系統(tǒng)、脈動生產(chǎn)線集成管理系統(tǒng)和發(fā)動機數(shù)字化安裝平臺的作用。然后，討論了數(shù)字化對接可能遇到的問題，以及規(guī)劃設(shè)計的關(guān)鍵要點。總結(jié)了數(shù)字化對接的優(yōu)勢和應(yīng)用，并展望了未來的發(fā)展方向，著重強調(diào)了技術(shù)創(chuàng)新和可持續(xù)性的推動作用。

關(guān)鍵詞： 數(shù)字化對接 飛機發(fā)動機裝配 工藝優(yōu)化 安裝

中圖分類號： TP393文獻標(biāo)識碼： A文章編號： 1679-3567（2024）06-0019-03

Research on the Digital Docking and Installation Technology of Aircraft Engines

LIU Xuan

Tool Manufacturing Plant， AVIC Shenyang Liming Aero-Engine Co.， Ltd.， Shenyang， Liaoning Province， 110043 China

Abstract： This paper studies the application of the digital docking and installation technology in aircraft engine manufacturing. Firstly， it describes the traditional installation technology， highlighting its complexity and high labor costs. Next， it explores the advantages of the digital technology， including improving efficiency， reducing costs and improving accuracy， and provides a detailed introduction to the functions of the laser tracker system， the integrated management system of pulsating production lines and the digital installation platform of engines. Then， it discusses the possible problems encountered by digital docking and the key points of planning and design. Finally， it summa‐rizes the advantages and applications of digital docking， and looks forward to its future development direction， em‐phasizing the driving role of technological innovation and sustainability.

Key Words： Digital docking； Aircraft engine assembly； Process optimization； Installation

引擎發(fā)動機的對接安裝是飛機總裝工序中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，對安裝質(zhì)量和最終的飛機性能和運行安全產(chǎn)生直接影響。盡管我國已經(jīng)取得了在飛機發(fā)動機領(lǐng)域的重要成就，成為全球僅有5個獨立研發(fā)飛機發(fā)動機的國家之一，但在發(fā)動機安裝技術(shù)方面，仍然面臨一定的挑戰(zhàn)[1]。傳統(tǒng)的發(fā)動機安裝工藝依賴于人工經(jīng)驗和目視校準，操作繁瑣，安裝難度較大，容易出現(xiàn)位置偏差和重復(fù)性問題，從而導(dǎo)致安裝效率低下和人工成本上升。為了提高飛機發(fā)動機裝配工作的效率和質(zhì)量，數(shù)字化對接安裝工藝應(yīng)運而生。這一新興技術(shù)利用激光測量系統(tǒng)、集成管理系統(tǒng)和數(shù)字化安裝平臺等組成部分，通過自動化和精準的方式來調(diào)整發(fā)動機的位置和姿態(tài)，從而實現(xiàn)飛機發(fā)動機的精確裝配。

1 飛機發(fā)動機數(shù)字化對接安裝工藝的優(yōu)勢

1.1 傳統(tǒng)發(fā)動機安裝工藝

第一步，安裝人員需要將專用對接車推行至飛機尾部，以便將發(fā)動機安裝到機身上。這一步需要憑借工作經(jīng)驗和目測將對接車與飛機軸線調(diào)整至同一水平高度。第二步，安裝人員要使用手搖把手，進一步將對接車升至適宜的高度，以便與飛機對接。專用起吊設(shè)備被用來將發(fā)動機安裝到對接車上[2]，這涉及人工操作，將發(fā)動機從地面起吊并固定在對接車上。安裝人員必須使用人工力量將固定在對接車上的發(fā)動機向前推進，直至發(fā)動機上方掛點與飛機的安裝軌道相吻合。如果對接不準確，需要重新進行第一步和第二步的位置校準。第三步，安裝人員會手動推動發(fā)動機緩慢地進入飛機的軌道艙內(nèi)。這一步需要不斷地調(diào)整發(fā)動機的位置，以確保其順利安裝。第四步，一旦發(fā)動機安裝在位，安裝人員需要對發(fā)動機的所有安裝點進行人工固定，以確保牢固地連接到飛機結(jié)構(gòu)上。第五步，將對接車從已安裝的發(fā)動機下方撤除，以完成安裝過程。

傳統(tǒng)的發(fā)動機安裝工藝存在著一系列問題，包括人工操作復(fù)雜、繁瑣，對工人的要求高，容易出現(xiàn)人為誤差，安裝時間長，安裝精度難以保證。因此，數(shù)字化對接安裝工藝的出現(xiàn)為這些問題提供了解決方案，通過激光測量和自動化控制來提高安裝精度和效率。

1.2 數(shù)字化對接安裝工藝的優(yōu)勢

數(shù)字化對接安裝工藝相對于傳統(tǒng)工藝具有明顯的優(yōu)勢，它通過采用現(xiàn)代技術(shù)和自動化手段，顯著提高了裝配效率和精確度，同時降低了人力成本[3]。

數(shù)字化工藝采用激光測量系統(tǒng)，可以實現(xiàn)高精度的實時測量。這消除了傳統(tǒng)方法中人工校準和調(diào)整的需要，節(jié)省了大量時間。安裝人員不再需要依賴經(jīng)驗，而是依賴精確的測量數(shù)據(jù)，從而提高了裝配精確度。數(shù)字化工藝中的機械裝置是由系統(tǒng)控制的，能夠自動進行位置調(diào)整和發(fā)動機推進。激光測量系統(tǒng)可以提供高精度的位置和角度測量數(shù)據(jù)，確保發(fā)動機的精確安裝。

2 飛機發(fā)動機數(shù)字化對接安裝工藝的具體組成部分

2.1 激光跟蹤測量系統(tǒng)

激光跟蹤測量系統(tǒng)是數(shù)字化對接安裝工藝的關(guān)鍵組成部分。其工作原理基于激光測量技術(shù)，通過精確的光學(xué)測量來實現(xiàn)對目標(biāo)對象的位置和姿態(tài)測量。系統(tǒng)主要由激光跟蹤儀（如T-Cam或T-Probe）、聯(lián)合控制器、定位器和反應(yīng)器等設(shè)備構(gòu)成[4]。

激光跟蹤測量系統(tǒng)的核心任務(wù)是測量目標(biāo)對象的位置和姿態(tài)，這通常以三維坐標(biāo)變換和角度測量的方式實現(xiàn)。假設(shè)目標(biāo)對象在全局坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為（X，Y，Z），而系統(tǒng)測量得到的坐標(biāo)為（X，Y，Z），同時提供的角度測量為（α，β，γ）。下面是相關(guān)的數(shù)學(xué)公式：

這些公式描述了在全局坐標(biāo)系中目標(biāo)對象的位置與系統(tǒng)測量得到的位置之間的差異，其中ΔX、ΔY和ΔZ分別表示系統(tǒng)測量的坐標(biāo)偏差。

角度測量通常以歐拉角形式給出，分別表示繞X、Y和Z軸的旋轉(zhuǎn)角度。為了將角度測量應(yīng)用于坐標(biāo)變換，需要構(gòu)建旋轉(zhuǎn)矩陣R，其中Rz（γ）、Ry（β）和Rx（α）分別是繞Z、Y和X軸的旋轉(zhuǎn)矩陣。

這些公式說明了激光跟蹤測量系統(tǒng)如何測量目標(biāo)對象的位置和姿態(tài)，并將全局坐標(biāo)映射到測量坐標(biāo)系中。實際的測量系統(tǒng)通常會采用更復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型來處理誤差校正、坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換等問題，但上述公式提供了一個基本的理解。這些測量數(shù)據(jù)將被傳輸?shù)郊晒芾硐到y(tǒng)，以實現(xiàn)對飛機發(fā)動機位置和姿態(tài)的實時監(jiān)控和調(diào)整，從而確保裝配過程的高精度和可重復(fù)性。如果測量受到干擾或偏差過大，激光系統(tǒng)會自動發(fā)出警報，通知安裝人員進行必要的人工干預(yù)，以確保裝配質(zhì)量。

2.2 脈動生產(chǎn)線集成管理系統(tǒng)

集成管理系統(tǒng)的主要職責(zé)是監(jiān)督和協(xié)調(diào)數(shù)字化對接安裝工藝中的各個子系統(tǒng)，包括激光跟蹤測量系統(tǒng)、站位控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫等[5]。確保這些子系統(tǒng)協(xié)同工作，以保證飛機發(fā)動機的安裝和調(diào)整工作高效、順利進行。集成管理系統(tǒng)接收來自激光跟蹤測量系統(tǒng)的實時測量數(shù)據(jù)，然后利用事先設(shè)定的安裝標(biāo)準對這些數(shù)據(jù)進行分析。這包括飛機上的發(fā)動機導(dǎo)軌的位置和姿態(tài)。系統(tǒng)通過分析數(shù)據(jù)可以判斷當(dāng)前發(fā)動機的位置是否符合要求。如果發(fā)動機的位置不符合要求，集成管理系統(tǒng)將下達指令，以調(diào)整發(fā)動機的位置和方向。它會操控對接安裝平臺上的機械調(diào)資裝置，確保發(fā)動機滿足對接安裝的要求。集成管理系統(tǒng)提供了一個人機交互界面，讓操作人員能夠?qū)崟r監(jiān)控系統(tǒng)的運行狀態(tài)，接收來自系統(tǒng)的異常情況報告和警報信息。這使操作人員可以在需要時介入一定的人工控制行為。

2.3 發(fā)動機數(shù)字化安裝平臺

數(shù)字化裝配平臺是飛機發(fā)動機數(shù)字化對接安裝工藝的關(guān)鍵組成部分，其機械結(jié)構(gòu)和自動控制系統(tǒng)的設(shè)計具有高度復(fù)雜性。以下公式用于更詳細地描述數(shù)字化裝配平臺的工作原理。

3 飛機發(fā)動機數(shù)字化對接安裝工藝的難點與規(guī)劃設(shè)計

3.1 工藝難點

安裝調(diào)姿通常需要高精度和多軸位的定位，以確保發(fā)動機與飛機結(jié)構(gòu)的精確對接。這可能涉及到微小的調(diào)整和多次嘗試，因為發(fā)動機的尺寸和形狀有時會與設(shè)計規(guī)范略有不同。數(shù)字化對接工藝需要應(yīng)對這種精確性要求，確保發(fā)動機在裝配時能夠精準地調(diào)整到指定位置和姿態(tài)。飛機結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和多樣性可能導(dǎo)致對接安裝的挑戰(zhàn)。這包括遇到非常規(guī)的機身曲線、安裝區(qū)域的限制和飛機結(jié)構(gòu)的變化。數(shù)字化對接工藝需要具備足夠的適應(yīng)性和靈活性，以應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，確保對接安裝過程可以平穩(wěn)進行。

3.2 規(guī)劃設(shè)計

采用模塊化設(shè)計方法，將整個安裝過程分解為可獨立完成的模塊。這些模塊可以包括發(fā)動機安裝、調(diào)整、校準、測試等。模塊化設(shè)計有助于優(yōu)化資源分配、提高并行性，以及更容易管理和維護。設(shè)計工藝時，應(yīng)強調(diào)靈活性，以適應(yīng)不同飛機型號和配置的裝配要求。這包括可調(diào)整的夾具和支撐結(jié)構(gòu)，使其能夠容納各種發(fā)動機尺寸和形狀，以及適應(yīng)各種機身曲率和配置。利用大數(shù)據(jù)和分析技術(shù)，將數(shù)字化對接安裝工藝與實時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)集成。這樣，工作人員可以獲得有關(guān)發(fā)動機狀態(tài)、飛機結(jié)構(gòu)、精確位置和姿態(tài)的信息，以做出準確的決策。這有助于優(yōu)化工藝、提高效率和減少錯誤。利用自動化技術(shù)，如機器人和自動控制系統(tǒng)，執(zhí)行重復(fù)性和高精度的任務(wù)，如發(fā)動機安裝和校準。機器學(xué)習(xí)算法可以用于實時監(jiān)測和優(yōu)化裝配過程，從而提高效率。

4 總結(jié)與展望

4.1 總結(jié)

數(shù)字化對接安裝工藝在航空制造中帶來了顯著的優(yōu)勢和廣泛的應(yīng)用。通過數(shù)字化技術(shù)、自動化裝配和智能系統(tǒng)的引入，制造商能夠提高裝配效率、精確性和可重復(fù)性。這不僅有助于減少人力成本，還改進了飛機發(fā)動機的裝配質(zhì)量。數(shù)字化對接安裝工藝還強調(diào)了數(shù)據(jù)驅(qū)動決策，使實時信息的分析和利用成為可能，從而減少錯誤和提高生產(chǎn)線的透明度。更進一步，數(shù)字化對接安裝工藝通過模塊化設(shè)計和靈活裝配，使制造商能夠更好地適應(yīng)不同飛機配置和需求，增強了產(chǎn)業(yè)的靈活性和適應(yīng)性。此外，機器學(xué)習(xí)和自動化的整合為飛機裝配提供了新的機會，從而提高了效率和質(zhì)量。

4.2 未來展望

未來，數(shù)字技術(shù)在飛機發(fā)動機裝配領(lǐng)域?qū)l(fā)揮關(guān)鍵作用。首先，預(yù)計更多智能化、自動化和機器學(xué)習(xí)技術(shù)將被廣泛采用，以提高裝配效率和精確度。例如：自動化調(diào)整工具的進一步發(fā)展將減少調(diào)整時間，智能機器人將能夠執(zhí)行更復(fù)雜的任務(wù)，提高生產(chǎn)線的自動化程度。數(shù)據(jù)分析和預(yù)測能力將不斷提高，有助于更好的資源規(guī)劃和故障預(yù)測。數(shù)字雙胞胎技術(shù)的成熟將允許虛擬裝配和測試，從而在實際生產(chǎn)之前進行更多驗證，降低了錯誤成本。數(shù)字化裝配還將有助于可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)的實現(xiàn)，如減少廢物和資源浪費。通過更好的過程優(yōu)化和數(shù)據(jù)分析，飛機發(fā)動機的制造將更加環(huán)保。數(shù)字技術(shù)的持續(xù)發(fā)展將在飛機發(fā)動機裝配領(lǐng)域帶來更多創(chuàng)新，提高效率、質(zhì)量和可持續(xù)性，推動未來的航空制造進一步發(fā)展。

參考文獻

[1]同更強，劉潔，徐易.航空發(fā)動機數(shù)字化檢測系統(tǒng)[J].航空動力，2022（4）：67-70.

[2]黃大泛.數(shù)字化工廠技術(shù)在汽車發(fā)動機制造企業(yè)中的應(yīng)用[J].內(nèi)燃機與配件，2021（24）：173-175.

[3]馬小飛，柳躍雷，黃濤，等.探究數(shù)字化在發(fā)動機總裝線上的應(yīng)用[C]//中國汽車工程學(xué)會.2021中國汽車工程學(xué)會年會論文集（5）.北京：機械工業(yè)出版社， 2021：6.

[4]鄒偉強.數(shù)字化在發(fā)動機試制質(zhì)量控制的應(yīng)用[J].時代汽車，2021（14）：11-13.

[5]黃發(fā)，張中健，酉福飛，等.航空發(fā)動機管路數(shù)字化制造及應(yīng)用[J].燃氣渦輪試驗與研究，2020，33（4）： 53-57.