飛機發動機數字化對接安裝工藝研究

劉旋

摘 要： 研究數字化對接安裝工藝在飛機發動機制造中的應用。首先，描述了傳統安裝工藝，突出其繁瑣和高人力成本。接著探討數字化工藝的優勢，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、脈動生產線集成管理系統和發動機數字化安裝平臺的作用。然后，討論了數字化對接可能遇到的問題，以及規劃設計的關鍵要點?？偨Y了數字化對接的優勢和應用，并展望了未來的發展方向，著重強調了技術創新和可持續性的推動作用。

關鍵詞： 數字化對接 飛機發動機裝配 工藝優化 安裝

中圖分類號： TP393文獻標識碼： 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

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

1 飛機發動機數字化對接安裝工藝的優勢

1.1 傳統發動機安裝工藝

第一步，安裝人員需要將專用對接車推行至飛機尾部，以便將發動機安裝到機身上。這一步需要憑借工作經驗和目測將對接車與飛機軸線調整至同一水平高度。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。專用起吊設備被用來將發動機安裝到對接車上[2]，這涉及人工操作，將發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動機向前推進，直至發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動機緩慢地進入飛機的軌道艙內。這一步需要不斷地調整發動機的位置，以確保其順利安裝。第四步，一旦發動機安裝在位，安裝人員需要對發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構上。第五步，將對接車從已安裝的發動機下方撤除，以完成安裝過程。

傳統的發動機安裝工藝存在著一系列問題，包括人工操作復雜、繁瑣，對工人的要求高，容易出現人為誤差，安裝時間長，安裝精度難以保證。因此，數字化對接安裝工藝的出現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 數字化對接安裝工藝的優勢

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

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

2 飛機發動機數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

激光跟蹤測量系統是數字化對接安裝工藝的關鍵組成部分。其工作原理基于激光測量技術，通過精確的光學測量來實現對目標對象的位置和姿態測量。系統主要由激光跟蹤儀（如T-Cam或T-Probe）、聯合控制器、定位器和反應器等設備構成[4]。

激光跟蹤測量系統的核心任務是測量目標對象的位置和姿態，這通常以三維坐標變換和角度測量的方式實現。假設目標對象在全局坐標系中的坐標為（X，Y，Z），而系統測量得到的坐標為（X，Y，Z），同時提供的角度測量為（α，β，γ）。下面是相關的數學公式：

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

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

這些公式說明了激光跟蹤測量系統如何測量目標對象的位置和姿態，并將全局坐標映射到測量坐標系中。實際的測量系統通常會采用更復雜的數學模型來處理誤差校正、坐標系轉換等問題，但上述公式提供了一個基本的理解。這些測量數據將被傳輸到集成管理系統，以實現對飛機發動機位置和姿態的實時監控和調整，從而確保裝配過程的高精度和可重復性。如果測量受到干擾或偏差過大，激光系統會自動發出警報，通知安裝人員進行必要的人工干預，以確保裝配質量。

2.2 脈動生產線集成管理系統

集成管理系統的主要職責是監督和協調數字化對接安裝工藝中的各個子系統，包括激光跟蹤測量系統、站位控制系統、數據庫等[5]。確保這些子系統協同工作，以保證飛機發動機的安裝和調整工作高效、順利進行。集成管理系統接收來自激光跟蹤測量系統的實時測量數據，然后利用事先設定的安裝標準對這些數據進行分析。這包括飛機上的發動機導軌的位置和姿態。系統通過分析數據可以判斷當前發動機的位置是否符合要求。如果發動機的位置不符合要求，集成管理系統將下達指令，以調整發動機的位置和方向。它會操控對接安裝平臺上的機械調資裝置，確保發動機滿足對接安裝的要求。集成管理系統提供了一個人機交互界面，讓操作人員能夠實時監控系統的運行狀態，接收來自系統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 發動機數字化安裝平臺

數字化裝配平臺是飛機發動機數字化對接安裝工藝的關鍵組成部分，其機械結構和自動控制系統的設計具有高度復雜性。以下公式用于更詳細地描述數字化裝配平臺的工作原理。

3 飛機發動機數字化對接安裝工藝的難點與規劃設計

3.1 工藝難點

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

3.2 規劃設計

采用模塊化設計方法，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動機安裝、調整、校準、測試等。模塊化設計有助于優化資源分配、提高并行性，以及更容易管理和維護。設計工藝時，應強調靈活性，以適應不同飛機型號和配置的裝配要求。這包括可調整的夾具和支撐結構，使其能夠容納各種發動機尺寸和形狀，以及適應各種機身曲率和配置。利用大數據和分析技術，將數字化對接安裝工藝與實時數據采集系統集成。這樣，工作人員可以獲得有關發動機狀態、飛機結構、精確位置和姿態的信息，以做出準確的決策。這有助于優化工藝、提高效率和減少錯誤。利用自動化技術，如機器人和自動控制系統，執行重復性和高精度的任務，如發動機安裝和校準。機器學習算法可以用于實時監測和優化裝配過程，從而提高效率。

4 總結與展望

4.1 總結

數字化對接安裝工藝在航空制造中帶來了顯著的優勢和廣泛的應用。通過數字化技術、自動化裝配和智能系統的引入，制造商能夠提高裝配效率、精確性和可重復性。這不僅有助于減少人力成本，還改進了飛機發動機的裝配質量。數字化對接安裝工藝還強調了數據驅動決策，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線的透明度。更進一步，數字化對接安裝工藝通過模塊化設計和靈活裝配，使制造商能夠更好地適應不同飛機配置和需求，增強了產業的靈活性和適應性。此外，機器學習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量。

4.2 未來展望

未來，數字技術在飛機發動機裝配領域將發揮關鍵作用。首先，預計更多智能化、自動化和機器學習技術將被廣泛采用，以提高裝配效率和精確度。例如：自動化調整工具的進一步發展將減少調整時間，智能機器人將能夠執行更復雜的任務，提高生產線的自動化程度。數據分析和預測能力將不斷提高，有助于更好的資源規劃和故障預測。數字雙胞胎技術的成熟將允許虛擬裝配和測試，從而在實際生產之前進行更多驗證，降低了錯誤成本。數字化裝配還將有助于可持續發展目標的實現，如減少廢物和資源浪費。通過更好的過程優化和數據分析，飛機發動機的制造將更加環保。數字技術的持續發展將在飛機發動機裝配領域帶來更多創新，提高效率、質量和可持續性，推動未來的航空制造進一步發展。

參考文獻

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

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