航空发动机三自由度装配平台结构设计

王志，刘清林，冉健，齐向阳，安喜平，陈宇

设计技术

航空发动机三自由度装配平台结构设计

王志，刘清林，冉健，齐向阳，安喜平，陈宇

（中国农业机械化科学研究院，北京100083）

三自由度航空发动机装配平台是一种固定式设备，装配平台由垂直升降、俯仰旋转和轴心回转三个主要装置构成。其中可绕轴心线旋转的轴线回转装置中包含装卡装置，该装置采用C形环主体结构，C形环上安装有用于与航空发动机连接的装卡装置，改变装卡装置可实现不同型号发动机的装卡。垂直升降装置依附于平台机体，驮负全部运动质量沿垂直轨道上下移动。俯仰旋转装置介于垂直升降和轴心回转装置之间，实现自身转动的同时，将二者连接在一起。通过三装置的动作变化，可使其装卡的对象保持多种装配姿态。

三自由度；航空发动机；装配平台；结构设计

航空发动机是多元件组合的复杂装配体，在完成其装配的过程中，需要借助专用的工装设备来辅助装配人员完成作业。这类工装设备主要用于实现航空发动机的支撑或悬挂，并可用于调整位置变化以方便工作人员装配与检测。工装设备的设计与装配工艺紧密结合，在各具特色的水平悬吊、装配竖井、支撑平台等不同的装配工艺方法中，由于支撑平台装配方式简繁随意，使用得比较广泛。支撑式装配平台一般固定于地面，利用其专有的装卡连接、支撑航空发动机。各种单自由度装配平台结构简单，但要求装配人员更换工位、改变姿态来适应装配需要，甚至需要更换不同的装配平台才能完成全部装配任务。多自由度装配平台能够实现多种动作，方便工人作业，但结构复杂。三自由度装配平台是性能价格比较高的多自由度装配平台，其适用性较强，除一些特别的工序外，在单台装配平台上能完成航空发动机的各种装配作业。航空发动机三自由度装配平台能够解决诸如工件姿态调整困难、装配过程效率低、人员操作不安全等现阶段部分型号航空发动机装配作业中存在的问题。该平台的研制成功与应用，可以提高我国航空发动机装配技术水平，也为研制高水平的航空发动机装配工艺设备提供借鉴。

1 三自由度装配平台功能与结构

航空发动机三自由度装配平台通过自身机构的运动，实现发动机的垂直升降、俯仰旋转和轴心旋转的动作，并可在任意位置保持姿态。这使装配人员不需再借助梯架等辅助工具改变高低位置，也不需要大幅度改变作业体态即可完成全部装配作业。装配平台通过改变夹持装置来提高其通用性，实现不同型号发动机的装配。

1.1 总体结构与组成

航空发动机装配平台是一固定装配设备，整个装配平台牢固固定于地面，保证装载发动机与装配作业过程中不会发生倾覆。装配平台在整体结构可看作是多个装置的集成，主要有装配平台机体、装卡装置、垂直升降装置、俯仰旋转装置和轴线旋转装置。每个装置相对独立，特别是垂直升降、俯仰旋转和轴心旋转三装置中各自机构的运动独立，运动机构之间不产生运动干涉，其中某一装置的机构动作时，其它两装置的机构能够保持原来的姿态而不发生变化。

与航空发动机联接的装卡装置必须与发动机匹配，为了适应航空发动机的装卡位置的结构特点，装卡装置主体结构呈现圆形，装卡点位置布置于圆周。为了使发动机装卡方便、拆卸顺利，外观呈圆形主体构架开有口，整体呈C形，因此也称该装置为C形环，如图1所示。带有缺口的C形环结构一方面是方便发动机的装与卸，另一方面能够通过设计在C形环外侧的齿实现啮合，驱动该C形环连同装卡的工件实现轴心回转运动。该装置既是装卡承载装置，也是轴心回转装置其中的组成部分。轴心回转装置布置在装配平台的最前端位置，通过俯仰旋转装置与垂直升降装置连接。垂直升降装置依附于固定在地面上的机架，沿机架导轨实现垂直升降，从而来实现装卡在轴心回转装置上的工件垂直动作。俯仰旋转装置布置在轴心回转装置与垂直升降装置之间起过渡连接作用，其回转驱动采用对称布置的双驱动结构。

图1 三自由度航空发动机装配平台

1.2 驱动与传动

航空发动机装配平台中包含三种运动，即垂直升降、俯仰旋转和轴心回转。为了实现相应的动作，必须配备动力装置来驱动每一运动机构。对于含有多运动装置的设备而言，可以采用一套动力装置利用分流传动，实现每一机构的驱动，也可以每一机构独立采用自己的驱动装置。装配平台三运动机构的运动相对独立，采用独立驱动方式较为简单。同时由于其用于装配或试验车间，采用交流电驱动最为方便，因此采用交流电机为动力装置独立驱动。为了方便控制与使用，驱动电机均采用交流伺服电机。

由于每一运动都有独立的电机驱动，所以传动也各自独立。传动的方式基本都采取电机带动各自得减速器，再由减速器输出端采用齿轮传动或丝杠驱动实现最终驱动。其中俯仰旋转和轴心回转采用齿轮啮合传动，垂直升降是将旋转驱动转化为直线驱动，因此采用丝杠驱动。为安全起见在传动路线中都布置有制动器，在传动轴的端部安装失电制动器，正常工作时制动器处于非制动态，一旦出现断电等非正常作业情况，制动器实施制动锁止机构运动。为了增强装配平台在使用过程中的安全性，还设计安装位置传感器、行程开关、机械限位装置等。

2 垂直升降装置

垂直升降装置在整个装配平台中起着十分重要的作用，可简单分解为固定部分、运动部分与驱动部分，固定部分为机架、运动部分为滑动连接部件。工作时其利用安装在机架上的电机带动丝杠旋转，驱动滑动连接部件沿机架上的直线轨道运动。滑动连接部件与俯仰旋转装置连接，从而带动装配平台上的全部运动装置与所装卡的工件一起升降。

2.1 机架与升降装置

垂直升降装置的机架也是整个装配平台的机架，机架由底座与竖直立柱构成，如图2所示。底座采用六块钢板焊接而成，钢板围成的中空空间用来安装驱动电机和减速器。在底座底板四个角上焊接有四个用来调平底座的带有楔形槽的钢板，调平后的底座采用四个地脚螺栓固定在地基上。底座上前后两块钢板中间分别开有方孔，通过该方孔可将驱动电机和减速器安装到内部，也可用作设备维护时的检修孔。

图2 机架与升降装置

升降装置采用直线导轨-滑块-滚珠丝杠-电机结合的布置方式，升降装置的主体立柱为焊接结构，通过螺纹与底座连接固定。立柱两侧的侧板上对称布置有用于安装直线导轨的凹槽，直线导轨安装在其上。滑动连接块是升降立柱中的运动件，在整个垂直升降机构中起着承载连接的作用。滚珠丝杠布置在立柱的中间，通过电机带动丝杠转动来驱动滑动连接块上的螺母座，带动滑动连接块移动。控制丝杠旋转，调节滑动连接块的升降。

2.2 垂直升降传动设计

垂直升降装置的运动采用伺服电机驱动，伺服电机输出旋转运动通过减速器减速后驱动滚珠丝杠旋转，丝杠旋转运动通过丝杠—螺母运动副的变换，使滑动连接块转变为在竖直方向上的直线运动，以此来实现垂直升降动作。升降装置的驱动部分由伺服电机、行星减速机、联轴器、滚珠丝杠等构成，驱动电机安装在机体的底座上，行星减速器紧联在其上侧。减速器的输出轴通过联轴器与滚珠丝杠的下端连接，丝杠通过滑动连接块上的螺母座直接到达机架的顶端。丝杠轴的上端与固定在机架顶端的制动连接，该制动器用于锁止丝杠运动。

滚珠丝杠副具有不能自锁的特点，特别是垂直安装的丝杠，当运动停止后，螺母座将在重力的作用下下滑，故常需要设置制动装置。该制动器为失电制动器，当装置通电动作的同时制动器得电解除制动，断电停止动作时制动器失电制动。丝杠既是传动元件，又是垂直载荷的承载元件，为此在丝杠的下端与机架底座之间连接有推力轴承，有推力轴承将载荷传递到底座上。

3 俯仰旋转装置

俯仰旋转装置能够实现所夹持工件由水平姿态到竖直姿态各个旋转位置的保持，以满足航空发动机的部、组件在装配过程中对装配姿态的要求。

3.1 俯仰旋转装置结构

俯仰旋转装置的回转由回转支承的内外圈相对转动而实现，回转支承内圈通过螺栓与连接面板相连，外圈与连接支座连接，从而实现回转支承在连接面板上的固定且不影响其转动，如图3所示。连接面板为俯仰旋转机构的基础，起着与垂直升降装置连接的作用，直接连接在垂直升降装置中的滑动连接块上。俯仰旋转装置除要实现装置本身旋转功能，而且担负前后装置的连接作用，其中连接支座用于连接轴心回转装置。

连接面板作为俯仰旋转装置的载体，还要安装用于旋转驱动的相关装置。连接面板可以看作是带有两只“耳朵”的圆形板，两只“耳朵”对称布置于回转中心的左右两侧，用于安装两个动力驱动单元。双驱动结构一方面是保证整个装置的重心在回转支承的中心位置，另一方面保证了装配过程中的安全可靠。出于位置与限制与安全考虑，俯仰旋转机构的运动不作整周旋转。连接面板上设计有对称安装的限位挡块，与安装在轴线回转装置上的限位挡块相互作用，确保回转支承旋转一定角度之后不再旋转。

3.2 俯仰旋转传动

俯仰旋转驱动采用齿轮啮合传动方式，而且采用对称布置的两个齿轮共同驱动一个中心大齿轮的方式。如图4所示，两个驱动单元组成形式相同，均由电机、行星减速机、联轴器、小齿轮构成。电机水平放置，输出轴直接连接减速器，减速器的输出端安装驱动小齿轮，轴端还连接有制动器。驱动单元整体从连接面板连接到其上，小齿轮透过耳孔到连接面板的前侧与大齿轮啮合。对称布置两侧的两个动力驱动单元的驱动小齿轮同时旋转，继而带动回转支承回转来实现向左或向右旋转。

图4 俯仰旋转传动结构示意图

俯仰旋转机构也会在重力矩作用下继续旋转，继而带动与驱动齿轮旋转。这样不仅使得装配作业及其不安全，也可能会对伺服电机造成损坏。基于同样的原因，每个驱动小齿轮轴的轴端安装了失电制动器。两个动力驱动单元既可以同时工作，也可以独立作业，当一个驱动单元突发故障不能使用，另一个还可以继续工作。

由于齿轮的啮合传动采用的是开式传动，为了防止啮合的齿轮对装配作业的工人产生伤害，防止扳手等异物掉落损伤机构等不安全情况的发生，在回转支承以及驱动齿轮的外围均设计加装有齿轮护罩。

4 轴心回转装置

轴心回转装置既担负安全有效装卡航空发动机的任务，又要使所装卡的对象实现绕轴心线旋转的功能，该装置是将上述两功能集成为一体的装置。

4.1 轴心回转装置

轴心回转装置以C形环为主体结构，工件装卡在C形环上，通过C形环的旋转实现工件绕轴心线回转的功能。轴心回转装置主要分为两个部分，一部分是图5所示的与俯仰旋转固定连接的C形环支座，另一部分是C形环部分。C形环支座的连接面板与俯仰旋转装置的回转支承外圈连接，这样便使整个轴心回转装置能够随着俯仰旋转机构的转动而转动。C形环支座上的两侧板之间连接过渡连接块，过渡连接块两侧安装有弧形导轨。C形环与弧形导轨配合并在其上滑动，为防止C形环因重力等作用从弧形导轨滑出脱落，支座两端安装有限位挡块。

图5 轴心回转支座与传动

轴心回转驱动装置水平安装在C形环支座上，驱动装置的构成形式与俯仰旋转驱动单元的驱动装置相同，只是元件能力、型号不同。驱动小齿轮透过C形环支座的侧板，在两侧板之间与C形环外背上的齿啮合，实现C形环驱动。C形环外背侧齿末端安装有两个限位挡块，与安装在C形环支座立板中间的两个限位挡块作用，来防止C形环因旋转过度而滑出情况的发生，确保装配作业过程中的安全。

4.2 夹持装置与装卡

C形环不但要完成绕轴心线的转动功能，还是承载与连接的主体。整个C形环由钢板焊接而成，内部中空且焊接有筋板，以此来保证C型环结构强度和刚度。根据所要装卡的航空发动机的支撑部位与连接界面，再在C形环主体的侧面安装三个夹持装置，共同组成装卡装置。夹持装置与C形环主体部分采用螺栓连接，通过互换夹持装置实现不同型号发动机的夹持固定，提高装配平台的通用化程度。

如图6所示，夹持装置布置在在C形环主体的一侧，通过销轴或支架与发动机对应位置上的安装节相连接。每一夹持装置的位置与连接方式均要同所装卡的航空发动机机匣上的接口匹配。夹持装置装卡点的轴向位置固定，即每一接触点到C形环侧连接面的距离为定值，接触点的径向位置需要变化，方便与航空发动机的连接。装卡时首先使发动机进入C形环，轴向调整位置使发动机机匣上的连接位置，与C形环上夹持装置的夹持销轴或支架对正，分别调整每一夹持装置与发动机的连接部位接触，夹紧并锁止。

图6 C形环及夹持装置

5 结束语

航空发动机三自由度装配平台用于航空发动机装配过程的工装设备，在航空发动机装配过程中，可实现垂直升降、俯仰旋转、轴心回转等特定动作，满足航空发动机在装配过程中对于姿态调整的各项要求，能够使得航空发动机姿态调整和装配操作过程更安全、高效。装配平台通过改变装卡装置可实现不同型号发动机的通用，用于多种型号航空发动机的主单元体及整机装配。

[1]黄松，王志.基于Solidworks的多自由度航空发动机装配平台设计与分析[J].航空制造技术，2015（S1）：84-86.

[2]周烁，孙凯.大型商用航空发动机整机装配厂房起重设备配置方案[J].起重运输机械，2013（12）：12-16.

[3]朱涛，莫蓉.航空发动机装配工艺执行系统关键技术研究[J].制造业自动化，2009，31（3）：24-28.

[4]《航空制造工程手册-发动机装配与试车》总编委会.航空制造工程手册[M].北京：航空工业出版社，1995.

Structure Design of Three Degree-of－freedom Assembly Devicefor Aero-engine

WANG Zhi，LIU Qing-lin，RAN Jian，QI Xiang-yang，AN Xi-ping，CHEN Yu
（Chinese Academy of Agricultural Mechanization Sciences，Beijing 100083，China）

The three degree of freedom aero-engine assembly platform is a kind of fixed equipment.The assembly platform consists of three main components，vertical lifting，pitching rotating and pivot rotating.The axis rotary device can rotate around the axis line which includes clamping device，the device adopts C ring main structure,C ring is installed on the device for aero engine and connected clamping，clamping device can realize the change of different types of engine mount.The vertical lifting device is attached to the platform body，and all the moving mass moves up and down the vertical track.The pitching and rotating device is between the vertical lifting and the pivot rotating device，and the two are connected together while realizing the rotation of the device.Through the movement of the three device，the object holding the card can maintain a plurality of assembly postures.

3-DOF；aero-engine；assembly device；structuredesign

V263.2

A

1672-545X（2017）07-0001-04

2017-04-21

王志（1963－），男，辽宁盖县人，博士生导师，研究员，研究方向：机械设计与理论。