中航工業(yè)西安航空發(fā)動(dòng)機(jī)（集團(tuán)）有限公司 魏小紅 陳貴林 田小京 席 峰 桂修瓊

航空發(fā)動(dòng)機(jī)裝配是發(fā)動(dòng)機(jī)制造過(guò)程中最為重要的環(huán)節(jié)之一，其裝配技術(shù)水平和裝配質(zhì)量直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的工況特性，決定著發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性、壽命及主要性能參數(shù)。但是，業(yè)內(nèi)航空發(fā)動(dòng)機(jī)總裝配多年來(lái)依然采用傳統(tǒng)裝配方法，圍繞固定站位，基于剛性型架進(jìn)行手工垂直裝配，裝配質(zhì)量不穩(wěn)定，裝配效率低，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大，裝配作業(yè)管理困難，與國(guó)際先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)裝配技術(shù)的差距巨大，已成為制約我國(guó)航空工業(yè)發(fā)展的瓶頸之一。在中國(guó)制造2025戰(zhàn)略的指引下，研究航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字化脈動(dòng)裝配技術(shù)，規(guī)劃發(fā)動(dòng)機(jī)脈動(dòng)總裝生產(chǎn)線，對(duì)提升航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造技術(shù)水平，實(shí)現(xiàn)跨越發(fā)展具有重大意義。

1 航空發(fā)動(dòng)機(jī)裝配技術(shù)

航空發(fā)動(dòng)機(jī)由數(shù)千或上萬(wàn)的零件以及由這些零件組成的組件、部件、單元體和系統(tǒng)附件、成品件組成。裝配是把制造合格的零、部、組件、單元體及成、附件，按設(shè)計(jì)總圖樣和技術(shù)規(guī)程進(jìn)行組合，形成發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)的裝配生產(chǎn)過(guò)程[1]?？傃b配是指?jìng)鲃?dòng)機(jī)構(gòu)裝配（簡(jiǎn)稱傳動(dòng)裝配或裸機(jī)裝配）和發(fā)動(dòng)機(jī)外部、組件、附件各系統(tǒng)等零件按照一定程序安裝（稱發(fā)動(dòng)機(jī)總裝配）的工藝過(guò)程，分為一次裝配（初裝）、二次裝配（檢裝）和研制過(guò)程的多次裝配?？梢钥闯?，航空發(fā)動(dòng)機(jī)裝配非常復(fù)雜，需要完成初裝→試車→拆解→故檢→二次裝配→二次試車→交付的工藝過(guò)程。

目前，我國(guó)生產(chǎn)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)、壓氣機(jī)、渦輪等大部件連接時(shí)同軸度的調(diào)整，以及各轉(zhuǎn)子部件的軸向間隙調(diào)整，必須在發(fā)動(dòng)機(jī)總裝配中進(jìn)行，因?yàn)閲?guó)內(nèi)航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、制造水平的局限，決定了零件的互換性不強(qiáng)，必須經(jīng)過(guò)選配調(diào)整才能達(dá)到總裝的技術(shù)要求，因此必須把發(fā)動(dòng)機(jī)翻轉(zhuǎn)到垂直或處于一定角度的位置，才能完成裝配作業(yè)，有時(shí)可能還要反復(fù)調(diào)整多次；且大多需要裝配工手工調(diào)整或安裝，上下移動(dòng)到適當(dāng)位置才能安裝。所以常采用固定站位裝配架進(jìn)行安裝。資料顯示，有用裝配車架上的水平裝配，也有固定在4或6根獨(dú)立裝配支柱上的水平裝配。但這種裝配只適合小批量生產(chǎn)，無(wú)法通過(guò)增加人手加快裝配，不適合大批量生產(chǎn)。也有資料顯示，采用電動(dòng)升降平臺(tái)（見(jiàn)圖1）可降低裝配工勞動(dòng)強(qiáng)度。某企業(yè)采用地坑式總體設(shè)計(jì)方案，使用絲杠、絲母，渦輪、蝸桿組合升降機(jī)構(gòu)，裝配架可任何位置定位，雙重自鎖，運(yùn)行平穩(wěn)，保證了航空發(fā)動(dòng)機(jī)裝配安全性。但裝配過(guò)程均以手工裝配為主，裝配速度慢、效率低，發(fā)動(dòng)機(jī)裝配質(zhì)量受限于裝配人員技術(shù)水平。在生產(chǎn)組織、流程、工裝設(shè)備、配套模式等各方面仍沿用傳統(tǒng)裝配模式。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)垂直裝配電動(dòng)升降平臺(tái)Fig.1 Vertical assembly electric lifting platform of engine

2 航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字化脈動(dòng)裝配技術(shù)研究進(jìn)展

西北工業(yè)大學(xué)孫茉莉、常智勇、莫蓉[2]，為了解決航空發(fā)動(dòng)機(jī)裝配中出現(xiàn)的錯(cuò)裝、漏裝和裝配選擇繁瑣低效等問(wèn)題，提出了一套面向裝配過(guò)程的可視化管理方案，認(rèn)為航空發(fā)動(dòng)機(jī)裝配數(shù)字化關(guān)鍵技術(shù)為：（1）優(yōu)化模塊。根據(jù)關(guān)鍵尺寸對(duì)倉(cāng)庫(kù)中需要裝配的零件進(jìn)行分組，進(jìn)行零件優(yōu)配；（2）裝配工藝可視化。通過(guò)處理工藝規(guī)程信息、裝配過(guò)程動(dòng)畫(huà)、提醒信息和警告信息，對(duì)裝配經(jīng)驗(yàn)總結(jié)與提煉。（3）裝配履歷管理。建立電子表格管理的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，把裝配履歷表的信息轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)化有源數(shù)據(jù)。

沈陽(yáng)航空航天大學(xué)王晶[3]，在碩士論文《面向航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字化裝配的公差分析技術(shù)研究》中，介紹了數(shù)字化裝配技術(shù)，主要包括數(shù)字化裝配協(xié)調(diào)技術(shù)、數(shù)字化裝配公差分析和分配技術(shù)、自定位與無(wú)型架定位數(shù)字化裝配技術(shù)、數(shù)字化裝配工藝設(shè)計(jì)技術(shù)和數(shù)字化裝配過(guò)程仿真驗(yàn)證技術(shù)。通過(guò)虛擬裝配技術(shù)，建立公差和裝配模型，依據(jù)基于UG的裝配特征信息數(shù)據(jù)庫(kù)，完成了航空發(fā)動(dòng)機(jī)裝配尺寸鏈的公差分析研究。

周爍、汪俊熙、劉宜勝等[4]，在論文《大型商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)裝配工藝淺析》中，介紹了大型商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)的構(gòu)型特征、裝配工藝和關(guān)鍵技術(shù)、發(fā)動(dòng)機(jī)總裝工藝技術(shù)及展望。將發(fā)動(dòng)機(jī)總裝理解為：將各個(gè)主單元體進(jìn)行安裝，形成主機(jī)后，再進(jìn)行剩余外部結(jié)構(gòu)（如附件、管路、安裝系統(tǒng)等）安裝，最終形成整機(jī)的過(guò)程。發(fā)動(dòng)機(jī)總裝分為主機(jī)裝配和外部裝配兩部分，主機(jī)裝配（單元體之間的精確安裝）是總裝工藝核心技術(shù)內(nèi)容，也是當(dāng)前發(fā)動(dòng)機(jī)裝配的主要工藝難點(diǎn)和薄弱點(diǎn)。當(dāng)前手工借助吊車完成主單元體的調(diào)姿和定位，很容易造成磕碰和卡滯，效率低。工人操作經(jīng)驗(yàn)是影響裝配質(zhì)量的關(guān)鍵因素，并且未來(lái)高性能發(fā)動(dòng)機(jī)具有精準(zhǔn)的鏈接配合（間隙、過(guò)盈）要求，使當(dāng)前的裝配技術(shù)方法面臨更大挑戰(zhàn)。

3 航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字化脈動(dòng)總裝配線規(guī)劃

3.1 脈動(dòng)式總裝線

脈動(dòng)式裝配生產(chǎn)線是按節(jié)拍移動(dòng)的一種裝配線，運(yùn)用精益制造思想，對(duì)裝配過(guò)程進(jìn)行流程再設(shè)計(jì)、優(yōu)化和平衡，實(shí)現(xiàn)按設(shè)定節(jié)拍的站位式裝配作業(yè)，達(dá)到縮短裝配周期、滿足客戶要求的裝配生產(chǎn)形式，是介于固定站位裝配與連續(xù)移動(dòng)裝配之間的一種裝配生產(chǎn)形式，其典型特征是產(chǎn)品移動(dòng)時(shí)不進(jìn)行裝配作業(yè)，裝配作業(yè)時(shí)產(chǎn)品不移動(dòng)，建設(shè)流程如圖2所示。

近年來(lái)，斯奈克瑪（SNECMA）、普惠（PW）等國(guó)際著名航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造企業(yè)，將汽車生產(chǎn)線集成理念應(yīng)用于CMF56系列發(fā)動(dòng)機(jī)、PW800&PW1000發(fā)動(dòng)機(jī)脈動(dòng)裝配流水線，取得成功。法國(guó)SNECMA公司在巴黎Villaroche工廠采用水平脈動(dòng)式裝配模式建設(shè)CMF56系列發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)線，裝配效率提高了25%，生產(chǎn)周期減少30%，生產(chǎn)線2.5天完成一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)裝配，加拿大普惠公司也取得了4h生產(chǎn)一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的效率。圖3為法國(guó)CLEMENSSY公司為SNECMA公司做的一條CMF56發(fā)動(dòng)機(jī)脈動(dòng)式總裝線演示截圖。

圖2 脈動(dòng)式裝配線流程圖Fig.2 Flow chart of pulse assembly production line

圖3 CMF56發(fā)動(dòng)機(jī)脈動(dòng)式總裝線演示截圖Fig.3 Demo screenshot of pulse assembly production line of CMF56 engine

3.2 國(guó)產(chǎn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)脈動(dòng)總裝線的可行性分析

根據(jù)脈動(dòng)裝配線產(chǎn)品移動(dòng)時(shí)不裝配，裝配作業(yè)時(shí)產(chǎn)品不移動(dòng)，產(chǎn)品按節(jié)拍移動(dòng)的典型特征，決定了可裝配的發(fā)動(dòng)機(jī)必須具備適合移動(dòng)裝配的特征。結(jié)合CMF56系列發(fā)動(dòng)機(jī)、PW800&PW1000發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析，可以肯定采用大部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的大涵道比航空發(fā)動(dòng)機(jī)更適合脈動(dòng)裝配。由于大型軍用、民用飛機(jī)所選用的動(dòng)力大多為大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，采用單元體設(shè)計(jì)，一般采用裝配架水平裝配或裝配井裝配。綜合分析認(rèn)為，國(guó)產(chǎn)大涵道比發(fā)動(dòng)機(jī)采用脈動(dòng)裝配方式可行。

3.3 大涵道比發(fā)動(dòng)機(jī)建設(shè)脈動(dòng)總裝線的必要性

我國(guó)大型軍用、民用飛機(jī)研制正處于攻堅(jiān)階段，其應(yīng)用前景廣闊，市場(chǎng)需求量大，可以預(yù)見(jiàn)，隨著我國(guó)大飛機(jī)研制進(jìn)程的不斷深入并進(jìn)入市場(chǎng)應(yīng)用，大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的需求量將越來(lái)越大。當(dāng)前發(fā)動(dòng)機(jī)裝配工藝水平、生產(chǎn)組織模式和裝配工裝已與發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)及零部件制造水平不協(xié)調(diào)，難以滿足大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)、高質(zhì)量、長(zhǎng)壽命的裝配質(zhì)量需求，也難以滿足國(guó)家對(duì)大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)批量生產(chǎn)和維修的發(fā)展需求。

3.4 規(guī)劃中應(yīng)考慮的幾個(gè)問(wèn)題

（1）我國(guó)大型軍用、民用飛機(jī)還處于研制階段，相應(yīng)的大涵道比發(fā)動(dòng)機(jī)還沒(méi)有固定的需求量，所以脈動(dòng)總裝線應(yīng)采用模塊化設(shè)計(jì)，先進(jìn)行工藝重構(gòu)和試驗(yàn)，成熟后根據(jù)生產(chǎn)綱領(lǐng)進(jìn)行復(fù)制建設(shè)。

（2）我國(guó)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)總裝，需要完成初裝→試車→拆解→故檢→二次裝配→二次試車→交付的工藝過(guò)程，所以在規(guī)劃中應(yīng)充分考慮拆解和故檢工藝的實(shí)施方案，以及二次裝配零部件的識(shí)別和存儲(chǔ)方法。

（3）航空發(fā)動(dòng)機(jī)的需求量不像汽車產(chǎn)量相對(duì)穩(wěn)定。不同型號(hào)規(guī)格的發(fā)動(dòng)機(jī)混線總裝，應(yīng)充分考慮生產(chǎn)線的柔性，并采用多用途柔性工裝，減少工裝存儲(chǔ)空間，適應(yīng)柔性裝配需求。

（4）國(guó)產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)制造精度及工件一致性難以滿足批量生產(chǎn)裝配中的互換性要求，發(fā)動(dòng)機(jī)下線幾率較大，應(yīng)充分考慮生產(chǎn)線的下線功能和修理工位的建設(shè)。

3.5 規(guī)劃技術(shù)路線

（1）針對(duì)大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的裝配需求，在對(duì)現(xiàn)有裝配工藝分析總結(jié)的基礎(chǔ)上，通過(guò)節(jié)拍均衡評(píng)估、工藝分解重組和新工藝研究，規(guī)劃適合于發(fā)動(dòng)機(jī)水平脈動(dòng)式總裝配的工藝方案，結(jié)合流水線作業(yè)特點(diǎn)，完成大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)水平脈動(dòng)式裝配生產(chǎn)線總體布局設(shè)計(jì)，并進(jìn)行工藝仿真優(yōu)化。

（2）根據(jù)大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、裝配工藝要求和水平脈動(dòng)式裝配線的總體布局規(guī)劃，并行開(kāi)展發(fā)動(dòng)機(jī)主體水平位姿調(diào)整、保姿態(tài)升降和站位間安全運(yùn)輸技術(shù)、典型單元體自動(dòng)化調(diào)姿及水平對(duì)接裝配技術(shù)、關(guān)鍵裝配參數(shù)在線檢測(cè)技術(shù)及生產(chǎn)線集成控制技術(shù)進(jìn)行研究。

（3）完成相關(guān)理論研究后，結(jié)合生產(chǎn)線的總體要求，研制模塊化裝配工位，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)主體水平位置-姿態(tài)調(diào)整、保姿態(tài)升降和站位間運(yùn)輸功能，并開(kāi)發(fā)相應(yīng)的脈動(dòng)生產(chǎn)線控制系統(tǒng)軟件；研制適合脈動(dòng)式裝配生產(chǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)單元體自動(dòng)化調(diào)姿及水平對(duì)接工藝裝備并開(kāi)發(fā)各類單元體調(diào)姿對(duì)接裝備控制軟件；研制可在線操作的整機(jī)轉(zhuǎn)靜子同軸度、轉(zhuǎn)子安裝軸向尺寸數(shù)字化測(cè)量設(shè)備；開(kāi)發(fā)適合脈動(dòng)生產(chǎn)方式的發(fā)動(dòng)機(jī)裝配計(jì)劃調(diào)度管理、物流配送管理、裝配技術(shù)狀態(tài)控制等裝配生產(chǎn)管理系統(tǒng)。

（5）基于現(xiàn)場(chǎng)總線及工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)，研究水平脈動(dòng)式裝配生產(chǎn)線中不同設(shè)備、操作/管理軟件的集成、典型單元體調(diào)姿及水平對(duì)接裝備、在線測(cè)量設(shè)備、生產(chǎn)線移動(dòng)控制系統(tǒng)、典型單元體調(diào)姿及水平對(duì)接控制軟件、生產(chǎn)線的管控系統(tǒng)的集成，形成脈動(dòng)式生產(chǎn)線集成控制系統(tǒng)。

（6）利用研制的核心設(shè)備和軟件系統(tǒng)，結(jié)合具體的發(fā)動(dòng)機(jī)裝配需要，開(kāi)發(fā)集成式、柔性化單元體輔助裝配工裝，建設(shè)大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字化水平脈動(dòng)式裝配生產(chǎn)線，并進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)裝配轉(zhuǎn)線投產(chǎn)及持續(xù)改進(jìn)。

3.6 發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字化脈動(dòng)總裝應(yīng)解決的技術(shù)問(wèn)題

（1）發(fā)動(dòng)機(jī)零部件的數(shù)字化檢測(cè)技術(shù)及標(biāo)準(zhǔn)。由于復(fù)雜的航空發(fā)動(dòng)機(jī)零部件通常在不同的制造廠生產(chǎn)，檢測(cè)數(shù)據(jù)需要在生產(chǎn)廠間傳遞，在“互聯(lián)網(wǎng)+”和“大數(shù)據(jù)”時(shí)代，需要將檢測(cè)數(shù)據(jù)變成有源數(shù)據(jù)，所以必須解決數(shù)字化檢測(cè)和標(biāo)準(zhǔn)問(wèn)題。

（2）發(fā)動(dòng)機(jī)零部件、單元體的身份識(shí)別技術(shù)及標(biāo)準(zhǔn)。為了航空制造過(guò)程的可追溯性，傳統(tǒng)采用手寫(xiě)零件號(hào)、條碼對(duì)零件進(jìn)行標(biāo)識(shí)，建立履歷表。要實(shí)現(xiàn)數(shù)字化裝配，需要建立數(shù)字化履歷表，零部件身份需要電子化自動(dòng)識(shí)別，需要推進(jìn)二維碼標(biāo)識(shí)技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)（條碼的誤碼率較高）的技術(shù)研究和標(biāo)準(zhǔn)制定，研究單元體采用RFID芯片身份識(shí)別技術(shù)及標(biāo)準(zhǔn)，并實(shí)現(xiàn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)交互式裝配操作引導(dǎo)[5]。

（3）數(shù)字化信息平臺(tái)的技術(shù)規(guī)劃。利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)多廠制造協(xié)調(diào)、裝配計(jì)劃管理、裝配過(guò)程管理、裝配工位控制、電子履歷建立、數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計(jì)、容差分配、工藝仿真等功能（見(jiàn)圖4）。

圖4 數(shù)字化信息平臺(tái)Fig.4 Digital information platform

（4）航空發(fā)動(dòng)機(jī)裝配的容差優(yōu)化分配和工藝仿真技術(shù)。針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)總裝工藝規(guī)劃和優(yōu)化的需求，對(duì)各大部件的檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行容差優(yōu)化分配，采用三維數(shù)字化手段仿真發(fā)動(dòng)機(jī)總裝工藝過(guò)程，模擬裝配路徑、次序和動(dòng)態(tài)間隙，檢查可能存在的碰撞和干涉，驗(yàn)證裝配操作的可行性和可達(dá)性；采用人機(jī)工學(xué)方法，分析裝配工序的可操作性、可視度和舒適度；構(gòu)建水平脈動(dòng)式總裝生產(chǎn)線仿真模型，仿真總裝工藝布置、物流控制、生產(chǎn)線平衡節(jié)拍，驗(yàn)證生產(chǎn)節(jié)拍和生產(chǎn)物流，建立裝配生產(chǎn)線瓶頸識(shí)別和消除機(jī)制，完成水平脈動(dòng)式裝配生產(chǎn)線工藝優(yōu)化，研究均衡輔助分析決策理論和實(shí)現(xiàn)方法，平衡脈動(dòng)生產(chǎn)線的生產(chǎn)能力。

4 結(jié)束語(yǔ)

航空發(fā)動(dòng)機(jī)脈動(dòng)總裝線規(guī)劃，必須以航空發(fā)動(dòng)機(jī)裝配工藝技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合先進(jìn)設(shè)備制造技術(shù)、運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)信息化技術(shù)、數(shù)字化檢測(cè)技術(shù)、模擬仿真技術(shù)、公差分析技術(shù)等。研究航空發(fā)動(dòng)機(jī)脈動(dòng)總裝的可行性和必要性，協(xié)調(diào)各相關(guān)專業(yè)技術(shù)的相容性和配合接口標(biāo)準(zhǔn)。

采用單元體設(shè)計(jì)并可水平總裝的大涵道比發(fā)動(dòng)機(jī)適合采用水平脈動(dòng)總裝生產(chǎn)組織方式，結(jié)合未來(lái)需求預(yù)期，具備采用脈動(dòng)裝配的可行性和必要性。但由于能力需求的不確定性，前期規(guī)劃必須采用模塊化柔性設(shè)計(jì)方案、多用途柔性工裝。結(jié)合產(chǎn)品數(shù)學(xué)模型，研究數(shù)字化檢測(cè)技術(shù)及標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)識(shí)技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)，使各相關(guān)數(shù)據(jù)變?yōu)橛性獢?shù)據(jù)，運(yùn)用信息技術(shù)和大數(shù)據(jù)，進(jìn)行容差優(yōu)化分配和工藝仿真技術(shù)研究，提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)一次裝配合格率。

通過(guò)航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字化脈動(dòng)總裝線的規(guī)劃實(shí)施，新觀念、新技術(shù)的研究推進(jìn)，進(jìn)行工藝重組優(yōu)化，力爭(zhēng)使我國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)總裝水平達(dá)到或超過(guò)世界先進(jìn)水平，并徹底改變發(fā)動(dòng)機(jī)的總裝工藝，實(shí)現(xiàn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)總裝配一次試車合格交付的工藝標(biāo)準(zhǔn)。

[1] 《航空制造工程手冊(cè)》總編委會(huì)主編.航空制造工程手冊(cè):發(fā)動(dòng)機(jī)裝配與試車.北京:航空工業(yè)出版社，1995.

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