直升机升力系统自动化装配工艺设计及验证

胡文骐 周方云

（江西昌河航空工业有限公司，江西 景德镇 333001）

升力系统是直升机的核心部件，用于改变传动方向、传递发动机功率、产生升力，系统主要包括减速器、自动倾斜器、桨毂、及旋翼，其中主桨毂和自动倾斜器安装在主减速器上，主旋翼安装在主桨毂上。通常直升机自动倾斜器与主减速器通过球铰与主减速器精加工配合面套合的方式连接，而主桨毂与主减速器通过精密齿型花键进行连接，装配精度要求较高。

目前升力系统关键部件地面组立通过吊车手工完成装配，由于部件重量过大，吊装过程中难以精确、有效控制部件的运动，且吊装设备精度低，需大量的人工操作，严重影响直升机的装配效率与质量。随着我国大吨位直升机的研发，单纯依靠吊装方式进行地面装配的弊端会更加突显。亟需开展升力系统关键部件自动化检测及精密装配技术研究，开展相关验证的工艺设计及验证，以此提高装配效率、精度和质量，提升我国直升机装配的技术水平与能力。

1 研究背景

1.1 现状

目前直升机升力系统地面组立装配过程为主减速器固定，通过吊车手工完成自动倾斜器和主桨毂的吊装和装配，由于部件重量过大，吊装过程中难以精确、有效控制部件的运动，且吊装设备精度低，需大量的人工操作，装配过程中易出现碰撞导致的部件损伤，严重影响直升机的装配效率与质量。随着我国大吨位直升机的研发，自动倾斜器、主桨毂的尺寸与重量均会大幅度增加，单纯依靠吊装方式进行地面装配的弊端会更加突显，升力系统组成及吊装安装现状如图1 所示。

图1 升力系统组成及吊装安装现状

1.2 问题分析

由于现有的直升机升力系统装配方式为使用吊车进行手工装配，在以往的生产中多次暴露问题，经统计分析，相关问题可分为以下三类：

1.2.1 装配易损伤

主桨毂吊装运动精度差，容易发生碰撞，造成零件损伤。装配主桨毂时采用简易吊带与吊车连接，吊车精度低，装配过程中难以精确、有效控制主桨毂的运动；同时不具备旋转功能，特别是在花键齿的宽齿配合时，需要旋转主桨毂对准齿槽，依靠人工控制，力度难以均匀把握，齿轮和齿槽极易发生碰撞，造成零件损坏。

1.2.2 装配周期长

装配过程无在线测量手段，只能通过人工观察进行，多次调整，装配效率低。主桨毂和自动倾斜器与主减速器装配过程中，主桨毂和自动倾斜器的位姿全部通过工人的观察来判读，无测量手段保证，只能通过反复试装的方式完成装配，装配效率低，周期长。

1.2.3 装配精度低

主桨毂与主减速器精密齿型花键配合精度达到0.1mm，自动倾斜器与主减速器的孔轴配合精度达到0.2mm，均是直升机装配的关键工序。装配过程无数字化线测量手段，装配精度低。升力系统关键部件装配过程中，全部依靠人工观察的方法进行装配，装配精度低。装配过程中只关注配合区的情况，不考虑关键部件的整体姿态，装配精度同样比较低。

1.3 研究目标

针对直升机升力系统关键部件装配易损伤、生产周期长、精度低等问题，建立全新的自动倾斜器与主减速器、主桨榖与主减速器的地面组立装配工艺流程，研制一套通用的自动化装配系统，针对中型、大型直升机设计制造模拟试验件进行应用验证，形成直升机升力系统关键部件自动化装配工艺规范，实现直升机升力系统的高效率、高精度、高可靠性装配。

2 关键技术

2.1 直升机升力系统关键部件自动化装配方案设计研究

将直升机升力系统关键部件装配方案规划工作，围绕夹持、测量、调整共三个维度开展。梳理、分析并研究公司现有装配方案在三个维度中各项技术的运用情况；分析直升机升力系统关键部件自动化装配方案在三个维度中各项技术的需求；对比研究现有装配方案和自动化装配方案需求间的矛盾，围绕三个维度开展装配方案重新规划工作：

通过对不同机型升力系统关键部件的区别分析，结合自动化装配设备的特点，研究关键部件快速上架技术规划；通过关键部件结构分析及测量要求，研究数字化测量技术规划；通过升力系统关键部件配合方式与自动化装配设备的特点分析，研究关键部件自动精确调姿技术规划，最终建立一套全新的装配方案。

2.2 面向自动化装配的工艺设计及优化研究

基于全新设计的装配方案，从装配基准选择、装配定位方法、装配协调方法、工艺模型建立、装配工艺分离面划分等方面实现对升力系统关键部件装配工艺的重新最优设计。通过分析公司现有装配工艺技术现状，研究自动化装配的工艺需求，通过数字化仿真模拟技术，对比研究现状和需求，发现问题；针对发现的问题，运用数字化仿真模拟技术，寻求最优解决方案，最终应用到装配基准选择、装配定位协调方法、工艺分离面的优化改进之中，最终形成解决升力系统关键部件装配工艺问题的最优工艺设计。具体技术方案如下：

通过结构特点分析将关键部件划分成主减速器、自动倾斜器和主桨毂三大部件；结合自动化装配的需求，将关键部件进行装配模型简化，在全机坐标系下将简化装配模型、自动化装配设备模型、数字化测量模型、夹持工装模型等与装配信息结合形成自动化装配工艺模型；采用穷举法得到可用的关键部件装配基准，再根据自动化装配和关键部件的结构特点进行分析，优选出装配基准；根据关键部件装配技术要求，将自动化装配设备和数字化测量技术应用到装配中，通过装配流程仿真得到最优的夹持定位方法、位置及数字化测量协调方法。

2.3 直升机升力系统关键部件自动化装配流程设计研究

充分运用重新设计的升力系统关键部件装配工艺，开展升力系统关键部件装配流程的仿真，从上架流程、装配流程等方面对升力系统关键部件现有装配流程进行再造。通过仿真公司现有装配流程，同步研究其与自动化装配流程的技术差距，运用数字化仿真验证技术，消除发现的技术差距。运用数字化仿真验证优化成果，实现对现有装配流程再造，以满足升力系统关键部件自动化装配的流程需要，固化相关技术成果。

3 应用验证

根据自动化装配工艺设计和仿真的结果，结合关键部件自动化装配设备的运动特点，首先依据对主减速器的定位技术要求，设计装配过程中主减速器运输、入位及锁死等上架流程；其次依据对主桨毂和自动倾斜器的定位技术要求，设计装配过程中主桨毂和自动倾斜器输、入位及锁死等上架流程；最后依据关键部件的装配技术要求，设计主桨毂和自动倾斜器调姿、装配及下架流程，本项目验证划分为：准备工作、产品上架、自动倾斜器装配、主桨毂装配、人工作业、产品下架共6 个步骤开展，验证流程如图2 所示。

图2 验证流程图

3.1 准备工作

准备工作分为系统准备以及产品准备。系统准备工作首先需要给自动化装配系统进行供电进行开机自检；其次完成测量场的建立及标定，保证测量精度满足验证工作需要；最后将主减速器平台、主桨毂定位工装、自动倾斜器定位工装分别吊装入位。主减速器平台、主桨毂定位工装、自动倾斜器定位工装如图3 所示。

图3 主减速器平台、主桨毂定位工装、自动倾斜器定位工装

产品准备工作首先将主减速器、主桨毂、自动倾斜器的外包装分别拆卸，最后将主减速器、主桨毂、自动倾斜器分别安装至主减速器平台、主桨毂定位工装、自动倾斜器定位工装上。主减速器准备、主桨毂准备、自动倾斜器准备如图4 所示。

图4 主减速器准备、主桨毂准备、自动倾斜器准备

3.2 产品上架

产品上架主要工作是将主减速器及其支撑模块以及自动倾斜器及其夹持工装吊装至装配平台上，为下一步自动倾斜器装配做准备。产品上架示意如图5 所示。

图5 产品上架示意

3.3 自动倾斜器装配

自动倾斜器装配首先需要在主减速器主轴上安装限位块，操作系统装配平台移动至自动倾斜器夹持位置，装配平台上的并联机构抓取自动倾斜器，装配平台移动至主减速器上方的装配位置，通过孔轴配合测量进行路经计算指导系统将自动倾斜器姿态调整到位最终完成自动倾斜器与主减速器的装配，装配完成后将自动倾斜器上的夹持模块拆卸并撤出装配平台，为下一步主桨毂装配做准备。并联机构、安装夹持模块的自动倾斜器、自动倾斜器装配如图6 所示。

图6 并联机构、安装夹持模块的自动倾斜器、自动倾斜器装配

3.4 主桨毂装配

首先将主桨毂夹持模块与定位模块连接，主桨毂及其夹持工装吊装至装配平台，其次操作系统装配平台移动至主桨毂夹持位置，装配平台上的并联机构抓取抓取主桨毂，装配平台移动至主减速器上方的装配位置，通过齿形配合测量进行路经计算指导系统将主桨毂姿态调整到位最终完成主桨毂同主减速器主轴的装配，装配完成后将主桨毂夹持模块拆卸并撤出装配平台。安装夹持模块的主桨毂、主桨毂装配如图7 所示。

图7 安装夹持模块的主桨毂、主桨毂装配

3.5 人工作业及产品下架

通过以上4 个步骤，已经将自动倾斜仪和主桨毂同主减速器进行装配，还需要手工将变距拉杆组件等附件按要求进行装配，最终完成主减速器的地面组立，本次直升机升力系统自动装配工艺设计及验证工作结束。

结束语

通过本次直升机升力系统自动化装配技术研究与应用工作，开展了大型直升机自动倾斜器及主桨榖装配工艺设计以及验证技术研究，通过自主创新、自主保证，突破核心关键技术，制造具有自主知识产权的工艺装备替代进口设备，并经过工艺仿真及现场应用验证，形成可用的工艺规范和工艺数据资源库，支持、引领航空科技工业自主发展、持续发展及技术创新能力，推动全行业工艺技术水平的整体跃升。