飞机发动机数字化对接安装工艺研究

刘旋

摘 要： 研究数字化对接安装工艺在飞机发动机制造中的应用。首先，描述了传统安装工艺，突出其繁琐和高人力成本。接着探讨数字化工艺的优势，包括提高效率、降低成本和提高精确度。详细介绍激光跟踪测量系统、脉动生产线集成管理系统和发动机数字化安装平台的作用。然后，讨论了数字化对接可能遇到的问题，以及规划设计的关键要点。总结了数字化对接的优势和应用，并展望了未来的发展方向，着重强调了技术创新和可持续性的推动作用。

关键词： 数字化对接 飞机发动机装配 工艺优化 安装

中图分类号： TP393文献标识码： A文章编号： 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

引擎发动机的对接安装是飞机总装工序中的关键环节，对安装质量和最终的飞机性能和运行安全产生直接影响。尽管我国已经取得了在飞机发动机领域的重要成就，成为全球仅有5个独立研发飞机发动机的国家之一，但在发动机安装技术方面，仍然面临一定的挑战[1]。传统的发动机安装工艺依赖于人工经验和目视校准，操作繁琐，安装难度较大，容易出现位置偏差和重复性问题，从而导致安装效率低下和人工成本上升。为了提高飞机发动机装配工作的效率和质量，数字化对接安装工艺应运而生。这一新兴技术利用激光测量系统、集成管理系统和数字化安装平台等组成部分，通过自动化和精准的方式来调整发动机的位置和姿态，从而实现飞机发动机的精确装配。

1 飞机发动机数字化对接安装工艺的优势

1.1 传统发动机安装工艺

第一步，安装人员需要将专用对接车推行至飞机尾部，以便将发动机安装到机身上。这一步需要凭借工作经验和目测将对接车与飞机轴线调整至同一水平高度。第二步，安装人员要使用手摇把手，进一步将对接车升至适宜的高度，以便与飞机对接。专用起吊设备被用来将发动机安装到对接车上[2]，这涉及人工操作，将发动机从地面起吊并固定在对接车上。安装人员必须使用人工力量将固定在对接车上的发动机向前推进，直至发动机上方挂点与飞机的安装轨道相吻合。如果对接不准确，需要重新进行第一步和第二步的位置校准。第三步，安装人员会手动推动发动机缓慢地进入飞机的轨道舱内。这一步需要不断地调整发动机的位置，以确保其顺利安装。第四步，一旦发动机安装在位，安装人员需要对发动机的所有安装点进行人工固定，以确保牢固地连接到飞机结构上。第五步，将对接车从已安装的发动机下方撤除，以完成安装过程。

传统的发动机安装工艺存在着一系列问题，包括人工操作复杂、繁琐，对工人的要求高，容易出现人为误差，安装时间长，安装精度难以保证。因此，数字化对接安装工艺的出现为这些问题提供了解决方案，通过激光测量和自动化控制来提高安装精度和效率。

1.2 数字化对接安装工艺的优势

数字化对接安装工艺相对于传统工艺具有明显的优势，它通过采用现代技术和自动化手段，显著提高了装配效率和精确度，同时降低了人力成本[3]。

数字化工艺采用激光测量系统，可以实现高精度的实时测量。这消除了传统方法中人工校准和调整的需要，节省了大量时间。安装人员不再需要依赖经验，而是依赖精确的测量数据，从而提高了装配精确度。数字化工艺中的机械装置是由系统控制的，能够自动进行位置调整和发动机推进。激光测量系统可以提供高精度的位置和角度测量数据，确保发动机的精确安装。

2 飞机发动机数字化对接安装工艺的具体组成部分

2.1 激光跟踪测量系统

激光跟踪测量系统是数字化对接安装工艺的关键组成部分。其工作原理基于激光测量技术，通过精确的光学测量来实现对目标对象的位置和姿态测量。系统主要由激光跟踪仪（如T-Cam或T-Probe）、联合控制器、定位器和反应器等设备构成[4]。

激光跟踪测量系统的核心任务是测量目标对象的位置和姿态，这通常以三维坐标变换和角度测量的方式实现。假设目标对象在全局坐标系中的坐标为（X，Y，Z），而系统测量得到的坐标为（X，Y，Z），同时提供的角度测量为（α，β，γ）。下面是相关的数学公式：

这些公式描述了在全局坐标系中目标对象的位置与系统测量得到的位置之间的差异，其中ΔX、ΔY和ΔZ分别表示系统测量的坐标偏差。

角度测量通常以欧拉角形式给出，分别表示绕X、Y和Z轴的旋转角度。为了将角度测量应用于坐标变换，需要构建旋转矩阵R，其中Rz（γ）、Ry（β）和Rx（α）分别是绕Z、Y和X轴的旋转矩阵。

这些公式说明了激光跟踪测量系统如何测量目标对象的位置和姿态，并将全局坐标映射到测量坐标系中。实际的测量系统通常会采用更复杂的数学模型来处理误差校正、坐标系转换等问题，但上述公式提供了一个基本的理解。这些测量数据将被传输到集成管理系统，以实现对飞机发动机位置和姿态的实时监控和调整，从而确保装配过程的高精度和可重复性。如果测量受到干扰或偏差过大，激光系统会自动发出警报，通知安装人员进行必要的人工干预，以确保装配质量。

2.2 脉动生产线集成管理系统

集成管理系统的主要职责是监督和协调数字化对接安装工艺中的各个子系统，包括激光跟踪测量系统、站位控制系统、数据库等[5]。确保这些子系统协同工作，以保证飞机发动机的安装和调整工作高效、顺利进行。集成管理系统接收来自激光跟踪测量系统的实时测量数据，然后利用事先设定的安装标准对这些数据进行分析。这包括飞机上的发动机导轨的位置和姿态。系统通过分析数据可以判断当前发动机的位置是否符合要求。如果发动机的位置不符合要求，集成管理系统将下达指令，以调整发动机的位置和方向。它会操控对接安装平台上的机械调资装置，确保发动机满足对接安装的要求。集成管理系统提供了一个人机交互界面，让操作人员能够实时监控系统的运行状态，接收来自系统的异常情况报告和警报信息。这使操作人员可以在需要时介入一定的人工控制行为。

2.3 发动机数字化安装平台

数字化装配平台是飞机发动机数字化对接安装工艺的关键组成部分，其机械结构和自动控制系统的设计具有高度复杂性。以下公式用于更详细地描述数字化装配平台的工作原理。

3 飞机发动机数字化对接安装工艺的难点与规划设计

3.1 工艺难点

安装调姿通常需要高精度和多轴位的定位，以确保发动机与飞机结构的精确对接。这可能涉及到微小的调整和多次尝试，因为发动机的尺寸和形状有时会与设计规范略有不同。数字化对接工艺需要应对这种精确性要求，确保发动机在装配时能够精准地调整到指定位置和姿态。飞机结构的复杂性和多样性可能导致对接安装的挑战。这包括遇到非常规的机身曲线、安装区域的限制和飞机结构的变化。数字化对接工艺需要具备足够的适应性和灵活性，以应对这些挑战，确保对接安装过程可以平稳进行。

3.2 规划设计

采用模块化设计方法，将整个安装过程分解为可独立完成的模块。这些模块可以包括发动机安装、调整、校准、测试等。模块化设计有助于优化资源分配、提高并行性，以及更容易管理和维护。设计工艺时，应强调灵活性，以适应不同飞机型号和配置的装配要求。这包括可调整的夹具和支撑结构，使其能够容纳各种发动机尺寸和形状，以及适应各种机身曲率和配置。利用大数据和分析技术，将数字化对接安装工艺与实时数据采集系统集成。这样，工作人员可以获得有关发动机状态、飞机结构、精确位置和姿态的信息，以做出准确的决策。这有助于优化工艺、提高效率和减少错误。利用自动化技术，如机器人和自动控制系统，执行重复性和高精度的任务，如发动机安装和校准。机器学习算法可以用于实时监测和优化装配过程，从而提高效率。

4 总结与展望

4.1 总结

数字化对接安装工艺在航空制造中带来了显著的优势和广泛的应用。通过数字化技术、自动化装配和智能系统的引入，制造商能够提高装配效率、精确性和可重复性。这不仅有助于减少人力成本，还改进了飞机发动机的装配质量。数字化对接安装工艺还强调了数据驱动决策，使实时信息的分析和利用成为可能，从而减少错误和提高生产线的透明度。更进一步，数字化对接安装工艺通过模块化设计和灵活装配，使制造商能够更好地适应不同飞机配置和需求，增强了产业的灵活性和适应性。此外，机器学习和自动化的整合为飞机装配提供了新的机会，从而提高了效率和质量。

4.2 未来展望

未来，数字技术在飞机发动机装配领域将发挥关键作用。首先，预计更多智能化、自动化和机器学习技术将被广泛采用，以提高装配效率和精确度。例如：自动化调整工具的进一步发展将减少调整时间，智能机器人将能够执行更复杂的任务，提高生产线的自动化程度。数据分析和预测能力将不断提高，有助于更好的资源规划和故障预测。数字双胞胎技术的成熟将允许虚拟装配和测试，从而在实际生产之前进行更多验证，降低了错误成本。数字化装配还将有助于可持续发展目标的实现，如减少废物和资源浪费。通过更好的过程优化和数据分析，飞机发动机的制造将更加环保。数字技术的持续发展将在飞机发动机装配领域带来更多创新，提高效率、质量和可持续性，推动未来的航空制造进一步发展。

参考文献

[1]同更强，刘洁，徐易.航空发动机数字化检测系统[J].航空动力，2022（4）：67-70.

[2]黄大泛.数字化工厂技术在汽车发动机制造企业中的应用[J].内燃机与配件，2021（24）：173-175.

[3]马小飞，柳跃雷，黄涛，等.探究数字化在发动机总装线上的应用[C]//中国汽车工程学会.2021中国汽车工程学会年会论文集（5）.北京：机械工业出版社， 2021：6.

[4]邹伟强.数字化在发动机试制质量控制的应用[J].时代汽车，2021（14）：11-13.

[5]黄发，张中健，酉福飞，等.航空发动机管路数字化制造及应用[J].燃气涡轮试验与研究，2020，33（4）： 53-57.