引言
螺栓连接是航空发动机中应用最广泛的连接方式之一，多达上千处，螺栓的装配质量决定着整个发动机工作的可靠性。我国航空发动机的装配目前还处于初级阶段，远没有实现自动化与标准化，仅依靠个人经验或借助力矩扳手手工实现螺栓拧紧，因此普遍存在螺栓装配一致性差、作业效率低等问题，导致装配质量不稳定、装配组件的动刚度分散性大。在面对航空发动机数量众多的螺栓拧紧过程中，还容易出现漏装和力矩错误的质量问题。
本文在结合航空发动机结构的基础上，调研国内外先进装配技术经验，对回转体机件连接螺栓自动装配方案进行了设计，详细介绍了设备的技术方案；制作出实物，并对某型发动机的燃烧室机匣连接螺栓进行了自动装配试验，以期为未来航空制造及修理过程中回转体机件连接螺栓自动装配提供理论支持和实践基础。
1.回转体机件连接螺栓自动装配装置技术方案设计
1.1功能设计
回转体机件连接螺栓沿周向分布，工人在装配时，需要对螺栓进行预拧紧，然后使用力矩扳手进行最终拧紧，在整个装配过程中还需沿周向移动（或旋转机件）才能完成所有螺栓的装配工作。通过对装配过程分析，设备需具备以下功能：
（1）能按照预先设定的力矩自动拧紧螺栓；
（2）自动记录拧紧数据（拧紧数量、拧紧力矩等）；
（3）自动识别装配过程中力矩错误并示警；
（4）能按照预先设定的程序沿周向移动机件；
（5）工人不需要承受拧紧过程中的反作用力。
需要特别说明的是，鉴于航空发动机“多品种、小批量”及其结构设计特点，设备并未采用机械手进行螺栓装配作业，理由如下：
（1）航空发动机工作时螺栓一直承受高强度的交变载荷，发动机工作后，机件会产生变形，螺栓的位置和自身状态均会发生变化，机械手无法精准定位；
（2）机械手对工作环境要求严苛，对产品的位置度要求极高，针对不同产品需要进行复杂编程，通用性差，成本高。
1.2设备系统组成
根据设备功能需求和市场调研情况，设计了“回转体机件连接螺栓自动装配装置”，该设备主要由“数控转台”、“零点定位装置”、“自动拧紧系统”和“反作用力臂”组成。
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图1 设备模型图
（1）自动拧紧系统
自动拧紧系统由法国Desoutter公司设计制造，Desoutter公司是世界上顶级的电动工具和气动工具生产制造商之一。自动拧紧系统由拧紧轴7和控制器2组成，拧紧轴可实现螺栓的自动拧紧，控制器可实现拧紧力矩的控制，能自动记录装配数量和拧紧数据，自动识别装配过程中力矩错误并示警。力矩控制精度可到±3%，较力矩扳手（±5%）更高。
（2）数控转台和零点定位装置
通过零点定位装置8，实现产品在数控转台上的重复精确定位，重复定位精度不低于0.02mm。更换与产品匹配的转接工装，可实现不同产品在数控转台上的重复精确定位。
通过对数控转台9进行编程，实现产品在数控转台上按照设计进行周向位置变换。
（3）反作用力臂
反作用力臂主要由落地式安装支架1、刹车关节3、平衡气缸4组成，用于抵消拧紧过程反作用力并辅助工人操作自动拧紧轴。锁死平衡气缸前，可轻松地在3个自由度上移动拧紧轴；锁死平衡气缸后，拧紧轴只能在Z轴上下移动，配合数控转台进行装配作业，在拧紧螺栓时，装配反力矩由反作用力臂吸收。
1.3设备柔性化设计
为了最大化设备的利用率，将柔性化作为了其中一个重要设计指标。
零点定位装置固定于数控转台上，起重复精确定位的作用，零点定位装置和产品间通过转接工装连接，在保证接口匹配的情况下，通过更换转接工装，可实现不同类型的回转体机件在数控转台上的精确定位。
自动拧紧轴可轻松地在作业半径内移动，工人只需要在作业前将自动拧紧轴移动至与螺栓对正的位置并锁死气缸，即可完成不同类型回转体机件螺栓的装配工作。
1.4作业过程的安全性设计
在装配过程中，需要自动拧紧轴和数控转台配合作业，数控转台在一个点停留的时间是预先设定好的，但操作过程中，极有可能出现自动拧紧轴未离开螺栓头部，转台就开始旋转的情况，导致工人、螺栓或拧紧轴损伤。
拟在反作用力臂和数控转台间加装“联动控制装置”，通过接近开关传递反作用力臂位置信息，将位置信息作为反馈信号，控制数控转台是否进行旋转，保证在反作用力臂未提升至安全高度时，数控转台不转动。
2.回转体机件连接螺栓自动装配设备应用
选取某型涡轮风扇发动机的燃烧室机匣作为装配对象验证设备功能，燃烧室机匣周向均布60颗连接螺栓，拧紧力矩要求19.60N·m~22.54N·m，装配时要求先拧紧周向均布4颗螺栓。
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图2 设备实际应用示意图
（1）功能性
对数控转台进行编程：启动后，数控转台依次旋转至0°、180°、264°、264°四个点位（周向均布四点），各停留3秒，然后按照6°/3秒的速度旋转。
对自动拧紧轴力矩控制进行设定：19.60N·m~22.54N·m。
工人按如下流程进行操作：
1）将燃烧室吊装至数控转台上，将自动拧紧轴对正螺栓头部，锁死平衡气缸；
2）启动数控转台，将自动拧紧轴下移至与螺栓接触，启动拧紧轴，完成当前螺栓的拧紧作业；
3）抬起自动拧紧轴，数控转台按设定的程序旋转，停止后将自动拧紧轴下移，参照步骤2完成螺栓拧紧作业；
4）重复步骤3，完成全部60颗螺栓的拧紧作业。
（2）可靠性
装配过程中，自动拧紧轴未提升至安全高度时，数控转台无法旋转，反作用力臂在平衡气缸锁死后无法周向移动，作业过程安全可靠，符合设计要求。
3.成果验证
（1）装配过程由反作用力臂抵消装配反力矩，工人只需上下移动并启动拧紧轴即可，降低了90%以上的劳动强度；
（2）每颗螺栓装配时间约5s（放置2s+拧紧3s），较原手工作业方式的25s，装配效率提升了80%；
（3）控制器可记录螺栓装配数量，杜绝漏装；识别错误装配力矩并示警，杜绝错装。极大地提升了装配质量。
4.结束语
经过实物验证，“回转体机件连接螺栓自动装配装置”能安全可靠地完成螺栓的自动装配工作。整个装配过程具有较强的一致性，能有效地杜绝错装、漏装，极大地提升了装配效率和质量；通过更换与产品匹配的转接工装，可完成不同回转体机件螺栓的装配工作，设备操作简单且具备很强的兼容性。具有极大的推广意义。
作者简介：韦积河（1994-10-01），男，籍贯：重庆市巴南区，当前职务：技术员(总体结构)，当前职称：助理工程师，学历：本科，研究方向：航空发动机装配技术