本发明涉及一种航空发动机部件装配自动对接装置及对接方法，属于航空航天发动机自动化、数字化和智能化制造装备领域。
背景技术：
航空发动机装配是发动机制造过程中最为重要的环节之一，其装配技术水平和装配质量直接影响发动机的工况特性，直接决定着发动机的可靠性、寿命及主要性能参数等，在装配过程中由成千或上万的零件组成，从零件制造开始到单元体部件装配，再经过总装和试车形成完整发动机交付，在这个过程中需要运用大量工装器具，涉及对发动机装配对象的反复姿态调整，通常经历多次折装、测量、修配和测试等循环过程，才能保证装配关键精度指标。因此，装配效率低，质量一次性交付合格率不高，严重制约了当代飞机主机厂对发动机提出的短周期、高可靠性、长寿命的综合要求。
当前，国内航空发动机装配技术水平，明显落后于汽车、飞机等相关行业大量引入数字化、智能化生产线及装备，尤其是装配技术方面，在装配车间除了少量测量设备、动平衡机外，几乎难以看到其它先进工艺装备，采用简易机械焊接装配架、手工测量肉眼观察等传统制造方法仍然是主流。在航空发动机高端装备重点技术领域，欧美国家投入巨资研制高效脉动生产线、ar辅助装配技术等，但对我国实行技术严密封锁和禁运策略，为了提升我国航空发动机产高端装备的整体水平，弥补制造工艺装备的短板，亟需自主创新、自主研制适合于我国发动机研制工艺特点的新技术、新方法和新装备来实现航空发动机部件装配的自动对接，这是航空发动机装配技术从传统固定装配模式向柔性化、数字化、智能化装配技术变革的发展趋势，在航空航天发动机数字化、智能化装配领域中具有广泛应用前景。
技术实现要素：
本发明的目的是克服现有技术的不足，提出一种航空发动机部件装配自动对接装置及对接方法，是基于发动机部件装配对接的装配实际大量需求出发，针对发动机多品种、小批量的生产特点，体现出柔性化、自动化、数字化制造技术，针对航空发动机涉及大量单元体部件装配进行全面技术升级具有重要意义。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种航空发动机部件装配自动对接装置，包括安装吊座、对接执行系统和对接检测系统；所述的安装吊座悬挂安装在桁架机械手或数控机床上，所述的对接执行系统和对接检测系统分别独立地安装于安装吊座的下方；
所述的对接检测系统包括y向直线导轨副、y向滑板、xy向十字交叉滑轨副、浮动滑台、六自由度力传感器和零点定位系统；所述的y向滑板活动安装于安装吊座底部的y向直线导轨副上，y向滑板上表面和安装吊座之间设有y向传动组件；所述的浮动滑台活动安装于y向滑板下表面的xy向十字交叉滑轨副上，浮动滑台和y向滑板之间设有定位组件；所述的六自由度力传感器通过力传感器安装座固定在浮动滑台的底部，力传感器安装座的下方设有零点定位系统；
所述的对接检测系统包括目标基准件、工业相机、电驱动滑台和位移传感器，所述的工业相机和电驱动滑台安装在固定于安装吊座底部的安装架上，位移传感器安装在电驱动滑台上，目标基准件安装在待装配发动机部件上。
优选的，所述的对接检测系统中的y向传动组件包括y向轴承支撑座、滚珠丝杆副、丝杆螺母座、直角行星减速机和伺服电机；所述的伺服电机通过直角行星减速机与滚珠丝杆副传动连接，所述的滚珠丝杆副中的丝杠与安装吊座上的y向直线导轨副平行，丝杠的一端通过y向轴承支撑座安装在安装吊座上，丝杠的另一端与直角行星减速机的y向输出轴连接，滚珠丝杆副中的螺母与设置在y向滑板上的丝杆螺母座固定连接。
优选的，所述的定位组件包括定位销气缸、定位销和定位销套；所述的定位销气缸固定安装在浮动滑台的中心位置，定位销气缸的活塞杆上安装有定位销，定位销套设置在位于定位销正上方的y向滑板上；
当定位销气缸的活塞杆伸出时，推动定位销与定位销套相配合，xy向十字交叉滑轨副处于锁定模式；当定位销气缸的活塞杆缩回时，定位销从定位销套中脱出，xy向十字交叉滑轨副处于浮动模式。
优选的，所述的零点定位系统由零点定位器、零点定位销、液压或气动单元组成，零点定位器固定安装在力传感器安装座的底部，零点定位销设于目标基准件上，目标基准件上的零点定位销伸入零点定位器的夹头后自动定位，并由夹头中的锁紧模块锁紧，锁紧模块由液压或气动单元提供动力。
优选的，所述的目标基准件为快换法兰。
优选的，所述的安装架包括竖直连接板和圆底板，圆底板通过竖直连接板与安装吊座相连，圆底板的中心位置开设有供工业相机拍摄的通孔，沿圆底板的径向均匀开设有与电驱动滑台位置相匹配的条形孔，位移传感器穿过条形孔并在电驱动滑台的驱动下沿条形孔移动。
优选的，所述的条形孔为两条x向条形孔和两条y向条形孔。
本发明还公开了一种使用上述航空发动机部件装配自动对接装置的对接方法，步骤如下：
1)对接前准备：将存放待装配发动机部件的放置架、以及安装有发动机机匣对接配合面的发动机装配柔性定位器放置在指定位置，将目标基准件安装在待装配发动机部件的非对接面上；将所述的对接装置悬挂安装在桁架机械手或数控机床上，移动实现对接检测系统和对接执行系统的功能切换；
2)校正目标基准件的中心位置：通过桁架机械手或数控机床移动对接检测系统至放置架中心位置的正上方，并保持一定安全距离，通过工业相机检测待对接发动机部件上目标基准件的实际中心位置，对下一步自动抓取工作时待执行中心位置进行校正；
3)自动抓取待装配发动机部件：通过平移切换使对接执行系统处于目标基准件中心位置的正上方，通过控制浮动滑台和y向滑板之间的定位组件使xy向十字交叉滑轨副处于锁定模式下；控制对接装置下移，零点定位系统锁紧，完成待装配发动机部件的自动抓取；
4)调整发动机机匣对接配合面的位姿：移动对接检测系统至发动机机匣对接配合面上方，并保持一定安全距离，调整位移传感器位置与发动机机匣对接配合面直径大小相匹配；控制对接装置下移，通过位移传感器测量发动机机匣对接配合面，完成实际位姿的判断计算，并将当前位姿计算数据反馈给航空发动机装配柔性定位器，完成a轴和/或b轴的位姿调整；
5)校正发动机机匣对接配合面的中心位置：通过工业相机检测发动机机匣对接配合面的实际中心位置，对下一步自动对接工作时待执行中心位置进行校正；
6)自动对接：通过平移切换使抓有待装配发动机部件的对接执行系统处于发动机机匣对接配合面中心位置的正上方，控制对接装置下移，开始自动对接过程，通过六自由度力传感器实时监测对接状态；当自动对接进行到精密配合止口时，切换xy向十字交叉滑轨副至浮动模式，实现装配误差的自适应纠偏，直至对接到位；零点定位系统脱开，一个待装配发动机部件的自动对接完成；
7)多个待装配发动机部件的对接过程重复上述步骤1)至步骤6)。
本发明与现有技术相比具有的有益效果：
1)本发明的航空发动机部件装配自动对接装置，安装在对接检测系统上的位移传感器可以通过电驱动滑台和圆底板上的条形孔实现径向位置可调，可适应航空发动机类似不同大小和规格部件的装配对接，具有柔性化特点；
2)本发明的对接装置通过对接检测系统和对接执行系统的相互配合，能够在桁架机械手或数控机床的控制下自动完成对接任务，自动化程度高，装配效率高，同时降低人工劳动强度；且对接检测系统和对接执行系统是两个独立的模块，安装在同一个安装吊架上，便于后期维修和更换，安全性好；
3)本发明通过采用不同传感器技术实时监控装配过程状态，避免了产品带应力强制性装配，能够有效保护产品和提高装配质量安装精度高；
4)本装置中的位移传感器、六自由度力传感器和工业相机等作为传感器终端可以实现设备状态相关数据的实时采集和上传，能够精确实现航空发动机部件的在线自动对接，本发明是航空发动机制造向“中国制造2025”技术转型升级，建设发动机数字化装配生产线的重要核心装备组成之一。
附图说明
图1是航空发动机部件装配自动对接装置主视图；
图2是航空发动机部件装配自动对接装置中对接执行系统的左视图；
图3是航空发动机部件装配自动对接装置三维局部视图；
图4-a是航空发动机部件装配自动对接装置三维视图；
图4-b是图4-a的局部放大视图；
图5是航空发动机部件装配自动对接装置工作系统构成示意图；
图中：安装吊座1、电驱动滑台2、工业相机3、位移传感器4、y向直线导轨副5、y向滑板6、xy向十字交叉滑轨副7、力传感器安装座8、零点定位器9、目标基准件10、定位销气缸11、y向轴承支撑座12、定位销套13、滚珠丝杆副14、丝杆螺母座15、电机安装座16、行星减速机17、伺服电机18、六自由度力传感器19、浮动滑台20、零点定位销21。
具体实施方式
下面结合附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
如图1至5所示，一种航空发动机部件装配自动对接装置，它包括安装吊座1、电驱动滑台2、工业相机3、位移传感器4、y向直线导轨副5、y向滑板6、xy向十字交叉滑轨副7、力传感器安装座8、零点定位器9、目标基准件10、定位销气缸11、y向轴承支撑座12、定位销套13、滚珠丝杆副14、丝杆螺母座15、电机安装座16、行星减速机17、伺服电机18、六自由度力传感器19、浮动滑台20、零点定位销21。如图1所示，安装吊座1上安装两个独立功能模块，左侧为对接检测系统，右侧有对接执行系统；y向直线导轨副5、y向滑板6、xy向十字交叉滑轨副7、浮动滑台20、六自由度力传感器19、零点定位器9、零点定位销21组成对接执行系统；工业相机3、电驱动滑台2和位移传感器4构成对接检测系统，另外对接检测系统还包括一个安装在待装配发动机部件上的目标基准件10，所述的目标基准件用于实现待装配发动机部件的定位和可夹持移动，目标基准件需要满足方便拆卸的功能；
在本发明的一个具体实施中，在安装吊座1左侧下部安装对接检测系统，包括四套电驱动滑台2和一个工业相机3，四个位移传感器4分别固定在电驱动滑台2上，通过电驱动滑台2驱动，实现四个位移传感器4位置可调，能够适应不同规格部件的对接；在安装吊座1的右侧下部安装对接执行系统，其中y向滑板6利用y向直线导轨副5与其相连，并通过伺服电机在y向滑板6上表面和安装吊座1之间设置的y向传动组件驱动y向滑板6，实现沿y向移动；浮动滑台20通过xy向十字交叉滑轨副7与y向滑板6相连，在浮动滑台20中间设置有定位销气缸11，安装在定位销气缸11活塞杆上的定位销与y向滑板6上的定位销套13配合，实现销孔配合定位；六自由度力传感器19通过力传感器安装座8固定在浮动滑台20的底部，通过六自由度力传感器19与浮动滑台20相连实现对接状态的监测；零点定位系统安装在力传感器安装座8的下方，用于实现待装配部件的自动抓取。
本发明中的y向滑板6可沿y向滑动，由y向传动组件驱动，在本发明中的一个具体实施过程为：如图2所示，y向传动组件包括y向轴承支撑座12、滚珠丝杆副14、丝杆螺母座15、电机安装座16、直角行星减速机17和伺服电机18；所述的滚珠丝杆副14中的丝杠与安装吊座1上的y向直线导轨副5平行，丝杠的一端通过y向轴承支撑座12安装在安装吊座1上，丝杠的另一端与直角行星减速机的y向输出轴连接，滚珠丝杆副14中的螺母与设置在y向滑板6上的丝杆螺母座15固定连接。y向传动组件由伺服电机18作为动力源，动力经直角行星减速机17的y向输出轴驱动滚珠丝杆副14中的丝杠转动，通过与滚珠丝杆副14连接的丝杆螺母座15带动y向滑板6，使y向滑板6可沿y向直线导轨副5移动。所述的伺服电机18通过电机安装座16固定在安装吊座1上。
本发明的对接执行系统中使用的xy向十字交叉滑轨副7，可通过如图2所示的定位销气缸11、定位销和定位销套13配合实现锁定模式和浮动模式的切换，具体为：定位销气缸11固定安装在浮动滑台20的中心位置，定位销气缸11的活塞杆上安装有定位销，定位销套13设置在位于定位销正上方的y向滑板6上。当定位销气缸11的活塞杆伸出时，推动定位销与定位销套13相配合，xy向十字交叉滑轨副7处于锁定模式；当定位销气缸11的活塞杆缩回时，定位销从定位销套13中脱出，xy向十字交叉滑轨副7处于浮动模式。当需要完成待装配发动机部件的抓取工作以及初步对接工作时，需要保持xy向十字交叉滑轨副7处于锁定模式，这样浮动滑台20不会沿x向和y向晃动，完成相应的动作更加精确；当自动对接过程进行到精密配合止口时，需要切换xy向十字交叉滑轨副7至浮动模式，实现发动机部件装配误差的自适应纠偏。
在本发明的一个具体实施中，如图4-a和图4-b所示，其中图4-a中方框a部分展示了目标基准件和零点定位系统的安装关系，图4-b为该部分的局部放大图。本发明采用快换法兰作为目标基准件，将快换法兰安装在待装配发动机部件上；零点定位系统由四个零点定位器、四个零点定位销21、液压或气动单元组成，零点定位器9固定安装在力传感器安装座8的底部，零点定位销21设于快换法兰上，四个零点定位器9与四个零点定位销21配合，当快换法兰上的零点定位销21伸入零点定位器9的夹头后自动定位，并由夹头中的锁紧模块锁紧，锁紧模块由液压或气动单元提供动力来控制锁紧和脱开，实现待装配发动机部件的自动抓取和自动脱开。
在本发明的一个具体实施中，如图1和图3所示，图3为从图1的后下方观察到的三维局部视图。在对接检测系统中，工业相机3和电驱动滑台2安装在固定于安装吊座1底部的安装架上，用于实现待对接基准部件的中心测量，四个位移传感器4安装在电驱动滑台2上，以工业相机3为中心均布。所述的安装架包括竖直连接板和圆底板，圆底板通过竖直连接板与安装吊座1相连，圆底板的中心位置开设有供工业相机3拍摄的通孔；沿圆底板的径向均匀开设有与电驱动滑台2位置相匹配的条形孔，位移传感器4穿过条形孔并在电驱动滑台2的驱动下沿条形孔移动。具体的，条形孔为两条x向条形孔和两条y向条形孔，能够实现四个位移传感器4沿x向和y向移动。
本发明的对接装置中使用的位移传感器可以为接触式位移传感器，也可以为非接触式激光位移传感器。当采用接触式传感器测量时，需沿z轴移动至传感器与待测面接触为止，当采用非接触式传感器测量时，可以在传感器与待测面保持一定距离的情况下完成测量工作，实现发动机机匣对接配合面的位姿判断。
伺服电机快换法兰用于航空发动机部件装配自动对接装置，其工作步骤如下：
1)对接前准备，如图5所示，将存放有待装配发动机部件的放置架、以及安装有发动机机匣对接配合面的发动机装配柔性定位器放置指定位置，将快换法兰安装在待装配发动机部件的非对接面上；将所述的对接装置悬挂安装在桁架机械手或数控机床上，移动实现对接检测系统和对接执行系统的功能切换；
2)安装有本发明的桁架机械手，沿x向和z向移动使对接检测系统处于放置架中心位置的正上方，并保持一定安全距离，采用工业相机3检测待对接发动机部件上快换法兰的实际中心位置；
3)桁架机械手或数控机床根据快换法兰的实际中心位置，自动对下一步自动抓取工作时待执行中心位置进行校正；
4)通过平移切换使自动对接执行系统处于待对接发动机部件上快换法兰中心位置的正上方，定位销气缸11与y向定位销套13配合锁紧，使xy向十字交叉滑轨副7在锁定模式下；
5)控制对接装置沿z向向下移动，完成零点定位器9与快换法兰上的定位销21配合锁紧，实现自动抓取待对接装配的部件；
6)桁架机械手或数控机床移动使对接检测系统处于发动机机匣对接配合面上方，调整四个位移传感器4位置与发动机机匣对接配合面直径大小相匹配；
8)控制对接装置沿z向向下移动，四个位移传感器4接触测量发动机机匣对接配合面，完成实际位姿判断计算；
9)将当前姿态计算数据，反馈给航空发动机装配柔性定位器(如专利号：zl201821532542.3)或类似设备，完成a轴与b轴姿态调整；
10)采用工业相机3检测发动机机匣对接配合面实际中心位置，桁架机械手或数控机床根据实际中心位置对下一步自动对接工作时待执行中心位置进行校正；
11)通过平移切换使对接执行系统上的待对接发动机部件处于发动机机匣对接配合面中心位置的正上方；
12)控制对接装置沿z向下移，开始部件自动对接过程，通过六自由度力传感器19实时对接状态进行监测；
13)当自动对接进行到部件机匣精密配合止口时，定位销气缸11与y向定位销套13脱开，使xy向十字交叉滑轨副7在浮动自适应模式下，完成对接到位；
14)完成对接配面的连接，零点定位器9与快换法兰上的定位销21脱开，完成一个部件装配的自动对接；
15)多个部件装配的对接过程重复上述步骤1～步骤14)。
以上所述仅为本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅限于上述实施方式，凡是属于本发明原理的技术方案均属于本发明的保护范围。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明原理的前提下进行的若干改进和润饰，也应视为本发明的保护范围。
1.一种航空发动机部件装配自动对接装置，其特征在于，包括安装吊座(1)、对接执行系统和对接检测系统；所述的安装吊座(1)悬挂安装在桁架机械手或数控机床上，所述的对接执行系统和对接检测系统分别独立地安装于安装吊座(1)的下方；
所述的对接检测系统包括y向直线导轨副(5)、y向滑板(6)、xy向十字交叉滑轨副(7)、浮动滑台(20)、六自由度力传感器(19)和零点定位系统；所述的y向滑板(6)活动安装于安装吊座(1)底部的y向直线导轨副(5)上，y向滑板(6)上表面和安装吊座(1)之间设有y向传动组件；所述的浮动滑台(20)活动安装于y向滑板(6)下表面的xy向十字交叉滑轨副(7)上，浮动滑台(20)和y向滑板(6)之间设有定位组件；所述的六自由度力传感器(19)通过力传感器安装座(8)固定在浮动滑台(20)的底部，力传感器安装座(8)的下方设有零点定位系统；
所述的对接检测系统包括目标基准件(10)、工业相机(3)、电驱动滑台(2)和位移传感器(4)，所述的工业相机(3)和电驱动滑台(2)安装在固定于安装吊座(1)底部的安装架上，位移传感器(4)安装在电驱动滑台(2)上，目标基准件安装在待装配发动机部件上。
2.根据权利要求1所述的一种航空发动机部件装配自动对接装置，其特征在于，所述的对接检测系统中的y向传动组件包括y向轴承支撑座(12)、滚珠丝杆副(14)、丝杆螺母座(15)、直角行星减速机(17)和伺服电机(18)；所述的伺服电机(18)通过直角行星减速机(17)与滚珠丝杆副(14)传动连接，所述的滚珠丝杆副(14)中的丝杠与安装吊座(1)上的y向直线导轨副(5)平行，丝杠的一端通过y向轴承支撑座(12)安装在安装吊座(1)上，丝杠的另一端与直角行星减速机的y向输出轴连接，滚珠丝杆副(14)中的螺母与设置在y向滑板(6)上的丝杆螺母座(15)固定连接。
3.根据权利要求1所述的一种航空发动机部件装配自动对接装置，其特征在于，所述的定位组件包括定位销气缸(11)、定位销和定位销套(13)；所述的定位销气缸(11)固定安装在浮动滑台(20)的中心位置，定位销气缸(11)的活塞杆上安装有定位销，定位销套(13)设置在位于定位销正上方的y向滑板(6)上；
当定位销气缸(11)的活塞杆伸出时，推动定位销与定位销套(13)相配合，xy向十字交叉滑轨副(7)处于锁定模式；当定位销气缸(11)的活塞杆缩回时，定位销从定位销套(13)中脱出，xy向十字交叉滑轨副(7)处于浮动模式。
4.根据权利要求1所述的一种航空发动机部件装配自动对接装置，其特征在于，所述的零点定位系统由零点定位器(9)、零点定位销(21)、液压或气动单元组成，零点定位器(9)固定安装在力传感器安装座(8)的底部，零点定位销(21)设于目标基准件上，目标基准件上的零点定位销(21)伸入零点定位器(9)的夹头后自动定位，并由夹头中的锁紧模块锁紧，锁紧模块由液压或气动单元提供动力。
5.根据权利要求1所述的一种航空发动机部件装配自动对接装置，其特征在于，所述的目标基准件为快换法兰。
6.根据权利要求1所述的一种航空发动机部件装配自动对接装置，其特征在于，所述的安装架包括竖直连接板和圆底板，圆底板通过竖直连接板与安装吊座(1)相连，圆底板的中心位置开设有供工业相机(3)拍摄的通孔，沿圆底板的径向均匀开设有与电驱动滑台(2)位置相匹配的条形孔，位移传感器(4)穿过条形孔并在电驱动滑台(2)的驱动下沿条形孔移动。
7.根据权利要求6所述的一种航空发动机部件装配自动对接装置，其特征在于，所述的条形孔为两条x向条形孔和两条y向条形孔。
8.一种使用如权利要求1-7任一项所述航空发动机部件装配自动对接装置的对接方法，其特征在于，步骤如下：
1)对接前准备：将存放待装配发动机部件的放置架、以及安装有发动机机匣对接配合面的发动机装配柔性定位器放置在指定位置，将目标基准件安装在待装配发动机部件的非对接面上；将所述的对接装置悬挂安装在桁架机械手或数控机床上，移动实现对接检测系统和对接执行系统的功能切换；
2)校正目标基准件的中心位置：通过桁架机械手或数控机床移动对接检测系统至放置架中心位置的正上方，通过工业相机(3)检测待对接发动机部件上目标基准件的实际中心位置，对下一步自动抓取工作时待执行中心位置进行校正；
3)自动抓取待装配发动机部件：通过平移切换使对接执行系统处于目标基准件中心位置的正上方，通过控制浮动滑台(20)和y向滑板(6)之间的定位组件使xy向十字交叉滑轨副(7)处于锁定模式下；控制对接装置下移，零点定位系统锁紧，完成待装配发动机部件的自动抓取；
4)调整发动机机匣对接配合面的位姿：移动对接检测系统至发动机机匣对接配合面上方，调整位移传感器(4)位置与发动机机匣对接配合面直径大小相匹配；控制对接装置下移，通过位移传感器(4)测量发动机机匣对接配合面，完成实际位姿的判断计算，并将当前位姿计算数据反馈给航空发动机装配柔性定位器，完成a轴和/或b轴的位姿调整；
5)校正发动机机匣对接配合面的中心位置：通过工业相机(3)检测发动机机匣对接配合面的实际中心位置，对下一步自动对接工作时待执行中心位置进行校正；
6)自动对接：通过平移切换使抓有待装配发动机部件的对接执行系统处于发动机机匣对接配合面中心位置的正上方，控制对接装置下移，开始自动对接过程，通过六自由度力传感器(19)实时监测对接状态；当自动对接进行到精密配合止口时，切换xy向十字交叉滑轨副(7)至浮动模式，实现装配误差的自适应纠偏，直至对接到位；零点定位系统脱开，一个待装配发动机部件的自动对接完成；
7)多个待装配发动机部件的对接过程重复上述步骤1)至步骤6)。
技术总结