一种航空发动机转子叶片轮盘间螺母装配的工装机构的制作方法

本实用新型涉及一种工装机构，具体涉及一种航空发动机转子叶片轮盘间螺母装配的工装机构，属于机械装配技术领域。

背景技术：

目前，我国的航空发动机制造技术与欧美等国还有较大差距，其中在装配技术方面，对于装配的几何精度、装配的力及力矩控制以及装配时长等技术方面，我国技术落后比较多。造成这种状况的原因就是没有针对装配计一套准确而快速的自动化机械设备，而是依靠人工扳手的拧动，这样效率低而且装配质量难以保证。

某新型航空发动机转子组件的2个叶片轮盘的连接通过36组(或若干组)螺栓、螺母的连接来实现的，连接位置处于直径200-500mm的节圆上，封闭在狭小的两个叶片轮盘辐板之间，盘间的最小轴向尺寸为60-150mm，盘心孔的最小直径不大于100mm，螺母的拧紧力矩为10-100牛米。在实际操作过程中，螺母已经预先通过其他方式拧到螺栓上，只需要对螺母进行预紧。但是根据转子组件的空间结构特点，需要工装通过直径不大于100mm的盘心孔然后对螺母进行装配，其中安装位置和盘心孔入口轴向尺寸为300mm左右。目前由于受限于空间位置，利用人工操纵扳手、工装等无法准确到达安装位置，而且安装时无法目视到螺母，造成装配时需要多种特定尺寸、形状的扳手、工装的轮流安装，且无法保证拧紧力矩在指定的力矩范围内，给装配造成了极大困难，制约着航空发动机的总装进度。

技术实现要素：

本实用新型是为解决现有航空发动机叶片轮盘间螺母装配中由于工作空间狭小人工装配困难，工作效率低，以及螺母预紧力矩无法精确控制在指定范围内的问题，进而提供一种航空发动机转子叶片轮盘间螺母装配的工装机构。

本实用新型为解决上述问题采取的技术方案是：一种航空发动机转子叶片轮盘间螺母装配的工装机构，它包括机械臂和机械臂支撑装置；

机械臂支撑装置包括支撑座和升降机构；

机械臂包括电机、电机座、一号齿轮副、一号锥齿轮副、二号锥齿轮副、传动轴、螺栓套、蜗杆、蜗轮、支撑筒、连接座、底座、万向节支撑板、轮系传动机构、带传动机构和多个十字万向节；所述电机为带扭矩限制器的电机；

所述支撑座安装在现有的航空发动机转子叶片轮盘上，所述升降机构安装在所述支撑座上，所述升降机构能带动所述电机座上下运动，所述电机安装在所述电机座上，所述电机的输出端与扭矩限制器连接，所述扭矩限制器通过一号齿轮副带动传动轴转动，传动轴竖向布置在安装于所述电机座上的支撑筒内，支撑筒与连接座连接，所述传动轴带动一号锥齿轮副传动，二号锥齿轮副带动轮系传动机构传动，轮系传动机构带动二号锥齿轮副传动，一号锥齿轮副、轮系传动机构和二号锥齿轮副安装在底座上，二号锥齿轮副通过转动安装于底座上的连接轴带动串接的多个十字万向节传动，多个十字万向节的末节端转动安装在与底座连接的万向节支撑板上，多个十字万向节的末节端设置有能带动螺母转动的螺栓套；

电机座上还布置有蜗杆和蜗轮，蜗杆和蜗轮啮合，蜗轮与传动轴的轴向垂直，蜗杆的转轴与连接座之间布置有与二者传动的带传动机构，底座设置在转动安装于所述连接座上的带传动机构的下带轮的轮轴上，底座能相对连接座转动。

本实用新型与现有技术相比包含的有益效果是：

一、本实用新型用机械臂代替人工拧动扳手的方式实现叶片轮盘螺栓连接的预紧，具有很高的效率、很好的精度，同时可以作业于狭小空间，实现人力不能完成的任务。

二、本实用新型机械臂支撑装置与叶片轮盘口通过36组(或若干组)螺栓螺母周向连接，可以实现周向的转动与固定，转换机械臂工位，依次完成对36个(或若干个)螺母的预紧。

三、机械臂支撑装置中升降台的定位销可使机械臂定位，使机械臂执行机构达到预定位置。

四、本实用新型机械臂支撑装置中的升降台可以带动机械臂上下进给运动，可以使机械臂执行机构在狭小空间中进给，最终到预定位置。

五、本实用新型机械臂中利用轮系结构，使机械臂上下运动中依旧保持动力传输连续，十分便捷。

六、本实用新型机械臂中小底座可以在进给运动中根据叶片轮盘内部空间的大小对小底座进行转动，可以使机械臂执行机构在狭小空间中进给，最终到预定位置。同时控制机械臂的上下进给运动和小底座的转动，依靠进给运动之间的配合使机械臂执行机构在狭小空间达到预定位置，实现螺母的预紧。

七、本实用新型中机械臂中采用带扭力限制器的电机，当达到一定的扭矩是时，可以实现过载保护，使螺母的预紧力矩达到指定范围。

八、本实用新型机械臂中采用了带传动机构，十字万向节传动的传动方式，可以传动较大力矩，同时减轻了工装整体的质量。

九、本实用新型机械臂中的小底座可以根据所工作区间调整更换与尺寸设计，满足在叶片轮盘内直径200～500mm的节圆上的螺母的预紧。

附图说明

图1为本发明新型航空发动机转子叶片轮盘间螺母装配的工装机构初始状态图。

图2为机械臂的结构示意图；

图3为机械臂支撑装置的结构示意图；

图4为机械臂的电机、一号齿轮副、蜗轮蜗杆及带传动机构的连接结构示意图；

图5为机械臂的一号锥齿轮副、轮式传动机构以及二号锥齿轮副布置在底座上的结构示意图；

图6为机械臂的一号锥齿轮副、二号齿轮副、三号齿轮副以及二号锥齿轮副相互传动立体结构图；

图7为航空发动机转子叶片轮盘间螺母装配的工装机构第一阶段进给运动状态图；

图8为航空发动机转子叶片轮盘间螺母装配的工装机构第二阶段进给运动状态主视图图；

图9为航空发动机转子叶片轮盘间螺母装配的工装机构第二阶段进给运动状态立体图；

图10为航空发动机转子叶片轮盘间螺母装配的工装机构工作状态图；

图11为航空发动机转子叶片轮盘间螺母装配的工装机构转换工位状态图；

图12为航空发动机转子叶片轮盘间螺母装配的工装机构执行预紧螺母的状态图。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本实用新型的技术方案。

参见图1-图6说明，一种航空发动机转子叶片轮盘间螺母装配的工装机构，它包括机械臂和机械臂支撑装置；

机械臂支撑装置包括支撑座18和升降机构15；

机械臂包括电机1、电机座2、一号齿轮副3-1、一号锥齿轮副4-1、二号锥齿轮副4-2、传动轴5-1、螺栓套7、蜗杆9、蜗轮10、支撑筒13、连接座14、底座16、万向节支撑板17、轮系传动机构3、带传动机构12和多个十字万向节6；所述电机1为带扭矩限制器的电机；

所述支撑座18安装在现有的航空发动机转子叶片轮盘24上，所述升降机构15安装在所述支撑座18上，所述升降机构15能带动所述电机座2上下运动，所述电机1安装在所述电机座2上，所述电机1的输出端与扭矩限制器连接，所述扭矩限制器通过一号齿轮副3-1带动传动轴5-1转动，传动轴5-1竖向布置在安装于所述电机座2上的支撑筒13内，支撑筒13与连接座14连接，所述传动轴5带动一号锥齿轮副4-1传动，二号锥齿轮副4-1带动轮系传动机构3传动，轮系传动机构3带动二号锥齿轮副4-2传动，一号锥齿轮副4-1、轮系传动机构3和二号锥齿轮副4-2安装在底座16上，二号锥齿轮副4-2通过转动安装于底座16上的连接轴5-2带动串接的多个十字万向节6传动，多个十字万向节6的末节端转动安装在与底座16连接的万向节支撑板17上，多个十字万向节6的末节端设置有能带动螺母转动的螺栓套7；

电机座2上还布置有蜗杆9和蜗轮10，蜗杆9和蜗轮10啮合，蜗轮10与传动轴5的轴向垂直，蜗杆10的转轴与连接座14之间布置有与二者传动的带传动机构，底座16设置在转动安装于所述连接座14上的带传动机构12的下带轮12-1的轮轴16-1上，底座16能相对连接座14转动。

一号齿轮副3-1的输入齿轮安装在扭矩限制器的输出端，一号齿轮副3-1的输出齿轮安装在传动轴5-1的上端，一号锥齿轮副4-1的输入锥齿轮安装在传动轴5-1的下端，带扭矩限制器的电机1通过传动轴5-1带动一号锥齿轮副4-1转动，丝杠摇柄8-2通过蜗轮蜗杆和带传动机构12带动底座16转动。一号锥齿轮副4-1和底座16构成2自由度轮系结构的输入端。

机械臂支撑装置中支撑座18与航空发动机转子叶片轮盘24的端口通过36组(或若干组)螺栓螺母固定连接(此处螺栓螺母组数应与所要装配的叶片轮盘间螺母个数一致)，并且标记出相应的位置序号。当机械臂工装机构完成对叶片轮盘间的一个螺母的预紧时，调整机械臂支撑装置与航空发动机转子叶片轮盘的相对位置，即绕叶片轮盘轴心旋转机械臂支撑装置，转换机械臂工位，再次固定使机械臂支撑装置与叶片轮盘固定，使机械臂在经过一些列进给动作后能够依次完成对叶片轮盘间36个(或若干个)螺母的预紧。升降机构的动作可带动机械臂上下运动，从而可以将机械臂在航空发动机转子叶片轮盘孔的内部定位。经过事先的数学模型计算，将机械臂通过定位销固定在此种位置下，刚好可以使机械臂在进给运动结束以后到达预定位置，即螺母中心轴线与机械臂外四方或外六方或外十二方孔结构中的轴线重合，完成定位要求。

参见图2和图3说明，升降机构15包括丝杠副、升降台21、安装座22、高度限位器23和光杆19；丝杠副的丝杠20竖向设置转动安装在支撑座18上，升降台21安装在丝杠副的螺母上，安装座22安装在升降台21上，电机座2安装在所述安装座22上，升降台21滑动设置在安装于支撑座18上的多个光杆19上，光杆19的顶端安装有高度限位器23。其中，光杆19和丝杠20由支撑座18与高度限位器23共同支撑，光杆19的数量优选四根，优选两根光杆19的顶端安装高度限位器23。升降台21即是丝杠螺母座，升降摇柄8-2与丝杠20安装固连，转动升降摇柄8-1通过丝杠螺母传动可以带动升降台21做上下运动。升降台21上的定位销与连接在机械臂上的安装座22可以相互配合，安装座22起到校准机械臂的作用。升降台21上的定位销与连接在机械臂上的安装座22相互配合以后，可以通过转动丝杠摇柄8-2带动升降台21上下进给运动，使机械臂也能够随着升降台21做相应上下运动，这样辅助机械臂可以在狭小空间内根据空间要求随时调整姿态从而最终到达预定位置。

在实际操作中，同时转动丝杠摇柄8-2和蜗杆摇柄8-1分别实现使机械臂上下进给主运动与机械臂自身底座16转动进给运动，机械臂的主运动和转动进给运动相配合。实现机械臂末端的螺栓套7在狭小空间中的向下运动与转动运动，从而达到预定位置，即螺母的轴线与螺栓套7的轴心重合。之后停止转动丝杠摇柄8-2，由于蜗轮9和蜗杆10的自锁作用限制了底座16的转动，此时底座16转动角度为90度。再调整丝杠摇柄8-2使机械臂上下运动，使螺母刚好可以嵌入螺栓套7中，完成准备动作。开启电机，在带扭力限制器的电机1作用下螺栓套转动，带动对象螺母转动，实现螺母的预紧。当工装机构对螺母的预紧过程中，当达到力矩范围内时，由于扭矩限制器的作用，使动力输出与机械臂的一号齿轮副3-1断开，实现过载保护，使螺母的预紧力矩达到指定范围。

参见图2和图6说明，为了提高传动效率和增大速度范围，结构更加紧凑，实现较大的传动比，提高使用寿命，采用齿轮副传动的轮系传功机构，轮系传动机构3包括二号齿轮副3-2和三号齿轮副3-3；一号锥齿轮副4-1的输出锥齿轮和二号齿轮副3-2的输入齿轮设置在转动安装于连接座14和底座16上一号转动轴16-2上，二号齿轮副3-2的输出齿轮和三号齿轮副3-3的输入齿轮设置在转动安装于底座16上的二号转动轴16-3上，三号齿轮副3-3的输出齿轮和二号锥齿轮副4-2的输入端锥齿轮设置在安装于底座16上的三号转动轴16-4上。优选地，为了减少加工制作成本，适用于多种场合，在一个实施例中，一号齿轮副3-1、二号齿轮副3-2和三号齿轮副3-3均为直齿轮副，此时，电机1的轴向竖向设置。优选地，为了提高传动的稳定性，能冲承受重载，提高使用寿命，在另一个实施例中，一号齿轮副3-1、二号齿轮副3-2和三号齿轮副3-3均为斜齿轮副。此时，电机1的轴向竖向设置。另一个实施例中，一号齿轮副3-1为锥齿轮副，二号齿轮副3-2和三号齿轮副3-3为直齿轮副。此时电机1的轴向水平布置。

参见图4说明，为了提高传动的稳定性，保证底座稳定旋转，维护方便，带传动机构15为三角带或多楔带传动机构。参见图12，优选地，十字万向节6的数量选用3个。三个十字万向节6串接可以保证螺栓套7能换向，叶片轮盘间螺母嵌入螺栓套7内被螺栓套7带动旋转。

工作原理

初始时，机械臂支撑装置与转子叶片轮盘固定连接，机械臂由人工放入转子叶片轮盘内部。进给运动时，机械臂通过安装座22与升降台21连接，转动丝杠摇柄8-2驱动丝杠20使机械臂上下运动，同时转动蜗杆摇柄8-1带动蜗轮9和带传动传动机构的上带轮和下带轮转动，进而带动轮轴16-1及底座16转动，底座16绕连接座14转动，底座16的一侧固装在轮轴16-1上，底座16的另一侧转动安装在一号转动轴16-2上，逐步实现螺栓套7与螺栓的定位配合。工作时使电机1的运动驱动螺栓套7实现螺母上的预紧，当达到指定范围的力矩时，电机1在扭矩限制器作用下动力输出断开，预紧力达到指定范围。

图1为航空发动机转子叶片轮盘间螺母装配的机械臂工装机构初始状态图。初始时，机械臂支撑装置与转子叶片轮盘端口通过36组(或若干组)螺栓螺母连接，目的是使机械臂支撑装置在叶片轮盘中实现定位。机械臂支撑装置依靠墙面固定安装(图中未画墙面示意)，使其对地固定从而可以承载电机1工作时的反作用力与力矩。同时，通过天车等辅助设备将机械臂靠近叶片轮盘端口，为下一步的机械臂与机械臂支撑装置对接以及机械臂进给运动做准备。

图7为航空发动机转子叶片轮盘间螺母装配的机械臂工装机构第一阶段进给运动状态图。首先保持机械臂的底座16与支撑筒13保持竖向平行状态，借助天车等辅助设备，通过人工操作将机械臂放入叶片轮盘盘心孔中，使机械臂进入叶片轮盘的圆柱型腔内部，并且逐步竖直向下运动。其中，经过事先机械计算与设计，机械臂的最大径向尺寸不大于叶片轮盘盘心孔直径。当机械臂向下运动使机械臂的螺栓套7到达工作区域附近时，将升降台21上的定位销与机械臂上的安装座22可以相互配合，从而使机械臂在航空发动机转子叶片轮盘孔的内部定位，保证进给运动结束以后螺母轴线与螺栓套机械臂执行机构轴线重合。

图8和图9为航空发动机转子叶片轮盘间螺母装配的机械臂工装机构第二阶段进给运动状态图。机械臂与机械臂支撑装置通过定位销与安装座22连接，这样机械臂可以随着升降台21做上下进给运动。因此，在狭小的叶片轮盘的圆柱型腔内部，通过丝杠摇柄8-2使机械臂能够上下运动，通过蜗杆摇柄8-2使机械臂的底座16绕支撑筒13-1转动，人工操纵上述两个摇柄，使向下运动与转动进给运动同步进行，使机械臂的螺栓套7最终到达预定位置，即螺母轴线与机械臂的螺栓套轴线重合。之后停止转动丝杠摇柄8-2，由于蜗轮蜗杆的自锁作用限制了底座16的转动，此时底座16转动角度为90度。再旋转蜗杆摇柄8-1使机械臂上下运动，使螺母刚好可以嵌入螺栓套7中，完成准备动作。

图10为航空发动机转子叶片轮盘间螺母装配的机械臂工装机构工作状态图。启动带扭矩限制器的电机1，电机1通过一号齿轮副传动3-1、传动轴5-1转动、一号锥齿轮副4-1传动、轮式传动机构3传动以及二号锥齿轮副4-2，将动力传动至十字万向节6最终将力矩传输到机械臂的螺栓套7上，螺栓套7带动螺母转动，完成对螺母的预紧。工装机构对螺母的预紧过程中，预紧力矩达到力矩范围内时，由于扭矩限制器的电机1的作用，使电机输出与机械臂工装机构分离，实现过载保护，从而使螺母的预紧力矩达到指定范围。

图11为航空发动机转子叶片轮盘间螺母装配的机械臂工装机构转换工位状态图。机械臂支撑装置中支撑座18与航空发动机转子叶片轮盘端口通过36组(或若干组)螺栓螺母固定连接(此处螺栓螺母组数与所要装配的叶片轮盘间螺母个数一致)，当机械臂完成对叶片轮盘间的一个螺母的预紧时，调整机械臂支撑装置与航空发动机转子叶片轮盘的相对位置，即绕叶片轮盘轴心旋转机械臂支撑装置，转换机械臂工位，再次使机械臂支撑装置与叶片轮盘固定，使机械臂的螺栓套7在经过上述图7、图8和图10的一些列进给动作后能够依次完成对叶片轮盘间36个(或若干个)螺母的预紧，如图12所示。

以上实施例只是阐述了本实用新型的基本原理和特性，本实用新型不受上述事例限制，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还有各种变化和改变，这些变化和改变都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。