CN117697396A - 一种狭窄空间的多轴自动同步拧紧装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及自动化拧紧领域，特别涉及一种狭窄空间的多轴自动同步拧紧装置。包括升降动力输入机构、折叠动力输入机构、水平分度动力输入机构、拧紧动力输入机构、外壳支撑柱及齿轮箱，其中升降动力输入机构与水平分度动力输入机构连接，外壳支撑柱、折叠动力输入机构和拧紧动力输入机构均与升降动力输入机构连接，外壳支撑柱的下端铰接有两个齿轮箱，折叠动力输入机构与两个齿轮箱传动连接，折叠动力输入机构用于驱动两个齿轮箱同步折叠或展开；拧紧动力输入机构与两个齿轮箱铰接，拧紧动力输入机构为处于展开状态的两个齿轮箱提供拧紧动力。本发明适应各种狭窄空间的螺栓拧紧工作，操作方便，适应性强，能够实时监控折叠、展开状态。

Description

一种狭窄空间的多轴自动同步拧紧装置

技术领域

本发明涉及自动化拧紧领域，特别涉及一种狭窄空间的多轴自动同步拧紧装置。

背景技术

航空发动机转子***盘轴、盘盘的装配往往通过螺栓连接，所以螺栓连接的质量将会对航空发动机的装配性能产生直接影响，进而影响航空发动机的动力学特性。航空发动机作为高度复杂、精密的旋转机械，具有内部结构复杂、空间尺寸狭窄且在目视操作不便的特点，导致了盲装拧紧有较大的难度。

目前，针对航空发动机狭窄空间内的螺母连接拧紧方法的研究较少，采用的主要拧紧方式仍以手工拧紧为主，在空间允许范围内通过手持螺母伸入发动机腔内进行上料，若空间不允许将采用体型较大、笨重的L形杆来完成上料操作，而后再使用力矩扳手进行拧紧，但是由于航空发动机的复杂结构使得操作人员难以准确进入操作位置，且受空间限制单次操作的拧紧角度很小。为实现安装拧紧需要反复进行操作，每次对另一个螺母进行拧紧作业时需要重新进行定位导致效率较低，且操作缺乏完善的传感、控制***，拧紧力不能保持恒定，和进给***由于缺少相互作用无法及时反馈、调整，也导致了完成操作后各个螺母的力矩一致性较差、适用面窄，在应对航空发动机复杂的安装工况时，甚至导致不平衡、不对中等现象的出现，存在出现碰摩故障等潜在危险，需要对装配好的航空发动机转子***拆散重装，过程中存在螺母等零部件掉落等现象，花费了大量的人力物力且存在一定的危险性。因此迫切需要发明设计一种适用于某型航空发动机狭窄空间的自动化折叠拧紧机构且整个过程可以实现自动化控制，在保证拧紧质量的前提下提高效率。

现有的航空发动机狭窄空间的拧紧机构设计方法，如中国专利CN112589408A中所涉及的航空发动机盲腔螺母自动拧紧装置的设计方法，该装置在给定的航空发动机机构参数下，有较高的自动化程度，减少了受人工操作影响引起的误差，其配有的视觉模块实现了可视化，解决了现有拧紧过程中视野不达的困难，在一定程度上可以做到自动认帽、戴帽和拧紧的过程，且可以根据工艺流程的变化与实际工况来对机构与程序进行调整，具备一定的灵活性。但该机构仍存在以下问题，亟需进一步完善解决：装置结构体积、尺寸较大，设备较为笨重，所需操作步骤与流程多且复杂不能一个人完成所有操作，仍需做轻量化处理，优化操作流程；对于航空发动机内腔的极狭窄空间部分，由于空间尺寸限制所设计装置的拧紧臂不足以达到目标拧紧螺母的位置，不能完成自动拧紧操作；所设计结构只配有一个拧紧臂，而发动机需要拧紧的整周螺母数量较多造成效率低下，完成作业所需时间增长；装置的支撑结构(含有L型拧紧机构、展开/收缩机构、周向转动机构)直接安装在压气机上，而某型航空发动机转子***内腔并不具备该条件，不适应该种工况，需要进一步改进调整。

由上述方案仍存在的部分问题可知，目前现有的航空发动机狭窄空间的拧紧机构设计方法，在一定程度上解决了传统手工拧紧带来的不便利性，但是针对航空发动机内腔的复杂工况在方法上仍存在一些不足，结构不满足多型号航空发动机狭窄空间的拧紧机构设计的普适性，并且可进一步提高机构的便利性，仍需要对装置进一步设计优化。

发明内容

针对上述现有技术中存在的不足之处，本发明的目的是提供一种狭窄空间的多轴自动同步拧紧装置，以解决现有的航空发动机拧紧装备技术自动化程度较低，在进行拧紧安装时需要耗费较大的人力物力，拧紧状态受人为因素影响较大，且在狭窄空间拧紧时，由于安装空间有限，过于依赖于操作工人的经验，易出现装备碰壁、螺栓歪斜、螺栓脱落等问题。该装置能有效弥补现有技术中的不足，提高拧紧的效率及精度，并便于推广至狭窄空间的螺母拧紧作业。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明提供一种狭窄空间的多轴自动同步拧紧装置，包括升降动力输入机构、折叠动力输入机构、水平分度动力输入机构、拧紧动力输入机构、外壳支撑柱及齿轮箱，其中升降动力输入机构与水平分度动力输入机构连接，外壳支撑柱、折叠动力输入机构和拧紧动力输入机构均与升降动力输入机构连接，外壳支撑柱的下端铰接有两个齿轮箱，折叠动力输入机构与两个齿轮箱传动连接，折叠动力输入机构用于驱动两个齿轮箱同步折叠或展开；拧紧动力输入机构与两个齿轮箱铰接，拧紧动力输入机构为处于展开状态的两个齿轮箱提供拧紧动力。

所述折叠动力输入机构包括折叠动力输入***电缸、摆头杆及齿条，其中折叠动力输入***电缸设置于所述升降动力输入机构上，且输出端与平行设置的两个摆头杆的上端连接，两个摆头杆的下端分别与两个齿条连接，两个齿条分别与两个所述齿轮箱上设有的齿轮啮合；折叠动力输入***电缸驱动摆头杆和齿条上下运动，从而带动所述齿轮箱转动。

所述拧紧动力输入机构包括两个拧紧枪和两个扭矩传递轴，其中两个拧紧枪均设置于所述升降动力输入机构上，且输出端分别与两个扭矩传递轴的上端连接，两个扭矩传递轴的下端分别与两个所述齿轮箱的动力输入轴铰接；拧紧枪通过扭矩传递轴为所述齿轮箱的拧紧作业提供动力。

所述扭矩传递轴的下端通过连杆与所述齿轮箱的动力输入轴铰接。

所述齿轮箱的输出端设有拧紧套筒，拧紧套筒内设有弹性涨圈。

所述升降动力输入机构包括升降基板、导向轴、导向轴基座、直线驱动模组、导轨及升降机构固定板，其中升降机构固定板与所述水平分度动力输入机构连接，直线驱动模组和导轨沿竖直方向设置于升降机构固定板上，升降基板设置于直线驱动模组的顶部，导向轴基座与直线驱动模组的输出端连接，且与导轨滑动配合，导向轴基座上设有多个导向轴，多个导向轴贯穿升降基板，且与升降基板滑动配合。

所述水平分度动力输入机构包括水平分度动力输入***电机、水平分度动力输入***减速器、圆柱齿轮、旋转盘及固定齿圈，其中旋转盘和固定齿圈转动连接，水平分度动力输入***减速器通过分度电机连接件与旋转盘连接，水平分度动力输入***电机与水平分度动力输入***减速器的输入轴连接，水平分度动力输入***减速器的输出轴与圆柱齿轮连接，圆柱齿轮与固定齿圈啮合；水平分度动力输入***电机驱动圆柱齿轮转动，从而带动旋转盘转动；所述升降动力输入机构设置于旋转盘上。

所述固定齿圈上设有吊装架，吊装架上设有吊环。

所述外壳支撑柱的下端外侧设有视觉识别模块，视觉识别模块用于视觉识别待拧紧螺栓的位置。

本发明具有以下优点及有益效果：

1.本发明具有成本低、结构稳定、可靠性高的特点；本发明能适应各种狭窄空间的螺栓拧紧工作，操作方便适应性强，驱动均由伺服电机闭环控制，能够实时监控折叠、展开状态。

2.本发明满足一次定位后，小入口、大径深拧紧位置的全周螺母拧紧作业，实现了实时监控、及时调整、快速警告的目的，通过自动化控制提高了拧紧效率。

3.本发明的齿轮箱采用对称结构，径向力相互抵消，提高使用寿命；齿轮箱为封闭式结构，强度高、传递路线短、传递效率高。

4.本发明的结构轻量化、操作简单，有效提高整体设备效率和劳动力生产率，其技术方便理解，可实现简化培训、快速故障排除和便于升级的目的；本发明可根据拧紧工艺顺序的要求，灵活调整装置的相关机构与程序，自动实现螺母的认帽、旋合、预紧力的加载。

附图说明

图1为本发明一种狭窄空间的多轴自动同步拧紧装置在展开状态下的结构示意图；

图2为本发明一种狭窄空间的多轴自动同步拧紧装置在折叠状态下的结构示意图；

图3为本发明中升降动力输入***的结构示意图；

图4为本发明中折叠动力输入***的结构示意图；

图5为本发明中水平分度动力输入***的结构示意图；

图6为本发明中拧紧动力输入***的结构示意图；

图7为本发明的齿轮箱折叠状态的结构示意图；

图8为本发明的齿轮箱展开状态的结构示意图；

图9为本发明中弹性涨圈的结构示意图；

图10为本发明一种狭窄空间的多轴自动同步拧紧装置与航空发动机的整体装配图。

图中：1、航空发动机，2、航插，3、HDM I控制面板，4、转接法兰，5、外壳支撑柱，6、摆头杆，7、爪形联轴器，8、内窥镜，9、过渡法兰，10、吊装架，11、吊环，12、拧紧枪，13、齿轮箱，14、拧紧套筒，15、升降基板，16、直线轴承，17、导向轴，18、导向轴基座，19、升降动力输入***电机，20、导轨，21、升降机构固定板，22、折叠动力输入***电缸，23、齿条，24、水平分度动力输入***电机，25、水平分度动力输入***减速器，26、圆柱齿轮，27、旋转盘，28、待拧紧螺母位置，29、分度电机连接件，30、弹性涨圈，31、扭矩传递轴，32、连接座，33、齿轮，34、连杆，35、固定齿圈。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。

如图1、图2所示，本发明提供一种狭窄空间的多轴自动同步拧紧装置，包括升降动力输入机构、折叠动力输入机构、水平分度动力输入机构、拧紧动力输入机构、外壳支撑柱5及齿轮箱13，其中升降动力输入机构与水平分度动力输入机构连接，外壳支撑柱5、折叠动力输入机构和拧紧动力输入机构均与升降动力输入机构连接，外壳支撑柱5的下端铰接有两个齿轮箱13，折叠动力输入机构与两个齿轮箱13传动连接，折叠动力输入机构用于驱动两个齿轮箱13同步折叠或展开；拧紧动力输入机构与两个齿轮箱13铰接，拧紧动力输入机构为处于展开状态的两个齿轮箱13提供拧紧动力。

如图3所示，本发明的实施例中，升降动力输入机构包括升降基板15、导向轴17、导向轴基座18、直线驱动模组、导轨19及升降机构固定板21，其中升降机构固定板21与水平分度动力输入机构连接，直线驱动模组和导轨19沿竖直方向设置于升降机构固定板21上，升降基板15设置于直线驱动模组的顶部，导向轴基座18与直线驱动模组的输出端连接，且与导轨19滑动配合，导向轴基座18上设有多个导向轴17，多个导向轴17贯穿升降基板15，且与升降基板15滑动配合。

具体地，直线驱动模组包括升降动力输入***电机19和丝杠丝母机构，升降动力输入***电机19与丝杠丝母机构中的丝杠连接，丝杠丝母机构中的丝母与导向轴基座18连接，升降动力输入***电机19驱动丝杠转动，从而带动导向轴基座18沿导轨19上下移动，同时通过导向轴17进行导向。

如图5所示，本发明的实施例中，水平分度动力输入机构包括水平分度动力输入***电机24、水平分度动力输入***减速器25、圆柱齿轮26、旋转盘27及固定齿圈35，其中旋转盘27和固定齿圈35转动连接，水平分度动力输入***减速器25通过分度电机连接件29与旋转盘27连接，水平分度动力输入***电机24与水平分度动力输入***减速器25的输入轴连接，水平分度动力输入***减速器25的输出轴与圆柱齿轮26连接，圆柱齿轮26与固定齿圈35啮合；水平分度动力输入***电机24驱动圆柱齿轮26转动，从而带动旋转盘27转动，实现水平方向的定分度转动；升降动力输入机构中的升降机构固定板21与旋转盘27连接。

进一步地，固定齿圈35上设有吊装架10，吊装架10上设有吊环11。

如图4所示，本发明的实施例中，折叠动力输入机构包括折叠动力输入***电缸22、摆头杆6及齿条23，其中折叠动力输入***电缸22通过连接座32与升降动力输入机构的导向轴基座18连接，且输出端与平行设置的两个摆头杆6的上端连接，两个摆头杆6的下端分别与两个齿条23连接，两个齿条23分别与两个齿轮箱13上设有的齿轮33啮合；折叠动力输入***电缸22驱动摆头杆6和齿条23上下运动，从而驱动齿轮33转动，齿轮33带动齿轮箱13绕后端的铰接轴转动。具体地，齿轮箱13转动范围为0-90°，在水平方向的展开状态和竖直方向的折叠状态之间进行转换，如图1、图2所示。

进一步地，两个齿轮箱13为相互对称的结构，末端通过齿轮相互啮合，在折叠动力输入***的控制下完成对称的折叠、展开动作，实现了径向作用力的抵消，并且采用双头拧紧提高了拧紧效率。

工作时，通过折叠动力输入***电缸22的运动控制齿条23传动，齿条23与齿轮箱13末端的齿轮33相配合，实现了控制齿轮箱13绕轴线的折叠/展开操作。当齿轮箱13位于折叠位置时，可实现装置顺利进入航空发动机的操作；当齿轮箱13位于展开位置时，拧紧套筒14位于待拧紧螺栓尾端的正上方位置，为进一步的拧紧操作做准备。

如图6所示，本发明的实施例中，拧紧动力输入机构包括两个拧紧枪12和两个扭矩传递轴31，其中两个拧紧枪12均设置于升降动力输入机构的导向轴基座18上，且输出端通过爪形联轴器7分别与两个扭矩传递轴31的上端连接，两个扭矩传递轴31的下端分别与两个齿轮箱13的动力输入轴铰接；拧紧枪12通过扭矩传递轴31为齿轮箱13的拧紧作业提供动力。

进一步地，扭矩传递轴31的下端通过连杆34与齿轮箱13的动力输入轴铰接。齿轮箱13的输出端设有拧紧套筒14，拧紧套筒14内设有弹性涨圈30，如图9所示。弹性涨圈30根据螺母尺寸进行设计，安装固定在拧紧套筒14上，其前端部带有四个弹片，可实现对上料的螺母进行固定，使其在齿轮箱13折叠***发动机时不发生脱落。

进一步地，如图1所示，外壳支撑柱5的下端外侧设有视觉识别模块，具体地视觉识别模块为内窥镜8，内窥镜8用于视觉识别待拧紧螺栓的位置。具体地，实现视觉识别模块的走线利用芯轴支撑臂的中空部分。

如图10所示，本发明提供一种狭窄空间的多轴自动同步拧紧装置，适用于航空发动机内腔空间狭窄，受空间尺寸限制螺栓连接的位置不方便拧紧的工况。拧紧动力输入***与折叠动力输入***相配合以完成齿轮箱13的目标运动，实现航空发动机在狭窄空间内的螺栓拧紧操作，具体包括如下步骤：

S1：在进行拧紧操作前，首先需要确定所有装置的电气部件全部归零，机械部件恢复到初始位置后，通过索具与装置上的吊环11将整个装置吊起，并把装置恢复到初始位置，此时齿轮箱13处于折叠状态，将螺母固定在拧紧套筒14中的弹性涨圈30内，完成上料操作。

S2：将本装置整体吊装至航空发动机1的后轴的过渡法兰9上，完成装置整体与发动机后轴的安装定位，齿轮箱13保持折叠状态。

S3：装置固定在指定位置后，通过折叠动力输入***电缸22控制齿条23的运动，齿条23与齿轮箱13末端的齿轮33配合，将折叠状态的两个齿轮箱13展开，使得齿轮箱13展开至90°，如图8所示，以实现顺利避让航空发动机1狭窄空间的干涉位置，使机构到达拧紧平面，通过内窥镜8视觉识别待拧紧螺栓位置28，调整拧紧套筒14的位置位于第一个待拧螺栓尾端的正上方位置。

S4：利用升降动力输入***驱动齿轮箱13上升，通过精准调整最终上升至待拧紧螺母位置28与拧紧套筒14拧紧面贴合。

S5：拧紧输入动力***中的拧紧枪12输出扭矩，通过扭矩传递轴31传递至齿轮箱13内为拧紧作业提供扭矩。齿轮箱13根据内部的齿轮配合将输出扭矩传递至拧紧套筒14，待拧紧螺母受拧紧套筒14带动进行旋拧，拧紧套筒14与待拧紧螺母以相同的旋拧速度上升。

S6：通过内置传感器实时监控拧紧转角及力矩的大小，待完成目标螺母拧紧操作后，通过控制折叠动力输入机构将展开的齿轮箱13恢复成折叠状态，如图7所示。

S7：将装置与航空发动机1分离开，并通过吊环11将装置拔出。

S8：利用水平分度动力输入***转动旋转盘27，将旋转盘27固定在下一个待拧紧螺母的位置。具体地，可根据后台程序的设定，调整、优化发动机所需拧紧顺序，提高了工艺流程的灵活性。

S9：根据需要拧紧螺栓的数量重复上述操作中的S1-S8步骤，至完成某型航空发动机狭窄空间范围内的整周范围内所有需要拧紧的螺栓的拧紧工序。

S10：将装置从某型航空发动机上拆除，装置整体吊离发动机，并将电气部件归零，机械部件恢复初始位置。

进一步地，在步骤S1前需要完成校准输出扭矩、视觉识别模块的步骤。步骤S1具体包括：对于上料操作，可选用戴帽工装预先完成整周螺母的上料操作，也可选用手动上料至弹性涨圈30内实现戴帽、拧紧一体化操作，可根据实际条件完成相应流程。

本发明提供一种狭窄空间的多轴自动同步拧紧装置，可为狭窄空间提供操作高效、便捷、安全及可靠的拧紧机构方案，以提升狭窄空间拧紧过程的自动化水平。

以上所述仅为本发明的实施方式，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进、扩展等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种狭窄空间的多轴自动同步拧紧装置，其特征在于，包括升降动力输入机构、折叠动力输入机构、水平分度动力输入机构、拧紧动力输入机构、外壳支撑柱(5)及齿轮箱(13)，其中升降动力输入机构与水平分度动力输入机构连接，外壳支撑柱(5)、折叠动力输入机构和拧紧动力输入机构均与升降动力输入机构连接，外壳支撑柱(5)的下端铰接有两个齿轮箱(13)，折叠动力输入机构与两个齿轮箱(13)传动连接，折叠动力输入机构用于驱动两个齿轮箱(13)同步折叠或展开；拧紧动力输入机构与两个齿轮箱(13)铰接，拧紧动力输入机构为处于展开状态的两个齿轮箱(13)提供拧紧动力。

2.根据权利要求1所述的狭窄空间的多轴自动同步拧紧装置，其特征在于，所述折叠动力输入机构包括折叠动力输入***电缸(22)、摆头杆(6)及齿条(23)，其中折叠动力输入***电缸(22)设置于所述升降动力输入机构上，且输出端与平行设置的两个摆头杆(6)的上端连接，两个摆头杆(6)的下端分别与两个齿条(23)连接，两个齿条(23)分别与两个所述齿轮箱(13)上设有的齿轮(33)啮合；折叠动力输入***电缸(22)驱动摆头杆(6)和齿条(23)上下运动，从而带动所述齿轮箱(13)转动。

3.根据权利要求1所述的狭窄空间的多轴自动同步拧紧装置，其特征在于，所述拧紧动力输入机构包括两个拧紧枪(12)和两个扭矩传递轴(31)，其中两个拧紧枪(12)均设置于所述升降动力输入机构上，且输出端分别与两个扭矩传递轴(31)的上端连接，两个扭矩传递轴(31)的下端分别与两个所述齿轮箱(13)的动力输入轴铰接；拧紧枪(12)通过扭矩传递轴(31)为所述齿轮箱(13)的拧紧作业提供动力。

4.根据权利要求3所述的狭窄空间的多轴自动同步拧紧装置，其特征在于，所述扭矩传递轴(31)的下端通过连杆(34)与所述齿轮箱(13)的动力输入轴铰接。

5.根据权利要求3所述的狭窄空间的多轴自动同步拧紧装置，其特征在于，所述齿轮箱(13)的输出端设有拧紧套筒(14)，拧紧套筒(14)内设有弹性涨圈(30)。

6.根据权利要求1所述的狭窄空间的多轴自动同步拧紧装置，其特征在于，所述升降动力输入机构包括升降基板(15)、导向轴(17)、导向轴基座(18)、直线驱动模组、导轨(19)及升降机构固定板(21)，其中升降机构固定板(21)与所述水平分度动力输入机构连接，直线驱动模组和导轨(19)沿竖直方向设置于升降机构固定板(21)上，升降基板(15)设置于直线驱动模组的顶部，导向轴基座(18)与直线驱动模组的输出端连接，且与导轨(19)滑动配合，导向轴基座(18)上设有多个导向轴(17)，多个导向轴(17)贯穿升降基板(15)，且与升降基板(15)滑动配合。

7.根据权利要求6所述的狭窄空间的多轴自动同步拧紧装置，其特征在于，所述水平分度动力输入机构包括水平分度动力输入***电机(24)、水平分度动力输入***减速器(25)、圆柱齿轮(26)、旋转盘(27)及固定齿圈(35)，其中旋转盘(27)和固定齿圈(35)转动连接，水平分度动力输入***减速器(25)通过分度电机连接件(29)与旋转盘(27)连接，水平分度动力输入***电机(24)与水平分度动力输入***减速器(25)的输入轴连接，水平分度动力输入***减速器(25)的输出轴与圆柱齿轮(26)连接，圆柱齿轮(26)与固定齿圈(35)啮合；水平分度动力输入***电机(24)驱动圆柱齿轮(26)转动，从而带动旋转盘(27)转动；所述升降动力输入机构设置于旋转盘(27)上。

8.根据权利要求7所述的狭窄空间的多轴自动同步拧紧装置，其特征在于，所述固定齿圈(35)上设有吊装架(10)，吊装架(10)上设有吊环(11)。

9.根据权利要求1所述的狭窄空间的多轴自动同步拧紧装置，其特征在于，所述外壳支撑柱(5)的下端外侧设有视觉识别模块，视觉识别模块用于视觉识别待拧紧螺栓的位置。