航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字化裝配技術(shù)淺析

高福達(dá)

摘 要：數(shù)字化制造技術(shù)作為新一代發(fā)動(dòng)機(jī)研制生產(chǎn)的支撐手段，已逐漸成為提升航空科技工業(yè)的重大關(guān)鍵制造技術(shù)。數(shù)字化制造技術(shù)以各類數(shù)字化技術(shù)手段的應(yīng)用為主要特征，是新一代航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制的必需手段和必由之路。

關(guān)鍵詞：發(fā)動(dòng)機(jī) 數(shù)字化 三維 裝配 技術(shù)

引言

隨著新技術(shù)、新工藝、新材料的發(fā)展，高速加工和強(qiáng)力切削技術(shù)廣泛應(yīng)用于加工過程中，使得加工時(shí)間不斷縮短，裝配時(shí)間成了影響制造周期的重要因素，隨著數(shù)控機(jī)床的廣泛應(yīng)用，零件的加工精度已可以部分地由機(jī)床的精度保證，然而航空發(fā)動(dòng)機(jī)的裝配是借助于一些省力裝置的手工裝配，裝配精度的高低和穩(wěn)定與否依賴于裝配工人的操作經(jīng)驗(yàn)和技藝水平。

一、關(guān)鍵技術(shù)

1、優(yōu)配模塊技術(shù)：在裝配車間對(duì)零件進(jìn)行實(shí)際裝配時(shí)可能發(fā)生如下情況：各個(gè)裝配尺寸鏈的封閉環(huán)尺寸位于公差帶的不同范圍，不能達(dá)到最高的整體裝配精度，即整批產(chǎn)品質(zhì)量未達(dá)到最佳。因此，需要開發(fā)一個(gè)優(yōu)配模塊，在各零件按經(jīng)濟(jì)加工精度制造的情況下，通過計(jì)算機(jī)選擇合適的零件進(jìn)行匹配，找出一組最佳組合方式，從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的高裝配精度。為了達(dá)到上述要求，根據(jù)關(guān)鍵尺寸對(duì)倉庫中需要裝配的零件進(jìn)行分組，使零件的裝配尺寸滿足公差要求，并滿足裝配間隙離公差帶中值距離最小的原則。

零件優(yōu)配實(shí)際上是一個(gè)組合優(yōu)化的過程，本文采用基本遺傳算法來實(shí)現(xiàn)零件優(yōu)配。假設(shè)有10套裝配件A，其中a類零件10個(gè)、b類零件20個(gè)，而每一個(gè)裝配件需要一個(gè)a類零件、兩個(gè)b類零件，即在進(jìn)行遺傳運(yùn)算時(shí)，兩個(gè)b類零件只能算作一個(gè)來進(jìn)行分析。那么，裝配后可以得到10套裝配件，根據(jù)排列組合的理論可以推導(dǎo)得出10種裝配方案。

2、裝配工藝的可視化

2.1 三維可視化工藝，三維可視化技術(shù)的研究與應(yīng)用，是基于實(shí)際的零件或部件的三維模型和裝配工藝路線的模擬，不僅可以驗(yàn)證裝配工藝的可行性、合理性，而且可以形象地培訓(xùn)裝配人員和相關(guān)人員對(duì)工藝資料的可靠掌握，同時(shí)對(duì)裝配流程有更為清晰的了解。

2.2 三維模型信息的獲取，路徑的規(guī)劃和動(dòng)畫實(shí)現(xiàn)方法，工步播放控制，動(dòng)畫上傳與刪除等技術(shù)，快速建立二維工藝信息與工藝三維動(dòng)畫之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

三維模型信息的獲取是實(shí)現(xiàn)裝配工藝可視化首要條件，零、部件的三維模型是必備的，如何從這些CAD環(huán)境下獲取我們所需的零部件（整機(jī)）的裝配模型信息，是進(jìn)行裝配過程動(dòng)態(tài)演示首先需要解決的問題。

模型信息提取有以下3種可能的途徑：

（1）直接利用CAD軟件的導(dǎo)出功能。目前主流的CAD軟件，如CATIA、Pro/E等都支持HSF格式的輸出，可以很方便地將其導(dǎo)出成HSF文件。

（2）利用CAD軟件的API。通過CAD軟件提供的應(yīng)用程序編程接口（API）是一種更為安全的做法，由程序供應(yīng)商提供的編程接口可以保證在各版本之間的一致性以及信息的精確性，但需要對(duì)不同的CAD軟件開發(fā)不同的接口，實(shí)現(xiàn)起來較為復(fù)雜。

（3）利用產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn)STEP。STEP作為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)得到了廣泛的應(yīng)用，對(duì)CAD軟件導(dǎo)出的STEP文件進(jìn)行解析并由此得到零件模型是一種可行的方法。

為了使系統(tǒng)可以適用于不同CAD平臺(tái)上的裝配模型，本文采用直接從CAD系統(tǒng)中導(dǎo)出HSF格式文件或通過STEP中間格式轉(zhuǎn)換為HSF格式文件作為系統(tǒng)的零件模型。

3、三維裝配可視化動(dòng)畫演示

裝配工人進(jìn)行裝配時(shí)，是按照裝配工藝規(guī)程中的裝配工藝卡上的要求進(jìn)行裝配的。裝配工藝卡上的裝配工步只是簡(jiǎn)單地說明某個(gè)零件裝配到某個(gè)零件上，很不直觀，傳統(tǒng)的基于預(yù)先錄制的視頻文件沒有交互功能，基于CAD系統(tǒng)的二次開發(fā)拆裝系統(tǒng)不能單獨(dú)交付使用，多媒體制作系統(tǒng)的交互功能是預(yù)先設(shè)定的，不能體現(xiàn)用戶的個(gè)性需求。

從CAD系統(tǒng)中取得零件三維數(shù)學(xué)模型，與裝配工藝相關(guān)聯(lián)，通過系統(tǒng)定制，展示實(shí)際零部件在裝配過程中的運(yùn)動(dòng)場(chǎng)景。實(shí)際應(yīng)用于場(chǎng)景為：裝配車間有一個(gè)顯示屏，工人在裝配過程中，可以從顯示屏上看到整個(gè)裝配過程的演示，演示裝配過程的同時(shí)，顯示裝配的注意事項(xiàng)，指導(dǎo)裝配工人進(jìn)行裝配。

3.1裝配順序和路徑生成

3.1.1CAD環(huán)境下的信息提取

產(chǎn)品的裝配過程動(dòng)演示中，零件的三維模型是必備的，航空發(fā)動(dòng)機(jī)的三維建模基本采用UG、CATIA等CAD系統(tǒng)，如何從這些CAD環(huán)境下獲取我們所需的建立動(dòng)態(tài)裝配過程的信息：幾何模型及幾何約束等，從而構(gòu)建零件模型，是進(jìn)行裝配可視化首先需要解決的問題。

現(xiàn)有的實(shí)現(xiàn)CAD軟件下的信息提取有以下幾種可以的途徑：一是直接利用CAD軟件的導(dǎo)出功能，CAD軟件如UG、Pro/E＼CATIA等都支持VRML格式和STL格式的輸出，可以很方便地將其導(dǎo)出成VRML文件可STL文件；二是通過CAD軟件的API，通過CAD軟件提供的應(yīng)用編程接口是一種更為安全的做法，由程序供應(yīng)商提供的編程接口可以保證在各版本之間的一致性以及信息的精確性，但需要對(duì)不同的CAD軟件開發(fā)不同的接口，實(shí)現(xiàn)超來較為復(fù)雜；二是通過產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn)STEP，STEP，作為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)得到了廣泛的支持，對(duì)CAD軟件導(dǎo)出的STEP文件進(jìn)行解析并由此得到VRML模型和裝配模型是一種可行的方法。

3.1.2利用STL文件構(gòu)建零件模型

STL文件。即立體光造型文件，是由美國(guó)3DSystem公司開發(fā)的，已被工業(yè)界認(rèn)為是快速原型制造領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)零件描述文件格式。STL文件對(duì)三維實(shí)體描述的角度具有唯一性，是描述三維幾何形狀的標(biāo)準(zhǔn)文件格式之一。它采用一系列離散的三角片來描述三維曲面形狀。目前，大多數(shù)CAD軟件都是具有STL文件輸出接口，可以將三維幾何模型輸出成STL文件。

3.1.3在CAD中定義裝配順序和路徑

由于航空發(fā)動(dòng)機(jī)的裝配工藝多是成熟的工藝。所以，裝配工藝員可在CAD軟件中定義好裝配順序和裝配路徑，在UG中得到零件的三維模型以后，根據(jù)裝配工藝規(guī)程中的裝配工藝卡，計(jì)劃好安裝步驟，可以利用UG的assembIy模塊進(jìn)行安裝，將待裝配零部件導(dǎo)出成STL文件就可以得到零件幾何領(lǐng)先。除了零件建模以外，還要提取零部件的裝配路徑信息，才能演示發(fā)動(dòng)機(jī)的裝配過程。這里的裝配路徑信息是指將要裝配在一起的各零件之間的相對(duì)位置，通過導(dǎo)出待裝配零件的幾個(gè)中間狀態(tài)的STL文件獲得裝配路徑信息。

3.1.4裝配配置文件的生成

裝配配置文件分為工步運(yùn)動(dòng)文件和工序運(yùn)動(dòng)文件兩種，描述了該工步或工序中零件裝配的順序和路徑。工序運(yùn)動(dòng)文件由該工序內(nèi)的所有工步的運(yùn)動(dòng)配置文件組合而成。工步運(yùn)動(dòng)文件涉及該工步中靜止零件以及運(yùn)動(dòng)零件的裝配順序和各個(gè)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，有可以出現(xiàn)一個(gè)部件媽幾個(gè)零件同時(shí)同步運(yùn)動(dòng)的情況。系統(tǒng)通過CAD軟件中導(dǎo)出的STL文件，結(jié)合裝配工藝卡中的裝配工步，生成裝配動(dòng)畫配置文件，通過配置文件來得到裝配的順序和路徑。

結(jié)語

目前，發(fā)動(dòng)機(jī)裝配工藝工作并未達(dá)到全三維水平，還需進(jìn)一步深入開展研究工作，建立三維數(shù)字化設(shè)計(jì)制造一體化集成應(yīng)用系統(tǒng)，健全發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字化工藝設(shè)計(jì)體系。發(fā)動(dòng)機(jī)的數(shù)字化裝配是縮短發(fā)動(dòng)機(jī)研制周期、降低制造成本、提髙產(chǎn)品質(zhì)量的重要保障，也是發(fā)動(dòng)機(jī)裝配技術(shù)未來發(fā)展的必然趨勢(shì)。

參考文獻(xiàn)

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