航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字化裝配仿真關(guān)鍵技術(shù)研究

■ 劉志軍 劉智武 吳曉鋒 胡思嘉 魏小紅 / 中國(guó)航發(fā)西航

數(shù)字化、自動(dòng)化、智能化裝配技術(shù)是提升航空發(fā)動(dòng)機(jī)的裝配質(zhì)量和效率的必然手段，建立航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字化裝配仿真流程架構(gòu)模型，對(duì)數(shù)字化裝配的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析，可以為實(shí)現(xiàn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字化智能裝配提供支持。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)裝配包括部件裝配、總裝裝配等環(huán)節(jié)。相關(guān)研究表明，裝配成本占航空發(fā)動(dòng)機(jī)總成本的40%，裝配工作占整機(jī)生產(chǎn)的50%以上，裝配工藝及裝配操作執(zhí)行過(guò)程對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能有著至關(guān)重要的影響。為保證航空發(fā)動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行，首先，機(jī)匣、盤(pán)、軸、葉片以及噴嘴等零組件必須具有精密的配合和連接狀態(tài)，高度的同心和同軸度，良好的轉(zhuǎn)子平衡性和平穩(wěn)性；其次，空氣、燃油和滑油系統(tǒng)須具有良好的密封和清潔性；同時(shí)要求各附件和管線(xiàn)具有抗振、防磨以及絕緣等性能。

隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)推重比、可靠性等各項(xiàng)技術(shù)性能指標(biāo)的提升，研發(fā)難度顯著增大，傳統(tǒng)裝配技術(shù)已經(jīng)難以滿(mǎn)足航空發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)模式變革要求，面臨的難題主要有：裝配工藝設(shè)計(jì)及驗(yàn)證依靠技術(shù)人員經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)物理試裝，須反復(fù)迭代更改，生產(chǎn)周期長(zhǎng)；人工手動(dòng)裝配，裝配精度可控性較差，效率提升緩慢；裝配過(guò)程受人為因素影響較大，執(zhí)行操作可靠性及裝配質(zhì)量穩(wěn)定性不足，易出現(xiàn)錯(cuò)裝、漏裝的現(xiàn)象。

圖1 數(shù)字化裝配工藝設(shè)計(jì)與仿真流程架構(gòu)

數(shù)字化智能裝配技術(shù)能顯著提高產(chǎn)品裝配效率和質(zhì)量，一直受到歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家的高度重視。飛機(jī)裝配經(jīng)歷了從人工裝配、半機(jī)械/半自動(dòng)化裝配，到自動(dòng)化/數(shù)字化裝配的發(fā)展，為了進(jìn)一步提高飛機(jī)裝配效率及質(zhì)量，數(shù)字化智能裝配技術(shù)已成為發(fā)展的必然趨勢(shì)[1]。結(jié)合航空工業(yè)的發(fā)展歷程，為有效解決航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字化智能裝配難題，提升航空發(fā)動(dòng)機(jī)裝配技術(shù)水平，數(shù)字化裝配工藝設(shè)計(jì)、裝配工藝仿真、裝配性能仿真等正成為航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字化智能裝配的研究熱點(diǎn)和發(fā)展趨勢(shì)。因此，針對(duì)上述問(wèn)題，筆者研究了航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字化裝配工藝設(shè)計(jì)與仿真的流程架構(gòu)模型，并提出了關(guān)鍵技術(shù)研究?jī)?nèi)容及解決途徑。

數(shù)字化裝配工藝設(shè)計(jì)與仿真的流程架構(gòu)

數(shù)字化裝配工藝設(shè)計(jì)與仿真是依據(jù)產(chǎn)品物料清單（EBOM）、工藝物料清單（PBOM）、工裝和設(shè)備等數(shù)據(jù)構(gòu)建裝配物料清單（ABOM），基于產(chǎn)品三維模型建立輕量化工藝模型，通過(guò)裝配順序、裝配路徑規(guī)劃開(kāi)展詳細(xì)裝配工藝設(shè)計(jì)，并經(jīng)過(guò)虛擬裝配仿真形成三維可視化裝配工藝規(guī)程等結(jié)構(gòu)化工藝流程及數(shù)據(jù)，從而滿(mǎn)足生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)裝配執(zhí)行過(guò)程的數(shù)字化管控、可視化指導(dǎo)等要求，其基本工作流程如圖 1所示。

數(shù)字化裝配工藝設(shè)計(jì)

數(shù)字化裝配工藝設(shè)計(jì)通過(guò)裝配工藝的可視化和結(jié)構(gòu)化，可提高工藝設(shè)計(jì)質(zhì)量，并保證裝配工藝可操作性，同時(shí)可為生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)提供數(shù)字化的裝配指令，是實(shí)現(xiàn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字化智能裝配的基礎(chǔ)。數(shù)字化裝配工藝設(shè)計(jì)一般包括工藝模型構(gòu)建、ABOM構(gòu)建、裝配工藝規(guī)劃、容差分析以及三維可視化工藝生成等研究?jī)?nèi)容。

工藝模型的構(gòu)建是基于模型的定義（MBD）技術(shù)，在產(chǎn)品MBD基礎(chǔ)上創(chuàng)建輕量化的工藝模型，用于工裝設(shè)計(jì)、大數(shù)據(jù)量虛擬裝配仿真、三維可視化裝配工藝編制。

ABOM構(gòu)建是通過(guò)數(shù)字化手段實(shí)現(xiàn)裝配工藝結(jié)構(gòu)化的關(guān)鍵，在PBOM基礎(chǔ)上增加外購(gòu)件和外供件。

裝配工藝規(guī)劃與ABOM構(gòu)建同步進(jìn)行，建立相關(guān)零組件與裝配工藝、工序、設(shè)備、工裝之間的關(guān)系，規(guī)劃零組件裝配順序，制定裝配工藝細(xì)節(jié)技術(shù)要求。

通過(guò)工藝模型開(kāi)展可視化裝配工藝的文件編制和仿真驗(yàn)證，工藝設(shè)計(jì)結(jié)果已不再是傳統(tǒng)的工藝規(guī)程，而是能夠滿(mǎn)足裝配工藝數(shù)字化管理要求的整套結(jié)構(gòu)化工藝數(shù)據(jù)，并清晰地反映出裝配工藝、裝配流程及工藝資源的相互關(guān)系。

數(shù)字化裝配工藝設(shè)計(jì)離不開(kāi)軟件系統(tǒng)的支持，發(fā)動(dòng)機(jī)企業(yè)應(yīng)綜合航空發(fā)動(dòng)機(jī)裝配工藝設(shè)計(jì)方法及流程、產(chǎn)品及工藝數(shù)據(jù)管理、車(chē)間數(shù)字化生產(chǎn)管控?cái)?shù)據(jù)傳遞等方面的需求，開(kāi)發(fā)建立適合自身產(chǎn)品的數(shù)字化工藝設(shè)計(jì)平臺(tái)。

數(shù)字化裝配工藝仿真

數(shù)字化仿真技術(shù)是航空發(fā)動(dòng)機(jī)自主研發(fā)的必要手段，能夠顯著降低研發(fā)成本、縮短研制周期[2]。裝配工藝仿真技術(shù)作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字化智能裝配的關(guān)鍵技術(shù)之一，是在部件裝配和總裝裝配過(guò)程中，以航空發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品模型、工藝裝備模型、產(chǎn)品實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)等為基礎(chǔ)，結(jié)合裝配路徑、工藝參數(shù)、裝配精度和人機(jī)工程等方面的要求，在數(shù)字化虛擬環(huán)境中進(jìn)行全裝配過(guò)程的虛擬驗(yàn)證及工藝優(yōu)化，從而保證裝配方案的合理性、準(zhǔn)確性和可實(shí)施性。航空發(fā)動(dòng)機(jī)裝配工藝仿真的研究?jī)?nèi)容包括兩方面：一是裝配工藝路徑及裝配順序仿真、干涉檢查、人機(jī)工程仿真等可裝配性方面的分析驗(yàn)證，即虛擬裝配；二是裝配精度或裝配性能方面的模擬驗(yàn)證，如轉(zhuǎn)子堆疊模擬優(yōu)化、葉片排列仿真優(yōu)化等內(nèi)容。

虛擬裝配工藝仿真

在計(jì)算機(jī)中對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行虛擬裝配，通過(guò)裝配工藝路徑、裝配順序仿真，重點(diǎn)對(duì)裝配過(guò)程是否發(fā)生干涉進(jìn)行檢查，可避免零件尺寸、工藝裝備尺寸、裝配順序以及裝配路徑不合理導(dǎo)致的干涉問(wèn)題。通過(guò)人機(jī)工程仿真，按照各零部件裝配順序、裝配路徑，對(duì)虛擬人體模型進(jìn)行控制，模擬生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)裝配過(guò)程中工人的各種實(shí)際操作狀態(tài)，可分析裝配動(dòng)作的可達(dá)性和可視性，同時(shí)對(duì)作業(yè)空間進(jìn)行分析評(píng)估，以確保裝配工人處于最舒適的工作姿勢(shì)。

眾所周知，波音公司在787客機(jī)研制過(guò)程中應(yīng)用了三維數(shù)字化設(shè)計(jì)及仿真技術(shù)，成功縮短了裝配工藝規(guī)劃和更改的時(shí)間。以洛克希德-馬?。羼R）公司、普惠公司等為首的軍工制造企業(yè)在產(chǎn)品研發(fā)過(guò)程中通過(guò)應(yīng)用虛擬裝配技術(shù)，也取得了巨大成就。目前，國(guó)內(nèi)飛機(jī)制造企業(yè)在飛機(jī)裝配工藝仿真技術(shù)研究及應(yīng)用方面取得了較大進(jìn)展，基于達(dá)索DELMIA軟件平臺(tái)，在裝配工藝路徑驗(yàn)證、干涉檢查及人機(jī)工程等方面開(kāi)展了飛機(jī)裝配工藝過(guò)程虛擬仿真技術(shù)研究及應(yīng)用。吳騰等人在航空發(fā)動(dòng)機(jī)低壓渦輪裝配過(guò)程中開(kāi)展了相關(guān)研究，通過(guò)驗(yàn)證得出，數(shù)字化仿真代替物理樣機(jī)試裝能夠檢驗(yàn)裝配過(guò)程的合理性，是對(duì)裝配工藝及裝配工具驗(yàn)證及優(yōu)化的一種快速有效的手段[3]。復(fù)雜產(chǎn)品裝配規(guī)劃與仿真系統(tǒng)具有裝配工藝設(shè)計(jì)、工藝路徑仿真、裝配工序圖自動(dòng)生成等功能，可提高產(chǎn)品一次裝配成功率并降低裝配成本。

從目前的研究及應(yīng)用情況可以看出，虛擬裝配仿真尤其適用于新型號(hào)研制或首批生產(chǎn)，以便優(yōu)化工藝設(shè)計(jì)，縮短研制周期和降低成本。傳統(tǒng)的三維數(shù)字化模型參與裝配過(guò)程仿真導(dǎo)致數(shù)據(jù)量過(guò)大，對(duì)計(jì)算機(jī)硬件和軟件均提出較高要求，因此三維模型輕量化是裝配工藝仿真應(yīng)重視并解決的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。產(chǎn)品三維模型、工裝模型、設(shè)備模型和人體模型是實(shí)現(xiàn)裝配工藝路徑及裝配順序仿真、人機(jī)工程仿真等虛擬裝配的基礎(chǔ)，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)裝配工藝仿真技術(shù)應(yīng)用過(guò)程中應(yīng)將相應(yīng)模型及數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建作為一個(gè)重要項(xiàng)目來(lái)實(shí)施。

隨著虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(AR)、混合現(xiàn)實(shí)（MR）等數(shù)字化、智能化技術(shù)的發(fā)展，智能裝配技術(shù)已經(jīng)得到了應(yīng)用，如圖 2所示。波音公司通過(guò)應(yīng)用該技術(shù)使得工人組裝線(xiàn)束的錯(cuò)誤率降低了50%，時(shí)間縮短了25%，GE、賽峰等企業(yè)也正在航空發(fā)動(dòng)機(jī)裝配過(guò)程中應(yīng)用該技術(shù)。國(guó)內(nèi)很多專(zhuān)家學(xué)者也開(kāi)展了該方面的技術(shù)研究和應(yīng)用驗(yàn)證，基于混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)開(kāi)發(fā)了智能裝配系統(tǒng)，探索實(shí)現(xiàn)了虛擬裝配技術(shù)在航空航天產(chǎn)品裝配過(guò)程中的應(yīng)用?；赩R、AR、MR及人工智能技術(shù)的虛擬裝配仿真、數(shù)字化操作引導(dǎo)、自動(dòng)智能檢測(cè)技術(shù)，將是未來(lái)提升航空發(fā)動(dòng)機(jī)等復(fù)雜裝備裝配效率和裝配質(zhì)量的一個(gè)重要方向。

裝配性能仿真

采用裝配精度或裝配性能仿真，可根據(jù)產(chǎn)品裝配所需的各類(lèi)零部件的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)（如幾何尺寸及公差、質(zhì)量、偏心量等），確定合理的工藝參數(shù)，從而保證各零部件裝配的最佳配合及連接狀態(tài)、同軸度或平衡性等性能要求。

裝配性能仿真涉及多種學(xué)科理論和航空發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行核心規(guī)律，需要大量的試驗(yàn)迭代驗(yàn)證，國(guó)內(nèi)外公開(kāi)的成熟應(yīng)用研究成果較少。航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子裝配堆疊仿真作為典型的專(zhuān)用裝配驗(yàn)證優(yōu)化技術(shù)在GE、普惠和羅羅等航空發(fā)動(dòng)機(jī)企業(yè)得到深入應(yīng)用[4]。孫汕民等人針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)高壓轉(zhuǎn)子部件，研究了堆疊仿真優(yōu)化技術(shù)原理，分析了堆疊仿真軟件的應(yīng)用情況，并指出集成機(jī)理模型和智能算法的綜合模型是裝配精度及性能仿真方面的研究及應(yīng)用重點(diǎn)[5]。柏樹(shù)生等人針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)機(jī)匣，基于有限元仿真的方法分析了螺栓緊度分布及加載順序?qū)C(jī)匣裝配同心度的影響規(guī)律，指出機(jī)匣類(lèi)零件裝配過(guò)程中通過(guò)對(duì)稱(chēng)、輪流對(duì)螺栓施加相同的預(yù)緊力，能保證機(jī)匣裝配同心度要求[6]。潘明輝等針對(duì)鉚接裝配變形開(kāi)展了有限元仿真和工藝試驗(yàn)驗(yàn)證，為大型薄壁件裝配制造精度的提高奠定了技術(shù)基礎(chǔ)[7]。

目前，針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)裝配性能有效檢測(cè)的方法較為缺乏，其裝配質(zhì)量多數(shù)依靠整機(jī)試車(chē)驗(yàn)證間接得到，但檢測(cè)效率、周期、成本都不盡如人意。隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)性能指標(biāo)、質(zhì)量可靠性、安全性等要求的提高，裝配精度或性能仿真作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造企業(yè)裝配性能檢測(cè)及驗(yàn)證的核心技術(shù)，必將得到廣泛深入的研究和發(fā)展，與之對(duì)應(yīng)的零部件制造數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建、仿真算法開(kāi)發(fā)等研究也應(yīng)同時(shí)得到重視。

結(jié)束語(yǔ)

數(shù)字化虛擬仿真是提升航空發(fā)動(dòng)機(jī)裝配質(zhì)量和效率的有效技術(shù)手段，面向航空發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品裝配全流程，深入研究及應(yīng)用數(shù)字化工藝設(shè)計(jì)、虛擬裝配工藝仿真、裝配性能仿真，加快裝配工藝仿真與裝配技術(shù)、檢測(cè)技術(shù)的有機(jī)融合，有利于快速提升航空發(fā)動(dòng)機(jī)裝配的智能化、數(shù)字化、自動(dòng)化水平，減少制造裝配過(guò)程中的人工犯錯(cuò)因素，提高裝配過(guò)程的穩(wěn)定性和可控性。