基于DELMIA的航空發(fā)動機虛擬裝配技術(shù)研究*

徐張桓 許 瑛 張 悅 但楊輝

(南昌航空大學(xué)飛行器工程學(xué)院，江西 南昌 330063)

傳統(tǒng)的航空發(fā)動機裝配工藝基本都是采用二維工藝規(guī)劃，現(xiàn)場的裝配工作也都是由人工方式來完成。經(jīng)常會出現(xiàn)碰撞干涉現(xiàn)象、裝配工藝規(guī)劃不合理、裝配工人不易操作等一系列問題。采用虛擬裝配仿真提前對航空發(fā)動機裝配工藝進行驗證，改進不合理的裝配工藝，可以有效避免在實際裝配中可能會出現(xiàn)的問題，提高工人的裝配效率。

在航空發(fā)動機數(shù)字化裝配研究方面，徐延鋒等人在OpenGL中對航空發(fā)動機模型進行演示，結(jié)合多線程實現(xiàn)了航空發(fā)動機裝配過程的動畫演示，生成了指導(dǎo)工人的裝配履歷表[1]。張青等人利用3DVIA Studio 虛擬仿真平臺，在可視化虛擬環(huán)境中使用人的肢體語言對航空發(fā)動機進行了虛擬裝配實驗[2]。沈洪權(quán)等人以DELMIA數(shù)字化仿真為平臺，將某型航空發(fā)動機安裝到飛機上這一過程進行了裝配工藝仿真驗證[3]。李冠華等人在CAPP系統(tǒng)中構(gòu)建了基于模型定義的數(shù)字化裝配工藝設(shè)計環(huán)境，實現(xiàn)了面向裝配制造的工藝設(shè)計[4]。曾亮等人研究并開發(fā)了一個航空發(fā)動機裝配數(shù)字化系統(tǒng)，實現(xiàn)了裝配工藝的三維可視化、裝配任務(wù)安排以及裝配履歷表管理[5]。

在對相關(guān)文獻充分調(diào)研后可以看出，尚未有學(xué)者結(jié)合裝配總成與人機工程技術(shù)對航空發(fā)動機虛擬裝配工藝問題進行系統(tǒng)性研究。本文基于DELMIA數(shù)字化仿真軟件為平臺，構(gòu)建了航空發(fā)動機的虛擬裝配環(huán)境，進行了裝配工藝過程的規(guī)劃，利用DELMIIA中數(shù)字化裝配模塊和人機工程模塊來實現(xiàn)虛擬裝配仿真，通過干涉檢查與人機工程技術(shù)分析驗證了裝配工藝規(guī)劃的合理性，優(yōu)化不合理的裝配工藝，導(dǎo)出仿真結(jié)果。

1 航空發(fā)動機裝配仿真基礎(chǔ)

1.1 單元體劃分及資源建模

為了將物理裝配映射到數(shù)字三維空間中，航空發(fā)動機虛擬裝配技術(shù)方案流程如圖1所示，包括創(chuàng)建航空發(fā)動機產(chǎn)品資源等模型、裝配工藝規(guī)劃、裝配總成仿真驗證、人機工程技術(shù)分析、結(jié)果分析與總結(jié)。航空發(fā)動機裝配的第一步，是要建立虛個單元體的三維模型，將航空發(fā)動機劃分為12個單元體，各單元體之間由緊固件連接，分別為進口整流罩、風扇葉片、動力齒輪箱、聯(lián)軸器、低壓壓氣機、風扇機匣、中介機匣、高壓壓氣機、燃燒室、高壓渦輪、低壓渦輪和渦輪排氣機匣[6]。采用CATIAV5軟件按照工廠實際尺寸與布局情況對航空發(fā)動機各單元體、工具、裝配工裝等各類資源進行建模，通過CATLOG分類管理資源?？紤]到建立的發(fā)動機等數(shù)模結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為了更好實現(xiàn)模型的高效瀏覽與仿真驗證，對生成的Product和Part格式模型進行輕量化處理，轉(zhuǎn)化為 Cgr格式模型。圖2所示為航空發(fā)動機三維模型。

1.2 虛擬裝配基本原理

單元體虛擬裝配實質(zhì)即根據(jù)規(guī)劃好的各單元體裝配工藝展開空間位姿布局，進行動態(tài)裝配模擬，以達到預(yù)期裝配效果。在裝配仿真過程中，航空發(fā)動機各單元體在空間中位姿關(guān)系所展現(xiàn)的形式為平移和旋轉(zhuǎn)2種，且各單元體的尺寸大小不會改變。本研究以裝配前的進口整流罩頂端為空間坐標中心原點，航空發(fā)動機各單元體空間位置的變換即是其位置矩陣的變換，矩陣變換表示如下：

(1)單元體空間平移變換。設(shè)單元體的初始坐標為(x0,y0,z0,1)，沿著x、y、z軸分別平移L1、L2、L3后，空間坐標變?yōu)?x1,y1,z1,1)，則此矩陣變換過程為：

(2)單元體空間旋轉(zhuǎn)變換。設(shè)單元體沿x、y、z軸旋轉(zhuǎn)角度分別為α、β、θ，空間坐標變?yōu)?x1,y1,z1,1)，則沿x、y、z軸旋轉(zhuǎn)的位置變換矩陣過程分別如下：

①繞x軸旋轉(zhuǎn)α的矩陣變換過程為：

②繞y軸旋轉(zhuǎn)β的矩陣變換過程為：

③繞z軸旋轉(zhuǎn)θ的矩陣變換過程為：

2 虛擬裝配總成仿真

2.1 裝配工藝規(guī)劃

航空發(fā)動機各單元體的虛擬裝配總成仿真在DELMIA中的DPM模塊下實現(xiàn)。將上述建立的產(chǎn)品及資源等模型分類集成到APS子模塊下的PPR裝配模型樹中，搭建虛擬裝配總成仿真平臺，在PPR工藝結(jié)構(gòu)樹下完成裝配工藝規(guī)劃。裝配工藝則需規(guī)劃航空發(fā)動機各單元體的裝配序列和裝配路徑。

(1)裝配序列規(guī)劃

基于可拆亦可裝原理，采用“倒裝”的思路，將航空發(fā)動機在虛擬裝配環(huán)境中由外到內(nèi)進行拆卸，得到有效的幾種拆卸序列，參考CAPP系統(tǒng)的實際工廠中各單元體裝配順序關(guān)系，通過DPM中Reverse the Process工藝將其中最優(yōu)的拆卸序列倒過來生成裝配序列，如圖3所示。新建ProcessLibrary工藝文件，文件可以在工藝結(jié)構(gòu)樹下劃分裝配單元體的各道工序節(jié)點，從工序節(jié)點中分別添加各單元體的Move Activities子工藝并進行命名分類，通過展開工藝的PERT 圖來規(guī)劃上述生成的各單元體裝配序列。

(2)裝配路徑規(guī)劃

完成裝配順序規(guī)劃后，需生成各單元體從裝配起始點到裝配結(jié)束點的無干涉空間運動軌跡。利用DPM環(huán)境下Great a Move Activity工藝通過三維羅盤賦予運動節(jié)拍來精確移動與旋轉(zhuǎn)各單元體的空間位置來生成路徑過程點位，實時觀察各點位中單元體之間是否會產(chǎn)生干涉來進行調(diào)整點位位姿，并對每個點位與各單元體進行互相約束，添加過程必要的過渡點，得到無干涉的裝配路徑。在Move Activities裝配順序工藝下分別鏈接與配置各單體路徑點位來完成裝配工藝規(guī)劃，如圖4為航空發(fā)動機虛擬裝配總成仿真過程，其中白線為各單元體規(guī)劃的裝配路徑。

2.2 仿真結(jié)果分析和調(diào)整

在實際裝配工作時，不允許發(fā)生碰撞干涉，對航空發(fā)動機單元體虛擬裝配總成仿真進行靜態(tài)和動態(tài)的干涉檢查，靜態(tài)干涉檢查驗證上述航空發(fā)動機各單元體數(shù)模尺寸設(shè)計是否合理，動態(tài)干涉檢查檢測其各單元體在仿真過程中是否發(fā)生碰撞干涉，在DPM仿真過程中若有碰撞發(fā)生屏幕則會高亮顯示并停止仿真，驗證裝配工藝設(shè)計與規(guī)劃的合理性。

在DPM環(huán)境下的Clash功能進行干涉碰撞檢測，通過干涉分析發(fā)現(xiàn)，如圖5所示，有兩處出現(xiàn)碰撞干涉現(xiàn)象：①在仿真過程中低壓渦輪單元體中的軸和高壓渦輪單元體內(nèi)徑之間發(fā)生了碰撞干涉，干涉距離為0.94 mm，此處將對高壓渦輪內(nèi)徑進行增大0.94 mm來解決干涉問題。②由于尺寸設(shè)計問題中介機匣與風扇機匣之間存在干涉，則需要對風扇機匣與中介機匣接觸的外邊進行縮短1.19 mm來處理干涉問題。

3 人機工程技術(shù)分析

3.1 工位流程與人機任務(wù)設(shè)定

進行虛擬裝配總成仿真后，實際裝配航空發(fā)動機過程中人是必不可少的因素，DELMIA平臺能更簡單有效地提供基于人機工程的航空發(fā)動機虛擬裝配仿真。本文以高壓壓氣機與燃燒室之間工位的實際裝配過程為例，圖6所示為此工位的流程與任務(wù)工藝圖，工位流程步驟主要為：①固定安裝燃燒室。②吊運高壓壓氣機。③智能對接與調(diào)整。④單元體間緊固件連接。在DELMIA中Ergonomics Module模塊下創(chuàng)建工人模型，設(shè)定人體參數(shù)性能，規(guī)劃人機任務(wù)工藝，依靠關(guān)鍵幀融合方法來模擬工人在工位工藝步驟中的全部連貫復(fù)雜動作姿勢來進行人機工程仿真。結(jié)合人機工程技術(shù)，分析工人全部工作步驟過程中的視覺匹配度、肢體工作空間和疲勞易感度，優(yōu)化不合理工藝。

3.2 人機視覺匹配度分析

在人機裝配仿真過程中，Ergonomics Module環(huán)境下的Open the Vision Window工藝提供了高效的視覺匹配度分析，能較準確地判斷工人在步驟過程中裝配航空發(fā)動機部件的位置是否在良好的視野范圍內(nèi)，有效檢測工人每一個動作姿勢的視覺匹配度。

通過人機工藝的可視性技術(shù)來直觀地高亮顯示出工人在工位步驟全部過程中不同位置、不同姿勢的所有視野范圍。如圖7所示為工人在利用工具擰緊緊固件螺母工序步驟中的視覺匹配度分析，圖7中左邊工人為輔助工人，右邊為安裝工人，放大區(qū)域準確顯示了安裝工人擰緊機匣對接緊固件螺母的視野范圍，此時安裝工人工作過程中視野情況良好。

3.3 肢體工作空間分析

裝配的肢體工作空間旨在工人在某一姿勢時上肢肢體在三維空間內(nèi)所能達到的極限范圍，是工人在工作中必須考慮的問題。在人機仿真過程中，Computes A Reach Envelope工藝的可達性技術(shù)可以在工人模型周圍計算生成一個上肢可伸展極限范圍內(nèi)的殼體，直觀顯示出工人所有姿勢下的肢體工作區(qū)域。

工人裝配航空發(fā)動機部件動作姿勢的肢體工作空間則通過仿真來衡量工人在工位所有步驟時手臂是否能達到工作處的位置。圖8所示為工人在姿勢強度最大時利用扭力扳手安裝螺母過程的上肢肢體工作空間分析，根據(jù)動作經(jīng)濟原則，由包絡(luò)面殼體可知工人在工位中上肢可操作性一直在舒適區(qū)域范圍之內(nèi)。

3.4 疲勞易感度分析

從工人姿勢強度與安全性考慮，對工人關(guān)鍵的任務(wù)動作姿勢如提起、抓取、擰緊及檢查等工作姿勢強度進行更細度評估，確定安裝工人是否能位于且可持續(xù)舒適姿勢狀態(tài)來完成工作，并分析一直持續(xù)工作是否會導(dǎo)致工人身體出現(xiàn)不適等情況。疲勞易感度分析可以通過系統(tǒng)的相關(guān)規(guī)則對工人各肢體姿勢舒適度進行定量綜合評價得分，工人模型關(guān)鍵軀干顏色也會相應(yīng)改變，得分規(guī)則與建議如下：

(1)1～2分(綠色)：不長時間的保持或持續(xù)重復(fù)該動作姿勢是可以接受的。

(2)3～4分(黃色)：需要進一步調(diào)查和分析該姿勢的情況，可能需要調(diào)整姿勢。

(3)5～6分(橙色)：需要盡快調(diào)查和調(diào)整該姿勢。

(4)7分(紅色)：立即調(diào)查和改變該姿勢情況[7]。

在人機仿真中的Human Activity Analysis工藝下利用快速上肢評價方法對工人在工位全部工藝步驟過程的姿勢進行疲勞易感度分析。圖9所示為安裝工人檢查安裝配合度時的RULA分析，2分及綠色建議為該姿勢不長時間的保持或重復(fù)時是可以接受的。

4 結(jié)語

通過以某型航空發(fā)動機單元體裝配為研究對象，較完整的總結(jié)出了航空發(fā)動機虛擬裝配技術(shù)的一套方案與流程?；贒ELMIA數(shù)字化仿真平臺，在DPM模塊中實現(xiàn)了虛擬裝配總成仿真，結(jié)合人機工程技術(shù)全面角度評估了工人在任務(wù)工序步驟中的視覺匹配度、肢體工作空間及姿勢疲勞易感度。仿真結(jié)果表明，采用虛擬裝配技術(shù)可以提前檢測到航空發(fā)動機裝配工藝設(shè)計的缺陷，優(yōu)化不合理的裝配工藝，避免在實際裝配過程中出現(xiàn)問題，提高裝配效率并縮短研制周期。

在航空發(fā)動機制造中具有重要的指導(dǎo)意義，推動航空發(fā)動機全面數(shù)字化裝配的進一步發(fā)展。