某型航空发动机装配过程虚拟仿真应用
渊上海中航商用航空发动机制造有限责任公司袁上海摇圆园园圆源园冤
摘要院在复杂工业产品制造的工艺准备阶段袁借助于数字化三维虚拟仿真技术进行工艺设计和优化是十分必要的遥针对中国首次研发的某商用航空发动机袁基于中国自主开发的灾砸原蕴葬赠燥怎贼虚拟工厂建模与仿真平台袁开展发动机本体装配尧转子平衡和外部装配猿个工艺过程的三维虚拟仿真建模和分析评估工作袁实现了工艺文件的可视化展示和验证尧工装干涉检查尧工位器具的补充设计遥该项工作不仅为后期工艺文件的持续优化初步建立了软件平台袁也为其他制造产品的三维虚拟仿真设计提供了技术参考和流程经验遥关键词院航空发动机曰装配过程曰虚拟仿真
中图分类号院栽孕猿怨员援怨摇摇摇文献标志码院粤摇摇摇文章编号院圆园怨缘原缘园怨载渊圆园员远冤园圆原园园缘缘原园缘摇摇虚拟装配是基于计算机仿真技术袁使用产品三制造环境尧产品结构尧工装尧设备和工艺过程的三维可视化设计和模拟袁并完成评估和优化的先进技术手段遥当前有相当数量的装配组织管理相关的公
周摇烁袁陈静荣袁汪俊熙袁王摇鹏袁张摇渝
员摇装配工艺三维虚拟仿真技术方案
员援员摇某型航空发动机装配工艺简介
某商用航空发动机装配工作分为本体装配尧转子平衡和外部装配猿个子过程遥猿个装配子过程的三维虚拟仿真设计工作同时并行开展袁其中本体装配的技术难度和工作量最大遥本体装配工艺过程如图员所示遥在本体装配工艺过程中有两个重要工序院员冤静子机匣组件的假装配和前尧后支点同心度测量曰圆冤高压压气机转子和高压涡轮转子的连接螺母安装遥
维数模和工艺资源信息袁实现对各类工艺要素袁如
.com.cn. All Rights Reserved.开文献资料咱员原圆暂袁如院任务调度和流水节拍设计曰装
配现场三维工艺布置设计和优化咱猿原源暂曰装配工艺过
程模拟和仿真分析咱缘原愿暂曰其他专项技术应用袁如特定工序的人机工程学设计尧厂房采光和噪声影响评估尧产品输送中的碰撞分析等遥目前国内航空发动机装配制造过程中的虚拟装配技术应用还处于起步阶段袁少数航空发动机企业开展了基于数字样机的部件级动画演示袁进行了预装配和干涉检查袁但整机级的三维虚拟仿真工程化应用还没有公开报道遥某商用航空发动机的设计和试制均为国内首次开展遥另外袁科研阶段的众多专项检测项目也使装配工艺过程更加复杂袁大量专用工装需要功能评
估和干涉检查袁新建的装配厂房工艺布局更需要详细论证和优化遥
总之袁在装配工艺准备阶段袁基于专业软件平台的装配过程三维虚拟仿真设计是非常重要和迫切的袁是及时便捷地发现工艺设计中的问题和回避风险的重要手段袁也满足了三维工艺布置详细设计尧宣传展示视频和可视化培训素材制作的需求遥
收稿日期院圆园员缘原员员原员员
作者简介院周烁渊员怨苑缘要冤袁男袁辽宁铁岭人袁上海中航商用航空发动机制造有限责任公司研究员袁博士袁主要研究方向为航空发动机装配技术
和整机振动分析遥
图员摇本体装配工艺过程
摇摇发动机装配线主要情况如下院主厂房面积
员圆缘园园皂圆袁工位数猿园个袁主要设备圆苑个袁工装员缘苑个遥
窑缘缘窑
圆园员远年第源缘卷摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇机械设计与制造工程摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇员援圆摇航空发动机装配虚拟仿真技术方案
发动机装配过程三维虚拟仿真主要包括如下几方面内容遥
第一阶段院数据与模型准备遥
整理和收集发动机装配工艺内容尧设备与工装清单尧发动机自身零部件清单袁并据此进行猿阅模型准备遥
第二阶段院装配线工艺布局建模遥
在猿阅虚拟环境中搭建发动机装配线模型袁并根据预定工艺设置缓冲区尧工位曰根据预定生产纲领在各缓冲区和工位中摆放零部件模型曰根据物料配送方案设置物流输送路线遥
第三阶段院装配动作设置与过程仿真遥在装配线工艺布局模型的基础上袁根据装配工艺设置每个工序的操作动作袁包括人的动作尧设备或工装的动作尧被操作的零部件的动作遥动作包含运动顺序尧运动位姿变化和运动速度辕时间等遥在虚拟仿真环境中袁根据设置好的各工序装配内容进行装配过程仿真袁包括装配全过程的动作仿真遥
第四阶段院结果分析与工艺改进遥
根据仿真结果分析工艺布局合理性渊车间面积率尧缓冲区和容器的容积利用率尧物料运输路径合理性等冤曰装配操作工艺的合理性渊运动干涉尧操
作空间尧人因工程指标等冤遥
根据分析结果进行操作工艺改进袁再次进行仿真袁直到获得合理的工艺布局和装配操作工艺遥
根据仿真结果袁还可以制作宣传视频和面向员工培训的教学视频袁供后续使用遥
航空发动机装配线建模与仿真工具采用国内自主开发的灾砸原蕴葬赠燥怎贼虚拟工厂建模与仿真平台遥灾砸原蕴葬赠燥怎贼是一个专用的虚拟工厂建模与仿真软件平台袁它采用数据库来管理生产系统的各类模型渊厂房尧设备尧工具辕工装尧物料冤袁可以在圆阅布局规划的基础上搭建猿阅生产系统袁分析工艺布局的合理性袁并具有生产系统的动作仿真功能遥灾砸原蕴葬赠燥怎贼的优点是具备强大的猿阅图形处理功能袁能够支持超大规模的场景实时显示和操作袁并且支持各类贴图模型遥它具有丰富的猿阅模型接口袁可导入多种猿阅模型遥此外它还支持圆阅布局图生成和渊阅载云格式冤遥灾砸原蕴葬赠燥怎贼还可与达索匝哉耘杂栽集成运行袁实现生产系统的工艺布局与运行流程一体化仿真与分析遥因此灾砸原蕴葬赠燥怎贼可用于生产系统规划与设计尧工艺布局建模与仿真尧生产过程动作仿真尧生产工艺流程仿真遥支撑上述技术方案的软件体系和流程如图圆所示遥
导出袁用户的猿阅布局可以直接导出圆阅布局图纸
.com.cn. All Rights Reserved.图圆摇三维虚拟仿真设计的软件体系和流程
圆摇装配过程虚拟仿真设计
圆援员摇本体装配过程的三维虚拟仿真
在静子组合机匣假装配和支点同心度测量工序的三维模拟中袁首先全尺寸尧多视角地模拟了精密夹具详细安装过程和转台设备使用过程渊如图猿所示冤袁也对安装于平台上的被测机匣旋转过程中的红宝石测针接触点和测杆方位进行了局部放大和细节展示遥然后进行了操作空间分析和行车吊窑缘远窑
图猿摇组合机匣过装配和测量过程
圆园员远年第圆期摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇周烁院某型航空发动机装配过程虚拟仿真应用装路径设计袁完成了转台设备周边的工位器具摆放位置修改遥在高压组合转子连接螺母安装工序的三维模拟中袁重点对关键专用拧紧工装渊发明专利号圆园员源圆园缘源远源缘源援源冤的使用过程进行了三维运动学仿真分析袁完成该关键工装和转子开口端尧配套工装之间的干涉检查遥图源为高压转子连接螺母关键工装特写遥
图源摇高压转子连接螺母关键工装特写
摇了现有工位布置的优化改进摇在本体装配工艺过程的三维虚拟仿真中院如增加了工装存放车
袁进行的数量袁并重新调整了布置袁不仅方便了工装拾取和归位袁也使行车吊运更为便利遥利用允匀原蕴葬赠燥怎贼
软件的空间测量功能袁引入虚拟的标准人体模型袁对高压转子装配和外部检测过程中的工人操作空间进行了量化分析遥空间尺寸测量过程如图缘所示遥
图缘摇操作空间分析示意图
圆援圆摇外部装配过程的三维虚拟仿真
商用航空发动机在本体装配完成后袁需要进行外部结构装配遥外部结构装配的特点是工作量大袁具有大量管路及附件袁而且绝大多数的外部装配工
作是串行的遥
渊粤郧月冤在外部装配工艺过程中袁下置的附件齿轮箱
的分枝状几何构型安装是重要工序袁并含有主燃油泵院由于粤郧月为严重非规则尧滑油泵尧多个散热器尧油滤和几十根各类油管等袁质量在员园园噪早以上袁因此粤郧月吊运和最终安装需要精确的几何干涉分析和详细的运动路径设计遥在该工序的三维模拟中袁不仅全尺寸尧多视角地分析了发动机本体翻转和粤郧月吊装过程袁也对安装中粤郧月与周边大量管路之间的动态间隙进行了局部剖切展示遥最后对登高车上的粤郧月安装操作可达性进行了测量渊三维空间尺寸冤袁完成了登高车高度调整和围挡结构的重新设计遥图远袁苑分别为外部管路安装过程截图和粤郧月安装中操作可达性测量展示图遥
图远摇管路安装过程截图
图苑摇粤郧月安装中操作可达性测量展示图
摇了现有工位布置的优化改进摇在外部装配工艺过程的三维虚拟仿真中袁如增加了管路存放车
袁进行
的数量袁重新调整了布置袁更改了翻转车周边的登高车和托盘的摆放位置圆援猿摇转子平衡过程的三维虚拟仿真
遥
在本体装配过程中袁需要进行高压压气机转子尧高压涡轮转子和高压组合转子的动平衡工作遥组合转子的动平衡工作包括高压压气机转子和高压涡轮转子的垂直安装尧组合转子运输尧在平衡机摆架的安装尧平衡设备运行以及平衡后的分解工作袁因此重要工序也是高压组合转子连接螺母的安
窑缘苑窑
.com.cn. All Rights Reserved.圆园员远年第源缘卷摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇机械设计与制造工程摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇装袁因而平衡过程中的三维仿真没有给予重复设计遥在三维虚拟仿真中袁进行了平衡区和相邻部装区之间的转子运输路径优化袁调整了平衡工装存放架的布置遥组合转子的设备安装过程截图如图愿所示袁调整后平衡区工艺布置图如图怨所示遥
图愿摇平衡设备的转子安装过程截图
图怨摇调整后的平衡区工艺布置图
圆援源摇其他成果
本项目不仅实现了工艺流程的虚拟验证袁还有力地支持了工艺规程文件的补充完善尧工位器具采购需求论证和专用工装的干涉性检查遥在两轮次的虚拟装配设计过程中袁制作了员猿个视频文件袁累计发现多个专用工装设计问题和若干装配风险点遥另外袁航空发动机的装配操作需要大量的专用工装与小型通用工具配合遥通用工具多为组套式包装袁可存放于小型的移动式工具柜袁该类工具柜多为货架产品袁无需定制遥但专用工装的几何形式差异明显袁最大尺寸的分布范围从几十毫米到几米遥为满足某工位操作需求的专用工装摆放和存储袁在该工位装配过程的三维仿真中袁需要在虚拟环境中快速设计大量的各种尺寸规格的线棒式存放车渊可移动冤袁而该项工作很难在传统的二维厂房布局图上设计完成遥
基于三维虚拟厂房环境袁本项目对厂房可视化要素渊区域和环境标牌袁各类警示标识袁宣传展板等冤需求论证尧各类可视化标识在厂房内部的安装进行了三维设计遥图员园为若干可视化标识在厂房窑缘愿窑
三维虚拟环境中的安装效果图遥
图员园摇可视化标识在厂房内部安装效果图
摇厂房环境内完成装配厂房内部主要工艺设备摇在外部专业人员的指导下袁本项目在三维虚拟
尧隔断等设施配色的多方案设计和对比分析袁为厂房内部装修和设备颜色定制提供了技术指导遥
猿摇基于沉浸式虚拟现实环境的二次开发
航空发动机装配虚拟仿真包含预设动作仿真与交互仿真两种模式袁前者适合于预定操作流程仿真袁后者适合于各装配工位上操作工艺验证与分析遥由于发动机产品本身尺寸较大尧零部件众多袁仿真时的显示和交互功能对仿真过程有很大影响袁因此采用了大型悦粤灾耘渊糟葬增藻葬怎贼燥皂葬贼蚤糟增蚤则贼怎葬造藻灶增蚤鄄则燥灶皂藻灶贼用的悦粤灾耘冤系统作为仿真显示与交互环境是一种基于投影的高度沉浸式虚拟现遥本文采
实系统袁由围绕观察者的猿个投影面组成遥观察者使用液晶立体眼镜和远自由度头部跟踪设备袁系统将观察者试视点位置实时反馈袁从而形成身临其境的视觉感受遥通过手持式宰粤晕阅传感器袁可以实现和虚拟环境内三维物体的实时交互遥
本文通过对灾砸原蕴葬赠燥怎贼软件平台的二次开发袁编写了多通道立体视频输出接口程序遥其软件架构如图员员所示遥
也可以单机运行灾砸原蕴葬赠燥怎贼遥可以运行在主服务器用于控制用户视锥在悦粤灾耘主服务器上袁
场景中位置袁据此确定猿个显示服务器上的子视锥参数和位置曰猿个显示服务器上均保留全部场景模型袁从主服务器获得子视锥参数袁分别渲染并在主服务器控制下输出到相应的投影机遥
将上述装配过程文件中的三维布局模型和漫
游路径通过该接口程序输出为多通道立体视频文件袁开发悦粤灾耘环境内的三通道立体播放软件袁实现了装配过程的猿阅演示遥图员圆为演示过程的现场图片遥
.com.cn. All Rights Reserved.圆园员远年第圆期摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇周烁院某型航空发动机装配过程虚拟仿真应用图员员摇灾砸原蕴葬赠燥怎贼的悦粤灾耘终端模块组成示意图
摇摇总之袁虚拟装配技术的应用和开发对当前国内航空发动机制造领域具有重要意义和工程价值袁也是实现缩短工艺准备周期尧提高工艺设计质量和降低制造成本的必然手段遥建议相关单位给予高度重视袁并启动相关的技术研发和人才体系建设工作遥
摇摇图员圆摇悦粤灾耘环境中的发动机装配过程仿真场景
参考文献院
咱员暂摇武殿梁袁杨润党援虚拟装配系统及其关键技术咱允暂援上海交
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源摇结束语
从工程应用角度袁本项目的成果在某航空发动机的装配工艺准备阶段具有一定的工程价值和实践意义袁但缺乏充分的专业技术支撑和理论指导遥纵观国内外先进制造单位的虚拟装配技术应用现.com.cn. All Rights Reserved.状和发展趋势袁后期工作可以从以下几个方面进行规划院
员冤开发具有人机互动功能的多人协同三维工艺设计尧工序评估尧虚拟培训平台系统遥
圆冤人机工程学分析遥进行创建尧模拟尧评估分析虚拟工人的各种动作和人体工程学指标袁完成对设备尧环境以及工艺流程的深入分析和优化遥
猿冤基于装配过程的三维模拟袁开展设备利用率尧物流效率尧节拍分析尧产能估算等生产组织层面的量化分析工作遥
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咱猿暂摇许万荣援基于韵责藻灶郧蕴的消失模铸造车间虚拟设计系统研究咱源暂摇陈锦昌袁许有源援基于灾藻早葬的装配型生产线三维仿真系统咱缘暂摇谢玉敏袁董定福援模具装配过程的动态模拟及其应用咱允暂援模
具技术袁圆园园猿渊远冤院缘猿原缘缘援
咱远暂摇丁国富袁伯兴援虚拟制造环境中制造装备的三维建模及动作
模拟咱允暂援计算机仿真袁圆园园猿渊远冤院缘猿原缘缘援造技术袁圆园园怨渊员冤院苑园原苑缘援
咱苑暂摇张隼袁翟正军援虚拟装配技术的研究与应用现状咱允暂援航空制咱愿暂摇焦可知袁张志军袁王晓琴援虚拟制造技术及应用研究咱允暂援制
造业自动化袁圆园员圆袁猿源渊员园冤院远苑原远怨援咱允暂援武汉大学学报袁圆园园远袁猿怨渊源冤院远远原远怨援
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