航空發動機數字化裝配技術淺析

高福達

摘 要：數字化制造技術作為新一代發動機研制生產的支撐手段，已逐漸成為提升航空科技工業的重大關鍵制造技術。數字化制造技術以各類數字化技術手段的應用為主要特征，是新一代航空發動機研制的必需手段和必由之路。

關鍵詞：發動機 數字化 三維 裝配 技術

引言

隨著新技術、新工藝、新材料的發展，高速加工和強力切削技術廣泛應用于加工過程中，使得加工時間不斷縮短，裝配時間成了影響制造周期的重要因素，隨著數控機床的廣泛應用，零件的加工精度已可以部分地由機床的精度保證，然而航空發動機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定與否依賴于裝配工人的操作經驗和技藝水平。

一、關鍵技術

1、優配模塊技術：在裝配車間對零件進行實際裝配時可能發生如下情況：各個裝配尺寸鏈的封閉環尺寸位于公差帶的不同范圍，不能達到最高的整體裝配精度，即整批產品質量未達到最佳。因此，需要開發一個優配模塊，在各零件按經濟加工精度制造的情況下，通過計算機選擇合適的零件進行匹配，找出一組最佳組合方式，從而實現穩定的高裝配精度。為了達到上述要求，根據關鍵尺寸對倉庫中需要裝配的零件進行分組，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。

零件優配實際上是一個組合優化的過程，本文采用基本遺傳算法來實現零件優配。假設有10套裝配件A，其中a類零件10個、b類零件20個，而每一個裝配件需要一個a類零件、兩個b類零件，即在進行遺傳運算時，兩個b類零件只能算作一個來進行分析。那么，裝配后可以得到10套裝配件，根據排列組合的理論可以推導得出10種裝配方案。

2、裝配工藝的可視化

2.1 三維可視化工藝，三維可視化技術的研究與應用，是基于實際的零件或部件的三維模型和裝配工藝路線的模擬，不僅可以驗證裝配工藝的可行性、合理性，而且可以形象地培訓裝配人員和相關人員對工藝資料的可靠掌握，同時對裝配流程有更為清晰的了解。

2.2 三維模型信息的獲取，路徑的規劃和動畫實現方法，工步播放控制，動畫上傳與刪除等技術，快速建立二維工藝信息與工藝三維動畫之間的對應關系。

三維模型信息的獲取是實現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環境下獲取我們所需的零部件（整機）的裝配模型信息，是進行裝配過程動態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出成HSF文件。

（2）利用CAD軟件的API。通過CAD軟件提供的應用程序編程接口（API）是一種更為安全的做法，由程序供應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，但需要對不同的CAD軟件開發不同的接口，實現起來較為復雜。

（3）利用產品模型數據轉換標準STEP。STEP作為國際標準得到了廣泛的應用，對CAD軟件導出的STEP文件進行解析并由此得到零件模型是一種可行的方法。

為了使系統可以適用于不同CAD平臺上的裝配模型，本文采用直接從CAD系統中導出HSF格式文件或通過STEP中間格式轉換為HSF格式文件作為系統的零件模型。

3、三維裝配可視化動畫演示

裝配工人進行裝配時，是按照裝配工藝規程中的裝配工藝卡上的要求進行裝配的。裝配工藝卡上的裝配工步只是簡單地說明某個零件裝配到某個零件上，很不直觀，傳統的基于預先錄制的視頻文件沒有交互功能，基于CAD系統的二次開發拆裝系統不能單獨交付使用，多媒體制作系統的交互功能是預先設定的，不能體現用戶的個性需求。

從CAD系統中取得零件三維數學模型，與裝配工藝相關聯，通過系統定制，展示實際零部件在裝配過程中的運動場景。實際應用于場景為：裝配車間有一個顯示屏，工人在裝配過程中，可以從顯示屏上看到整個裝配過程的演示，演示裝配過程的同時，顯示裝配的注意事項，指導裝配工人進行裝配。

3.1裝配順序和路徑生成

3.1.1CAD環境下的信息提取

產品的裝配過程動演示中，零件的三維模型是必備的，航空發動機的三維建?；静捎肬G、CATIA等CAD系統，如何從這些CAD環境下獲取我們所需的建立動態裝配過程的信息：幾何模型及幾何約束等，從而構建零件模型，是進行裝配可視化首先需要解決的問題。

現有的實現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軟件提供的應用編程接口是一種更為安全的做法，由程序供應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，但需要對不同的CAD軟件開發不同的接口，實現超來較為復雜；二是通過產品模型數據轉換標準STEP，STEP，作為國際標準得到了廣泛的支持，對CAD軟件導出的STEP文件進行解析并由此得到VRML模型和裝配模型是一種可行的方法。

3.1.2利用STL文件構建零件模型

STL文件。即立體光造型文件，是由美國3DSystem公司開發的，已被工業界認為是快速原型制造領域的標準零件描述文件格式。STL文件對三維實體描述的角度具有唯一性，是描述三維幾何形狀的標準文件格式之一。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

由于航空發動機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，根據裝配工藝規程中的裝配工藝卡，計劃好安裝步驟，可以利用UG的assembIy模塊進行安裝，將待裝配零部件導出成STL文件就可以得到零件幾何領先。除了零件建模以外，還要提取零部件的裝配路徑信息，才能演示發動機的裝配過程。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位置，通過導出待裝配零件的幾個中間狀態的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動文件和工序運動文件兩種，描述了該工步或工序中零件裝配的順序和路徑。工序運動文件由該工序內的所有工步的運動配置文件組合而成。工步運動文件涉及該工步中靜止零件以及運動零件的裝配順序和各個運動狀態，有可以出現一個部件媽幾個零件同時同步運動的情況。系統通過CAD軟件中導出的STL文件，結合裝配工藝卡中的裝配工步，生成裝配動畫配置文件，通過配置文件來得到裝配的順序和路徑。

結語

目前，發動機裝配工藝工作并未達到全三維水平，還需進一步深入開展研究工作，建立三維數字化設計制造一體化集成應用系統，健全發動機數字化工藝設計體系。發動機的數字化裝配是縮短發動機研制周期、降低制造成本、提髙產品質量的重要保障，也是發動機裝配技術未來發展的必然趨勢。

參考文獻

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