航空發動機總裝脈動線單模塊集成仿真分析

徐 堯，連宇臣，程奐翀，武殿梁,3，周 爍

（1.中國航發上海商用航空發動機制造有限責任公司，上海 201306;2.上海江衡軟件科技有限公司，上海 201210;3.上海交通大學機械與動力工程學院，上海 200240）

脈動裝配線是指按節拍移動的一種裝配線，是介于固定站位裝配與連續移動裝配之間的一種裝配生產線形式，其典型特征是產品移動時不進行裝配作業，裝配作業進行時產品不移動[1]。近些年，隨著民航業迅猛發展，國外民用航空發動機如CFM56系列、LEAP系列、Pure Power系列、TRENT XWB系列等，為滿足大量訂單的交付需求，實現“可持續交付”，各大制造商都開展了總裝脈動線的研究與建設，并且對主體設備均申請了相關專利。實現航空發動機脈動裝配的技術難度大，在大規模總裝生產線建設前的技術研發和工藝準備是十分必要的[2]。以LEAP系列發動機為例，在總裝脈動線建設前，已經建立了5個單裝配模塊，用于驗證脈動式裝配的發動機總裝工藝，并且其單模塊的構型也一直在改進優化，其最終建設的3條脈動線也不盡相同，說明脈動式生產持續優化的需求十分強烈。而單模塊的開發作為總裝脈動線的關鍵技術，是實現航空發動機脈動裝配的一個重要環節[3]。

總裝脈動線單模塊是指在單個工位就能完成發動機總裝階段的全部工藝過程的裝配生產模塊，模塊應具備小范圍的運輸、吊裝、姿態調整等功能，并且能實現部分檢測或輔助檢測功能，如圖1所示。

總裝脈動線單模塊首先可以作為對航空發動機脈動式生產工藝和新技術探索的驗證平臺，實現對大規模脈動生產線主體設備建設的關鍵技術攻關；其次可以作為批生產工藝定型前的試裝平臺，對總裝工藝進行驗證，開展裝配工時統計與分析，并實現對總裝工藝的不斷優化；最后還可以作為操作人員的培訓平臺，在單個工位學習掌握發動機總裝階段全部工藝流程。

近年來，國內多家航空發動機制造單位積極探索總裝脈動線單模塊的關鍵技術，開展專項技術攻關或工藝試驗。中國航發西安航空發動機公司和西北工業大學開展了某型渦扇發動機總裝脈動線的單模塊研制；中國航發商發制造公司開展了大部件對接平臺[4]和總裝滾轉平臺的研究，分別可以實現大部件水平對接以及外部結構安裝時的發動機滾轉功能，如圖2所示。

圖1 LEAP發動機總裝脈動式生產線單模塊Fig.1 Typical module of assembly pulsation production line of LEAP engine

圖2 大部件對接平臺與總裝滾轉平臺Fig.2 Main unit assembly center and final assembly rolling center

總裝脈動線單模塊集成仿真方案

總裝脈動線單模塊集成仿真建立起脈動線單模塊設備與工藝的數字孿生模型，并在此基礎上進行總裝工藝仿真分析與驗證。數字孿生仿真需求的單模塊數字化模型分別從幾何層、物理層、數據鏈路層建立，其中幾何層是指建立了單模塊設備的三維模型，具有與真實設備相同的幾何尺寸；物理層是指設備的機構運動模型，根據實際設備的機構組成與運行方式，建立數字孿生模型的運動副并設置相關的參數，在仿真運行中能夠與實際設備完全對應；數據鏈路層是指使用模擬PLC控制器與數字孿生模型進行實時通信，通過真實信號驅動數字孿生模型。該方案包含3個階段：總裝脈動線單模塊建模、單模塊設備集成建模以及總裝工藝仿真分析，技術路線如圖3所示。

1 總裝脈動線單模塊工藝建模

根據實際總裝脈動線規劃方案建立起單模塊仿真生產線，對生產線涉及的設備、工裝、產品等按照實際要求進行布局規劃，在此基礎上對總裝工藝流程進行工序劃分、工藝規程制定，形成工藝流程圖并生成數字化工藝流程模型。

2 總裝脈動線單模塊設備建模

對總裝脈動線單模塊中使用的設備進行數字孿生建模，根據實際設備的原理與操作方式，分別建立單模塊設備運動機構、PLC控制邏輯以及交互操作界面的仿真模型，并開發實時數據通信接口，能夠從邏輯層面對真實設備的運行過程進行仿真。

3 總裝工藝仿真分析

將總裝脈動線工藝模型和設備模型集成到統一的仿真環境中，對單模塊設備在總裝工藝中的工作流程設計和運動控制進行仿真，并實現人在回路的交互式仿真操作，對工藝的可行性、合理性進行驗證與分析，提前發現工藝設計中存在的問題。

總裝脈動線單模塊工藝建模

總裝脈動線單模塊的建設首先依賴于對發動機總裝工藝的分析與建模。本文應用上海江衡軟件科技公司研發的國產仿真軟件，基于新型工藝方案，構建了總裝脈動線單模塊裝配工藝網絡模型，如圖4所示，將航空發動機的總裝工藝過程可劃分為兩大階段：大部件（風扇增壓級單元體、核心機單元體、低壓渦輪單元體）對接形成本體階段與外部結構安裝階段。其中，大部件對接階段是指3 大主單元體分別并行完成各自裝配后，以軸線呈水平狀態的風扇主單元體為裝配基準（起始件），在水平方向上依次完成核心機主單元體、低渦主單元體的對接；外部結構安裝階段是指完成大部件對接后進行的外部附件、管路、電纜的裝配[5]。

圖3 總裝脈動線單模塊集成仿真技術路線圖Fig.3 Roadmap of typical module integrated simulation in assembly pulsation production line

圖4 總裝二維工藝網絡圖Fig.4 2D network diagram of assembly

總裝脈動線單模塊工藝和設備集成仿真

基于發動機新型總裝工藝對單模塊的功能需求，中國航發商發制造公司規劃出一種構型的總裝脈動線單模塊平臺。平臺功能包含：分別完成核心機主單元體、低壓渦輪主單元體與風扇增壓級主單元體之間的水平自動化對接，為發動機外部結構安裝提供上部支撐，并實現滾轉功能。其中單模塊主機系統可實現自動傾斜及精確定位，并具備自鎖功能；發動機在安裝平臺上的安裝方式與發動機在搬運車上的安裝方式一致，使用4個立柱式支撐工裝，采用下部4點支撐；4個立柱式支撐工裝與發動機安裝平臺之間的安裝接口實現柔性設計，進而滿足不同尺寸的發動機安裝和測量。

考慮到建設和運維成本顯著，在設備開發前進行虛擬驗證很有必要。本文仍應用上海江衡軟件科技公司研發的國產仿真軟件進行虛擬環境中的驗證，目的是將裝配工藝流程和設備運動控制的仿真結合起來，在同一個環境中，既能對裝配工藝流程的正確性進行驗證，也能通過節拍分析與產線平衡，在試生產前就能提前對工藝進行優化；同時又能結合工藝過程對設備的運動控制功能進行仿真，提前模擬設備使用過程中可能出現的問題，對設備的建設提供寶貴的依據，避免試生產時再對設備進行二次改造，以起到縮短研制周期的目的。

1 機構運動建模

在單模塊功能仿真驗證時，設備仿真模型除具有與真實設備相同的幾何尺寸外，還需要建立機構運動模型，對設備的真實運行過程進行仿真。根據平臺功能，模塊需要對航空發動機部件執行運輸、吊裝、姿態調整等功能，如圖5所示。

仿真裝配過程中，利用升降單元的升降功能和A車的X軸運動功能，使A車C圈上承力銷位置對準地面小車上的風扇單元體上的球窩。安裝承力銷和吊桿后，再利用升降功能升起A車，地面小車移開。利用兩個B車的吊鉤吊起核心機及工裝，再利用B車的三軸運動功能，使核心機前部對接風扇法蘭安裝邊。三軸運動調整低壓渦輪的位置，使渦輪長軸對準核心機的中心孔，進行低壓渦輪單元的安裝；驅動液壓缸，降下尾部旋轉工裝托架；人工安裝尾部隨動環形工裝。使用C圈回轉功能使發動機整體回轉至指定角度，配合平臺升降功能，人工安裝發動機外圍管路等零件。對應的設備構件及運動副如表1所示。

圖5 設備運動副示意圖Fig.5 Diagram of equipment kinematic-pair

表1 模塊運動副建模Table1 Equipment kinematic-pair modeling list

圖6 機構參數設置界面Fig.6 Interface of parameter setting

在機構設置時，需要指定運動副的參數。對于平移副，其運動參數由該運動副運動所在直線進行約束，使用數學模型表達為空間中的一點以及該點處的方向向量，控制參數為機構的當前行程；對于旋轉副，其運動參數由該旋轉副的旋轉軸進行約束，使用數學模型表達為空間中的一點以及旋轉軸方向，控制參數旋轉構件當前的旋轉角度。機構的參數設置界面如圖6所示。

2 數據通信與控制

在機構運動建模的基礎上，仿真軟件通過數據監控模塊與模擬PLC控制器（也可以替換為真實PLC控制器）進行連接，實現數據的雙向通信，包括發送設備的控制指令到PLC控制器、接受PLC控制器的運行參數，如圖7所示。

其中仿真操作界面可運行在PC或手持平板終端，通過模擬設備的操作界面，可由操作人員通過鼠標或者觸摸操作發送設備運動指令，如圖8所示。

仿真程序與模擬PLC控制器通信方式采用與真實PLC 相同的Modbus 工業通信協議，通過TCP 協議進行連接，可采取有線或者無線方式進行連接，連接成功后可在監控界面顯示相應的參數，如圖9所示。

3 單模塊裝配工藝仿真

虛擬環境中的單模塊的裝配工藝驗證包括裝配工藝流程仿真以及人在回路的仿真兩個階段，前者通過預定義的控制指令對單模塊進行運動控制，實現裝配工藝仿真完整流程，用于對裝配工藝的驗證與分析；后者開發人機實時交互仿真程序，能夠更真實地模擬實際裝配過程，并能夠對操作人員進行虛擬仿真訓練，提高實際裝配的效率。

3.1 單模塊裝配工藝流程仿真

單模塊裝配工藝流程仿真基于裝配工藝網絡圖，定義了每個操作工序的操作步驟、執行條件與完成條件、工序中使用的設備等因素，并結合單模塊設備控制方式定義了每個步驟的操作指令，實現了自動工藝流程仿真。

單模塊裝配工藝流程仿真時，在工藝流程圖上實時顯示當前正在執行的工序、當前工裝工具的使用狀態，并在設備操作指令列表中顯示單模塊當前正在執行的指令名稱、設備參數值等，如圖10所示。

圖7 數據通信示意圖Fig.7 Diagram of data communication

圖8 仿真操作界面Fig.8 Interface of simulate operation

圖9 數據監控界面Fig.9 Interface of data monitoring

圖10 單模塊裝配工藝流程仿真Fig.10 Process simulation of typical assembly module

在對仿真工藝過程的時序仿真過程中，能夠進一步對操作過程進行實時干涉檢查、裝配路徑驗證與優化等，保證裝配工藝的合理性、高效性。

3.2 集成仿真分析

通過仿真分析，發現當前的工藝規劃、專用工裝需求、設備現場布置、設備結構都有不同程度的優化空間。

其中裝配工序的工時仿真結果，根據價值流圖（Value stream mapping，VSM）進行價值流分析，并考慮生產線平衡需求，對裝配網絡圖進行了重新規劃。根據優化后的VSM，同時對脈動生產線的站點規劃也提供了依據，如圖11所示，總裝脈動線被分為6個站點。

其中設備現場布置與設備結構的優化，主要根據仿真過程中的干涉檢查情況進行優化。并且根據仿真操作過程，制定出主體設備的測量與監控需求，包括3大主單元體的水平對接過程中，上部總裝系統配置光學檢測系統，實現軸線對中狀態的精確檢測，人工完成主單元體的位姿調整；3 大主單元體的水平對接過程中，上部總裝系統配置裝配力學檢測系統，實現吊裝負載變化和磕碰力的精確檢測；針對設備運行狀態的安全報警系統，以及根據仿真操作過程，發現對于控制低壓渦輪軸線對中時容易超出可接受的對接坐標區間的問題，制定低壓渦輪引導方案。

3.3 單模塊裝配工藝過程人在回路仿真

人在回路仿真是一種通過物理效應設備產生人的感知環境的仿真[6]。在裝配工藝流程驗證完成后，操作者借助手持式平臺電腦的仿真控制終端，進行仿真度更高的人在回路的交互操作模式。

圖11 總裝脈動線VSMFig.11 Value stream mapping of pulsating final assembly line

操作者觀察虛擬場景，通過控制終端發送操作指令，轉換成PLC控制器指令發送給模擬控制器，接收反饋信號并驅動虛擬環境中的設備運動。系統根據標準操作流程對用戶的操作正確性進行判斷，對用戶不合理的操作進行提示，如圖12所示。通過全面考慮軟件、硬件和人組成的全部模型的運行和人機交互活動，保證了人在回路仿真運行有效性分析。

人在回路的仿真通過真實的操縱體驗，對自動仿真的結果通過實際操縱，進行了進一步的驗證；發現了手持操作界面容易產生誤觸的缺陷，并進行了優化，優化后可以根據所處的工藝環節開放或鎖定部分按鈕；同時可用于設備培訓，規范用戶的操作并提高其操作熟練度。

圖12 單模塊裝配工藝過程人在回路仿真Fig.12 Process simulation with man-in-loop of typical assembly module

結論

本文介紹的仿真軟件擁有自主知識產權，具備了對航空發動機總裝脈動線單模塊的仿真能力，為總裝脈動線單模塊的建設以及總裝脈動線的規劃提供了有力的支持。集成仿真工作還可以從以下3個方面進一步改善，或擴大應用場景。

（1）與成熟仿真軟件產品相比，自動路徑規劃能力不足。軟件未來可進一步擴展功能項，提升仿真能力，擴大應用空間。

（2）對于人在回路的仿真，可進一步擴展為沉浸式人機協同仿真。后期通過使用虛擬現實技術，模擬人在裝配廠房的操作過程，使仿真效果更加逼真，并且可用于技能人員的操作培訓平臺。

（3）隨著工廠數字孿生體建設需求的增加，未來通過接口的打通，仿真環境的模型可以直接作為脈動線數字孿生體在虛擬環境的樣本，實現總裝脈動線的數字孿生。