航空發動機裝配數字化系統分析

劉文博 鄧佳男 丁震

摘要：我國航空事業發展速度不斷加快，如何保障航空飛機的穩定飛行成為了相關領域所需要研究的重點內容。航空發動機是影響飛行狀態的關鍵因素，也是得以飛行的重要動力源泉，為了能夠提高航空發動機的運行效果，需要對航空發動機進行有效維護。傳統的航空發動機裝配工藝基本都是采用二維工藝規劃，現場的裝配工作也都是由人工方式來完成。經常會出現碰撞干涉現象、裝配工藝規劃不合理、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的問題，提高航空發動機的裝配效率。

關鍵詞：航空發動機;裝配;數字化

引言

近年來，航空運輸也逐漸成為我國國民經濟發展的重要支柱。當前航空行業發展速度不斷加快，有關于航空發動機的科研任務量也逐漸增加，其中航空發動機的數字化裝配技術是需要研究的重點內容之一，既可以提高維修質量，保證航空發動機的穩定運行，又可穩步提升裝配效率。

1航空發動機特點

航空發動機往往采用鈦合金、復合材料、高溫合金等諸多特殊材料作為基礎材質，而該類材料往往具備硬度大、強度高、韌性強、熔點高和脆性大等諸多特質，難以通過傳統模式下的機械切削方式進行有效分割和利用。航空發動機所需加工的型孔位置絕大部分位于復雜型面或復雜零部件結構上，渦輪、燃燒室、噴嘴等部位往往需進行菱形網孔的深加工，該類位置加工一旦發生差錯，很容易影響最終生產質量。此外，航空發動機中往往需要在部分薄壁零件甚至彈性零件等低剛度零件表面進行鉆孔，其鉆孔困難度大大提升，且航空發動機生產制造過程中，還需要在精密控制元件和細微系統零部件上進行直徑小于0.1mm的微小孔加工與生產制作，需要在火焰筒的零部件上進行大量的具備不同空間結構形態的小孔加工制作，上述鉆孔加工難度較高，極易因工藝不達標或精確度不夠而造成質量不合格。

2航空發動機裝配線

2.1工作原理內容分析

在發動機生產裝配過程中，其裝配線部分主要包括以下內容，分別是總裝線和分裝線以及線上工具等。現階段，針對總裝線以及分裝線的工作，主要是使用柔性輸送線對工件進行輸送，并且線上生產會設置自動化的設備，對生產效率起著積極作用。在柔性輸送線內容中，其分為兩種，分別是摩擦輥道以及啟停式動力輥道。裝配線上使用的自動化設備比較多樣，不同類型設備的應用對裝配線裝配能力提升有著極其重要的作用。當前裝配線運行方式基本是使用現場總線控制方式，也就是通過現場分布I/O統一控制方式，對不同工位以及不同階段的通訊功能進行控制。構建現場模式的信息監控方式，過程中主要借助以太網方式，實現線上信息采集以及工位監控等功能。

2.2發動機裝配線技術相關要求分析

發動機運行過程中，其本身精度及其質量與發動機裝配線息息相關，同時這一階段的生產也是發動機成型的最終工序，以此對裝配線的維護水平以及操作質量予以提升。除此之外，裝配線本質上屬于工藝流程中的一個環節，其是流水作業的一種，不同工位之間均屬于流水性的作業生產，因此需要保證過程中的平衡性。重視分裝工作與主裝工位之間的關系，其屬于對應關系，兩個部分工作需要具備流暢的物流以及信息數據傳遞。最后確保裝配線以及相應設備運行過程中，其活動單位具備穩定性，裝配線在返修過程以及返修工位中，針對突發性的問題采取針對性地解決措施。

3基于DELMIA數字化航空發動機裝配系統

3.1工位流程與人機任務設定

進行虛擬裝配總成仿真后，實際裝配航空發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動機虛擬裝配仿真。工位流程步驟主要分為：①固定安裝燃燒室。②吊運高壓壓氣機。③智能對接與調整。④單元體間緊固件連接。在DELMIA中ErgonomicsModule模塊下創建工人模型，設定人體參數性能，規劃人機任務工藝，依靠關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雜動作姿勢來進行人機工程仿真。結合人機工程技術，分析工人全部工作操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環境下的Openthe 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動機部件的位置是否在良好的視野范圍內，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。

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的殼體，直觀顯示出工人所有姿勢下的肢體工作區域。工人裝配航空發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。根據動作經濟原則，由包絡面殼體可知工人在工位中上肢可操作性一直在舒適區域范圍之內。

3.4疲勞易感度分析

從工人姿勢強度與安全性考慮，對工人關鍵的任務動作姿勢如提起、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舒適姿勢狀態來完成工作，并分析一直持續工作是否會導致工人身體出現不適等情況。疲勞易感度分析可以通過系統的相關規則對工人各肢體姿勢舒適度進行定量綜合評價得分，工人模型關鍵軀干顏色也會相應改變。

結束語

基于DELMIA數字化仿真平臺，在DEP模塊中實現了虛擬裝配總成仿真，結合人機工程技術全面角度評估了工人在任務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。采用虛擬裝配技術可以提前檢測到航空發動機裝配優化不合理的裝配工藝，提高裝配效率并縮短研制周期。在航空發動機制造中具有重要的指導意義，推動航空發動機全面數字化裝配的進一步發展。

參考文獻

[1]徐延鋒.航空發動機裝配數字化關鍵技術研究與實現[D].西安：西北工業大學，2006.

[2]曾亮，常智勇，莫蓉.航空發動機裝配數字化系統研究[J].計算機工程與設計，2007（21）：5225-5227，5237.