虚拟装配技术在飞机发动机装配中的应用

作者：戴云 陈道炯

欢迎访问e展厅 展厅 8 CAD硬件/先进制造技术展厅 图形工作站, 绘图仪/大幅面打印机, 3D控制器/3D鼠标, ... 摘要：飞机发动机的可靠性、稳定性以及主要性能参数在很大程度上是取决于装配工艺水平和装配质量的。本文介绍了在计算机里建立零件三维模型，运用虚拟装配技术模拟装配过程，对可装配性、装配精度进行分析，同时验证装配工具工装的有效性，进一步优化装配工艺，对缩短飞机发动机装配周期、提高装配质量稳定性和一次装配成功率有着实际应用意义。 0 前言 飞机发动机的可靠性、稳定性以及主要性能参数在很大程度上是取决于装配工艺水平和装配质量的。在传统的装配过程中也是发生质量问题最多的阶段，由于在编制装配工艺初期和设计装配工具工装时，没有数字化装配验证和实际的装配仿真，往往在实际产品装配阶段，经常会发生零部件间的干涉、装配顺序不合理或装配工具工装不方便等现象，而且许多零部件在制造阶段产生的质量隐患或装配工具工装的合理性只有在实际的装配过程中才显现出来。因此导致产品的装配周期很长、返工率高、装配质量不稳定以及装配一次成功率降低，这些都严重制约着生产能力的提高。 虚拟装配技术的出现对有效地解决这类问题提供了可能。通过虚拟装配技术，我们可以在虚拟的环境中，利用虚拟现实技术将设计的产品三维模型进行预装配，在满足产品性能和功能的前提下，通过仿真、模拟、分析、评价、规划等手段改进产品和装配工具工装的设计、选择最佳的装配顺序和改进装配工艺，实现产品的可装配性和经济性，提高产品的一次装配成功率。 1 虚拟装配技术 虚拟设计技术提供了一个集研究、设计、工艺、制造、标准，技术共享、信息传递、市场需求、系统控制为一体的虚拟环境。通过计算机营造的虚拟制造环境来模拟和预估产品功能、性能、可加工性以及可装配性等各方面可能存在的问题，提高人们预测和决策的水平，给工程师提供了全方位的支持，使工程师能够在计算机上实现方案的选择、原理论证、主要技术参数的设计和论证、数字样机的建造以及数字样机的试验。 由此可见，虚拟装配就是在计算机上完成的零部件装配模型，将不同的零部件组装成一个装配体。在虚拟装配中，通过定义不同零部件之间的相对位置约束关系、零部件的装配序列与装配路径，进行零部件之间的装配干涉检查，发现其设计的不合理之处改进产品设计并完成该装配体的动态模拟设计，最后在计算机中进行装配的仿真演示，验证虚拟装配结果。由此可见虚拟装配主要包括了产品装配模型信息获取、装配路径规划、装配干涉碰撞检查以及可装配性分析评价等等内容。 2 虚拟装配的关键技术 虚拟装配的主要目的是以最短的时间、最小的人力物力和最少的资金进行产品装备的设计验证。进行虚拟装配时有几个目标需要完成，当然其最终的目标是判断零部件是否能够通过工人或装配生产线进行装配，以及将来对其进行维修和保养时能否进行拆卸和再装配。因此研究虚拟装配就需要解决虚拟装配中的关键技术环节，以期达到虚拟装配的最终目的。 根据虚拟装配的定义及其特点，在进行虚拟装配研究时，需要解决虚拟装配中的关键技术问题，通过解决这些关键技术问题，来最终达到完成虚拟装配研究的目的。 传统的装配是以零部件的名义尺寸进行的设计和分析，在装配过程中零部件没有考虑实际公差的变化对装配的影响。然而，尺寸仅代表了零部件理想状态下的几何形状，公差指定了尺寸和几何的允许变动量。尺寸和公差都是产品信息的重要组成部分。因此，基于装配精度模型的虚拟装配有着工程实际应用的迫切性和必要性。基于装配精度模型的虚拟装配包括功能性和装配性分析。 1)功能性分析是指分析和确定对装配体的功能起关键作用的重要尺寸，其目的是对一个或多个功能尺寸生成的尺寸链方程进行公差分析。 2)装配性分析是指计算装配操作中装配零部件位置的不确定性，或分析所设计的零件能否成功地被装配并达到设计的要求。 3 虚报装配技术的应用 虚拟装配是虚拟制造的核心技术之一，它在获取产品信息和产品装配工艺信息后进行产品装配过程的仿真，并为装配工艺规划提供一种可视化的环境，从而可以有效地改进产品的装配工艺、验证装配工具工装的合理性、提高装配质量和一次装配成功率。 例如，在某型号的飞机发动机的低压涡轮轴的装配中，怎样准确高教地将一个支撑组件装配到一根轴的内部，并达到产品的设计工艺要求。由于整个装配过程都在轴的内部进行，装配员工无法看到各个零件的装配情况，那么怎样设计或改进工具工装？如何编制或改进装配工艺？借助三维制图软件在计算机里建立零件的三维模型；再利用虚拟装配技术在虚拟环境中动态地模拟装配过程便可以有效地寻找出解决方案。根据设计要求，用匹配、对齐、插入、相切等命令来完成零件的装配设计，我们只需要定义出相关零件之间的关系，系统就可以根据给出的约束要求将零件装配到位。 通过对装配过程的模拟，对可装配性进行分析以达到以下目的： (1)验证装配设计操作正确与否，以便及早发现装配中存在的问题，及时对零部件进行修改，并通过可视化的装配过程再次进行验证； (2)模拟产品零部件的各种装配操怍，以验证装配体中零件与零件之间、零件与装配工具工装之间的干涉关系，设计、改进装配的工具工装； (3)模拟产品的装配过程，验证装配序列和装配路径的可行性，分析最佳装配顺序、确定最优的装配路径； (4)检验装配工具工装的实用性，验证拆装和维护的可行性。 通过对装配过程的模拟，还可以对装配体进行装配精度分析。装配精度分析利用公差分析技术系统，在产品装配模型的基础上，建立装配公差分析系统，提供尺寸链计算，分析尺寸敏感度，提供分组选配计算分析、调整量及补偿量定量分析等。对装配体进行装配精度分析可以达到以下目的：(1)在产品的设计阶段验证产品的装配精度；(2)预测由于制造公差和装配方法可能带来的影响；(3)分析装配过程中出现的质量问题，进行原因分析并对解决质量问题验证改进方案。 在实际装配中，曾经一段时间经常出现支撑相对于轴的垂直度超差，通过对装配精度的分析，用CMM测量零件本身的相关尺寸，排除了零件的制造误差带来的影响，进而分析验证装配工装对装配结果的影响，最终发现原有工装在拧紧螺母固定支撑的过程中不能很好地保证支撑处于良好的位置，于是从这个关键点出发，对原来的工装进行了改进。后来，支撑的超差问题几乎很少发生，提高了装配质量和一次成功率。 通过对装配过程的模拟，还可以优化装配工艺。装配工艺是用于指导现场装配的工艺文件，装配工艺的好坏直接影响产品的装配质量。在装配的仿真过程中，可以仿真结果，生成优化的装配序列、装配方法从而生成装配规划。优化装配工艺可以改变传统装配工艺的表现形式，采用电子化、结构化、可视化的形式生成装配工艺，这样便于装配人员更加有效准确地理解所装配产品的要求，从而提高装配质量，提高一次装配成功率。 4 结束语 近年来，在复杂产品的制造企业，例如飞机发动机的制造，开展了一些这方面的研究工作，一定程度上实现了虚拟装配和工艺动画演示，能够进行产品的预装配和干涉检查，对解决装配周期长、装配质量不稳定、生产能力低下等问题有着很大的促动和推进作用。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (7/2/2012)