航空发动机数字化装配技术浅析

高福达

摘 要：数字化制造技术作为新一代发动机研制生产的支撑手段，已逐渐成为提升航空科技工业的重大关键制造技术。数字化制造技术以各类数字化技术手段的应用为主要特征，是新一代航空发动机研制的必需手段和必由之路。

关键词：发动机 数字化 三维 装配 技术

引言

随着新技术、新工艺、新材料的发展，高速加工和强力切削技术广泛应用于加工过程中，使得加工时间不断缩短，装配时间成了影响制造周期的重要因素，随着数控机床的广泛应用，零件的加工精度已可以部分地由机床的精度保证，然而航空发动机的装配是借助于一些省力装置的手工装配，装配精度的高低和稳定与否依赖于装配工人的操作经验和技艺水平。

一、关键技术

1、优配模块技术：在装配车间对零件进行实际装配时可能发生如下情况：各个装配尺寸链的封闭环尺寸位于公差带的不同范围，不能达到最高的整体装配精度，即整批产品质量未达到最佳。因此，需要开发一个优配模块，在各零件按经济加工精度制造的情况下，通过计算机选择合适的零件进行匹配，找出一组最佳组合方式，从而实现稳定的高装配精度。为了达到上述要求，根據关键尺寸对仓库中需要装配的零件进行分组，使零件的装配尺寸满足公差要求，并满足装配间隙离公差带中值距离最小的原则。

零件优配实际上是一个组合优化的过程，本文采用基本遗传算法来实现零件优配。假设有10套装配件A，其中a类零件10个、b类零件20个，而每一个装配件需要一个a类零件、两个b类零件，即在进行遗传运算时，两个b类零件只能算作一个来进行分析。那么，装配后可以得到10套装配件，根据排列组合的理论可以推导得出10种装配方案。

2、装配工艺的可视化

2.1 三维可视化工艺，三维可视化技术的研究与应用，是基于实际的零件或部件的三维模型和装配工艺路线的模拟，不仅可以验证装配工艺的可行性、合理性，而且可以形象地培训装配人员和相关人员对工艺资料的可靠掌握，同时对装配流程有更为清晰的了解。

2.2 三维模型信息的获取，路径的规划和动画实现方法，工步播放控制，动画上传与删除等技术，快速建立二维工艺信息与工艺三维动画之间的对应关系。

三维模型信息的获取是实现装配工艺可视化首要条件，零、部件的三维模型是必备的，如何从这些CAD环境下获取我们所需的零部件（整机）的装配模型信息，是进行装配过程动态演示首先需要解决的问题。

模型信息提取有以下3种可能的途径：

（1）直接利用CAD软件的导出功能。目前主流的CAD软件，如CATIA、Pro/E等都支持HSF格式的输出，可以很方便地将其导出成HSF文件。

（2）利用CAD软件的API。通过CAD软件提供的应用程序编程接口（API）是一种更为安全的做法，由程序供应商提供的编程接口可以保证在各版本之间的一致性以及信息的精确性，但需要对不同的CAD软件开发不同的接口，实现起来较为复杂。

（3）利用产品模型数据转换标准STEP。STEP作为国际标准得到了广泛的应用，对CAD软件导出的STEP文件进行解析并由此得到零件模型是一种可行的方法。

为了使系统可以适用于不同CAD平台上的装配模型，本文采用直接从CAD系统中导出HSF格式文件或通过STEP中间格式转换为HSF格式文件作为系统的零件模型。

3、三维装配可视化动画演示

装配工人进行装配时，是按照装配工艺规程中的装配工艺卡上的要求进行装配的。装配工艺卡上的装配工步只是简单地说明某个零件装配到某个零件上，很不直观，传统的基于预先录制的视频文件没有交互功能，基于CAD系统的二次开发拆装系统不能单独交付使用，多媒体制作系统的交互功能是预先设定的，不能体现用户的个性需求。

从CAD系统中取得零件三维数学模型，与装配工艺相关联，通过系统定制，展示实际零部件在装配过程中的运动场景。实际应用于场景为：装配车间有一个显示屏，工人在装配过程中，可以从显示屏上看到整个装配过程的演示，演示装配过程的同时，显示装配的注意事项，指导装配工人进行装配。

3.1装配顺序和路径生成

3.1.1CAD环境下的信息提取

产品的装配过程动演示中，零件的三维模型是必备的，航空发动机的三维建模基本采用UG、CATIA等CAD系统，如何从这些CAD环境下获取我们所需的建立动态装配过程的信息：几何模型及几何约束等，从而构建零件模型，是进行装配可视化首先需要解决的问题。

现有的实现CAD软件下的信息提取有以下几种可以的途径：一是直接利用CAD软件的导出功能，CAD软件如UG、Pro/E＼CATIA等都支持VRML格式和STL格式的输出，可以很方便地将其导出成VRML文件可STL文件；二是通过CAD软件的API，通过CAD软件提供的应用编程接口是一种更为安全的做法，由程序供应商提供的编程接口可以保证在各版本之间的一致性以及信息的精确性，但需要对不同的CAD软件开发不同的接口，实现超来较为复杂；二是通过产品模型数据转换标准STEP，STEP，作为国际标准得到了广泛的支持，对CAD软件导出的STEP文件进行解析并由此得到VRML模型和装配模型是一种可行的方法。

3.1.2利用STL文件构建零件模型

STL文件。即立体光造型文件，是由美国3DSystem公司开发的，已被工业界认为是快速原型制造领域的标准零件描述文件格式。STL文件对三维实体描述的角度具有唯一性，是描述三维几何形状的标准文件格式之一。它采用一系列离散的三角片来描述三维曲面形状。目前，大多数CAD软件都是具有STL文件输出接口，可以将三维几何模型输出成STL文件。

3.1.3在CAD中定义装配顺序和路径

由于航空发动机的装配工艺多是成熟的工艺。所以，装配工艺员可在CAD软件中定义好装配顺序和装配路径，在UG中得到零件的三维模型以后，根据装配工艺规程中的装配工艺卡，计划好安装步骤，可以利用UG的assembIy模块进行安装，将待装配零部件导出成STL文件就可以得到零件几何领先。除了零件建模以外，还要提取零部件的装配路径信息，才能演示发动机的装配过程。这里的装配路径信息是指将要装配在一起的各零件之间的相对位置，通过导出待装配零件的几个中间状态的STL文件获得装配路径信息。

3.1.4装配配置文件的生成

装配配置文件分为工步运动文件和工序运动文件两种，描述了该工步或工序中零件装配的顺序和路径。工序运动文件由该工序内的所有工步的运动配置文件组合而成。工步运动文件涉及该工步中静止零件以及运动零件的装配顺序和各个运动状态，有可以出现一个部件妈几个零件同时同步运动的情况。系统通过CAD软件中导出的STL文件，结合装配工艺卡中的装配工步，生成装配动画配置文件，通过配置文件来得到装配的顺序和路径。

结语

目前，发动机装配工艺工作并未达到全三维水平，还需进一步深入开展研究工作，建立三维数字化设计制造一体化集成应用系统，健全发动机数字化工艺设计体系。发动机的数字化装配是缩短发动机研制周期、降低制造成本、提髙产品质量的重要保障，也是发动机装配技术未来发展的必然趋势。

参考文献

[1]孙茉莉，常智勇，莫蓉.航空发动机装配数字化关键技术研究[J].中国机械工程.2008， 19（2）.

[2]薛文涛.数字化建模技术研究[D].南京理工大学.2004.endprint