航空发动机数字化装配技术浅析

摘 要: 航空发动机装配是航空发动机制造的瓶颈。本文就目前航空发动机的装配制造现状提出了采用数字化装配手段来改变航空发动机传统的装配方式，并着重论述了数字化装配所包含的数字化装配设计和装配制造数字化技术，阐述了数字化装配是航空发动机制造技术的重要发展方向之一。
关键词: 航空发动机；数字化装配；数字化装配设计；装配制造数字化

0 引言

航空发动机装配是整个航空发动机制造过程的龙头，但也一直是航空发动机制造的瓶颈。

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。装配制造是产品生命周期的重要组成部分，是实现产品功能的主要制造过程。在航空发动机的装配制造中，装配成本占总成本的40％，装配工作占到全机生产工作的一半以上，因此，航空发动机的装配是整个发动机制造过程的龙头，也一直是中国飞机制造过程中最薄弱的环节。传统的航空发动机装配（如图1a 所示）采用纸质的图纸和工艺文件、人工装配、刚性工装、人工检测，使装配精度受人为因素的诸多限制，装配质量无法保证。采用数字化装配手段来改变航空发动机传统的装配方式，提高发动机的制造效率和质量，是航空发动机制造技术的重要发展方向之一。数字化装配的特点体现在工艺文件的电子化、装配的自动化、工装的柔性化以及自动跟踪/在线检测装配质量等（如图1b 所示），它大大的提高了装配效率和质量，是航空发动机装配发展的必由之路。

图1 航空发动机传统装配与数字化装配过程

数字化装配包含数字化装配设计和装配制造数字化两层含义，数字化装配设计是数字化装配的基础，而装配制造数字化是数字化装配的再现。

1、数字化装配设计

数字化装配是数字化制造中的一个重要环节，而数字化装配设计是整个环节中的基础。

航空发动机数字化装配设计从建立产品的的物理模型开始，到选择装配基础件设计物理模型，在这个过程中涉及了数字化装配建模、装配关系判别、装配规划、装配仿真、公差分析、可装配与拆卸分析、人机工程等技术（如图2 所示）。
在数字化设计阶段装配基础件的选择是设计的基础。装配基础件常常是装配中的尺寸基准或定位基准，如压气机或涡轮盘、机匣、转子等。

装配关系判别是判别装配体中零部件间的装配先后顺序，这种装配先后顺序是随装配结构设计而确定的内在的、隐含的几何约束关系，如果不能满足这种装配关系，就无法正常完成最终装配。通常在装配关系判别的设计过程中，系统会自动的生成大部分装配零部件间的装配优先关系，而那些系统无法自动确定的装配优先关系则需要由设计师来判断。

装配工艺的生成过程是首先利用CAD 工具自动生成多种可能的装配顺序，然后在确定的路径空间下搜索无干涉的零部件装配(拆卸)路径，所谓的碰撞与干涉检查就是确定不同的物体在空间是否占有相同区域的问题，它分为静态干涉检查和动态干涉检查。静态干涉检查是指物体在空间中的位置是可移动的，但不随时间变化，位置的变化是由其它参数定义的，如空间布局和装配干涉检测等。动态干涉检测与时间相关，即碰撞检测物体在空间中的位置是随时间变化的，如行走机器人的碰撞检测。动态干涉检测通常采用连续时间测试法（如扫描法和边界表示法）和离散时间测试法进行判别。

可装配性判别的目的是根据航空发动机各种型号的不同生产情况，同时在考虑装配过程中的众多影响因素的条件下，来规划一个最经济的、最科学的装配工艺的过程，因此，可装配性判别的过程是一个人机交互的过程。

通过以上各过程所完成的工艺需要在计算机上进行模拟装配，即装配仿真。装配仿真包括装配干涉仿真、装配顺序仿真、人机工程仿真、可视化装配与人员培训、装配现场三维工艺布局仿真等，在这个过程中系统通过模型重构来完善装配工艺。

目前装配建模设计所采用的软件主要是Autocad、SolidWorks、SolidMX、MasterCAM、Pro/E、UG、Catia 等，航空发动机的数字化建模多采用UG 软件。

图2 数字化装配设计过程

2、装配制造数字化

装配制造涉及装配工艺、装配工装、装配检查以及装配过程管理等技术问题。装配制造数字化研究的的目的就是要研究如何采用数字化的手段和工具来改善和提高装配工作现场的生产组织与质量的控制能力，以提高生产组织效率和装配质量。

由于航空发动机零部件繁多、外形结构复杂、非标零件多、装配精度难于保证等原因，使航空发动机的装配一直停留在传统的手工操作和人工检测与半自动化检测相结合的装配方式上，装配精度主要靠操作工人的技术等级来保证。在装配定位方面，传统航空发动机的装配大量采用刚性装配工装定位、划线定位等方法，这种方法只能适应特定型号的发动机，当发动机的外形或结构发生改变时，必须重新订制大量的专用装配工装以及与之配套的转接件、吊具等，结果增加了生产成本和生产准备周期，并且难以满足现代航空发动机的高准确度、短周期的研制生产需求。

随着数字化、自动化、信息化等技术在飞行器制造技术中的广泛应用，传统的刚性定位逐渐向数字化、自动化、柔性化定位方向发展。柔性装配是指采用柔性定位技术进行装配的一种数字化装配方法，这种工装可以适用于不同形状、不同尺寸组件或部件的装配，满足不同产品的定位需要，同时可以保证装配的准确度。柔性装配技术是一种能适应快速研制、低成本制造及工装可重组模块化的先进装配技术，涵盖了柔性工装、精确定位与检测、数据采集／处理系统等方面的技术。

柔性装配工装基于产品数字量尺寸协调体系设计，具有模块化、可重组、自动化的特点，免除了设计和制造各种产品装配专用的传统装配型架/夹具，从而降低了工装制造成本，缩短工装准备周期，同时大幅度提高装配生产率。

目前柔性装配检测技术大多采用光学测量与补偿技术，通过数字测量系统(如激光跟踪仪等)实时监控、测量工装或产品上相关控制点(关键特性)的位置，然后建立产品零部件基准坐标系统。数字化测量技术发展迅速，其测量与监测方式正从单一测量到综合测量的发展过程，全数字化测量也从被动走向主动、从单一走向多样、从点到面、并扩展到空间，数字测量系统与控制的结合、与物流的结合、与逆向检测的结合为大尺寸测量提供了先进的、全新的解决方案。因此，测量系统正朝着数字化、网络化、柔性化、精密化方向发展，从离线走入在线和实时，形成全时、全程的全天候检测态势。

数字化管理在航空工业已具有一相当基础，数字化设计/制造/管理协同技术体系和应用系统正在全面推广，这势必对提高我国航空发动机研制能力、技术创新，促进航空发动机行业跨越式发展起到重要的作用。

参考文献
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