基于UG、3DVIA的航空發(fā)動機外部管路裝配工藝可視化設(shè)計

劉振東，胡一廷，李泳凡

（中航工業(yè)沈陽發(fā)動機設(shè)計研究所，沈陽，110015）

0 引言

航空發(fā)動機外部管路結(jié)構(gòu)復(fù)雜、零件繁多，傳統(tǒng)的裝配工藝設(shè)計方式難以直觀、快速準確地傳遞其詳細裝配信息。工藝人員設(shè)計發(fā)動機裝配工藝時，需要查閱大量圖紙、文件，周期較長，稍有疏漏就會發(fā)生設(shè)計錯誤，而這些錯誤（缺陷）往往要到裝配階段才能顯現(xiàn)。傳統(tǒng)裝配工藝設(shè)計缺乏有效的手段對其直觀虛擬驗證，在設(shè)計初期階段，工藝設(shè)計的合理性、準確性難以保證，工藝優(yōu)化更是無從談起。傳統(tǒng)的裝配工藝規(guī)程需要大量的文字和插圖描述外部管路結(jié)構(gòu)特征，即便如此，也還會因為操作人員理解偏差，導(dǎo)致錯裝、漏裝的現(xiàn)象發(fā)生[1-3]。這些問題直接或間接地導(dǎo)致了發(fā)動機裝配周期長、返工率較高、裝配質(zhì)量不穩(wěn)定，影響了型號研制進程及成本。利用現(xiàn)有的虛擬設(shè)計平臺，進行可視化的裝配工藝設(shè)計能有效解決上述問題。可視化裝配工藝設(shè)計是在計算機中構(gòu)建可視化的虛擬裝配場景，借助3維模型進行預(yù)裝配，在滿足產(chǎn)品性能與功能的條件下，通過分析、規(guī)劃、仿真和評價等手段實現(xiàn)裝配工藝設(shè)計及優(yōu)化[4-6]。

本文采用UG軟件、3DVIA軟件搭建虛擬裝配平臺，為發(fā)動機外部管路裝配工藝可視化設(shè)計提供1種可行方法。

1 總體流程及其實現(xiàn)

外部管路裝配工藝可視化設(shè)計總體流程如圖1所示。

圖1 外部管路裝配工藝可視化設(shè)計總體流程

在工藝模型建模過程中，通過UG軟件完成發(fā)動機、工裝、設(shè)備、人體模型等資源的組裝，經(jīng)輕量化處理后生成外部管路虛擬裝配場景，形成完備的裝配工藝設(shè)計信息[7-8]。

裝配工藝設(shè)計過程以虛擬仿真平臺為基礎(chǔ)，從PDM（Product Date Management）系統(tǒng)導(dǎo)入輕量化的裝配工藝模型，采用人機交互的方式完成外部管路裝配序列和路徑規(guī)劃、裝配干涉檢測、裝配過程仿真，形成合理的管路裝配工藝。

在裝配工藝輸出過程中，通過編制相應(yīng)界面集成前期生成的仿真文件，形成交互、可視化的裝配仿真動畫和3維矢量裝配圖解，滿足裝配現(xiàn)場可視化指導(dǎo)、培訓(xùn)需求[9]。

1.1 工藝模型建模

外部管路工藝模型是可視化裝配工藝設(shè)計的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，可視化裝配工藝的設(shè)計過程基于模型的人機交互以及信息數(shù)據(jù)的組織與存儲，因此工藝模型建立的完整性和高效性對于工藝設(shè)計起著至關(guān)重要的作用[10-12]。外部管路零件數(shù)目龐大、錯綜復(fù)雜，其工藝模型應(yīng)滿足以下要求：（1）準確性。管路的幾何模型和配合約束信息要與設(shè)計一致。（2）完整性。工藝模型不僅要包含裝配對象的信息，還要包含管路裝配所需的工裝、工具、設(shè)備、人體等裝配資源的信息。（3）輕量化。管路及裝配資源的UG模型數(shù)據(jù)量極大（GB級），不便于數(shù)據(jù)傳輸、瀏覽、存儲及裝配仿真交互操作，必須經(jīng)過輕量化處理。

通過以下3個步驟完成管路裝配工藝模型構(gòu)建：

（1）UG建模。PDM平臺統(tǒng)一調(diào)用裝配體及裝配資源的UG模型，以保證工藝數(shù)據(jù)與設(shè)計數(shù)據(jù)一致。通過幾何約束關(guān)系（如接觸、同心、平行等）完成裝配體、裝配資源模型的組裝，構(gòu)建工藝模型完整幾何信息（如工藝模型的空間姿態(tài)及位置、工藝模型間的配合關(guān)系等）[13]。

（2）數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)。將UG模型轉(zhuǎn)換成STEP格式數(shù)據(jù)。

（3）將STEP格式文件導(dǎo)入3DVIACOMPOSER軟件中，生成XML格式輕量化模型。輕量化處理后，工藝模型數(shù)據(jù)大小為原來的1/20～1/30。

1.2 裝配工藝可視化設(shè)計

1.2.1 總體規(guī)劃

總體規(guī)劃原則：適應(yīng)現(xiàn)有的管路裝配工藝方法，便于實現(xiàn)裝配；滿足管路、輔助設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計及使用性能要求；改善人機性能，減少操作人員工位、操作姿態(tài)變換頻率，管路區(qū)域劃分不宜過大；縮短管路裝配時間，盡可能增加并行裝配區(qū)。

本文綜合總體規(guī)劃原則將發(fā)動機管路劃分為5個并行裝配區(qū)域：1區(qū)管路，外涵機匣以前右上半側(cè)區(qū)域；2區(qū)管路，外涵機匣以前左上半側(cè)區(qū)域；3區(qū)管路，外涵機匣以后右上半側(cè)區(qū)域；4區(qū)管路，外涵機匣以后左上半側(cè)區(qū)域；5區(qū)管路，發(fā)動機底部區(qū)域。

模型中不同區(qū)域管路通過不同顏色加以區(qū)分，劃分結(jié)果如圖2所示。

圖2 外部管路裝配區(qū)域劃分

1.2.2 BOM重構(gòu)

BOM重構(gòu)主要用于模型管理，使之層次分明，便于后續(xù)對各區(qū)管路裝配工藝詳細設(shè)計時快速選取對應(yīng)模型，同時降低裝配序列、路徑規(guī)劃求解的空間難度。此外，重構(gòu)后的BOM表可用于管路裝配前零件集件、清點。

依據(jù)總體規(guī)劃，對某型發(fā)動機機件設(shè)計BOM重新規(guī)劃，構(gòu)建裝配BOM。在3DVIACOMPOSER軟件裝配結(jié)構(gòu)樹管理區(qū)構(gòu)建1～5區(qū)管路5個子集，將外部管路劃分至對應(yīng)子集內(nèi)。每根管路下依次建立連接件、密封件、固定件3種子集，其中連接件子集用于容納與該管路裝配相關(guān)的連接件，如螺栓、螺母、鎖片等；密封件子集用于容納與該管路裝配相關(guān)的密封件，如膠圈、密封墊等；固定件子集容納與該管路裝配相關(guān)的固定件，如支架、卡箍等。重構(gòu)后的裝配BOM如圖3所示。

圖3 外部管路裝配BOM

1.2.3 詳細設(shè)計

各區(qū)的管路裝配序列和路徑規(guī)劃，以“可拆即可裝”的假設(shè)為前提[14-15]。在3維可視化環(huán)境中，以人機交互仿真的方式對管路進行逐層試拆，利用3DVIA COMPOSER軟件自帶的交互式?jīng)_突檢測功能判定拆卸序列、路徑的可行性。在得到外部管路各種可行的拆卸序列和路徑后，進行對比分析，選擇較優(yōu)的分解序列及路徑，通過反向取逆，獲得管路較優(yōu)的裝配序列、路徑。管路裝配序列規(guī)劃流程如圖4所示，各區(qū)管路最終裝配序列如圖5所示。

圖4 裝配序列、路徑規(guī)劃流程

圖5 各區(qū)管路裝配序列

1.3 裝配工藝可視化輸出

外部管路裝配工藝主要輸出形式為3維矢量仿真動畫。動畫界面左側(cè)為某型發(fā)動機各區(qū)域管路BOM結(jié)構(gòu)樹，右側(cè)為動畫演示窗口，底部為動畫控制按鈕，如圖6所示。

操作人員通過BOM結(jié)構(gòu)樹選取相應(yīng)管路，點擊動畫控制按鈕，即可演示該管路的仿真裝配（或分解）；此外，還可以通過鼠標中鍵的滾動實現(xiàn)模型的縮放，通過鼠標右鍵實現(xiàn)模型的旋轉(zhuǎn)。在裝配動畫中，管路裝配信息一鍵可查，快捷、準確且高效。

圖6 管路裝配仿真動畫界面

2 問題及解決方案

進行外部管路裝配工藝設(shè)計時需考慮以下3類可能發(fā)生的問題：發(fā)動機在研制過程中狀態(tài)多變，因局部故障而帶來的非常規(guī)分解（裝配）；管路設(shè)計結(jié)構(gòu)改變而帶來的工藝變更；管路裝配過程中可能產(chǎn)生的裝配應(yīng)力。

2.1 非常規(guī)分解（裝配）問題

對于管路的非常規(guī)分解（裝配），需制定專用工藝。在進行工藝設(shè)計時，利用3DVIACOMPOSER軟件選擇集功能，創(chuàng)建發(fā)動機外部各附件及相關(guān)管路局部模型選擇集，無關(guān)模型虛化處理。通過前文裝配序列、路徑規(guī)劃方法，規(guī)劃該區(qū)域內(nèi)管路分解次序，并以數(shù)字編號標明，形成相應(yīng)分解（裝配）3維圖解。某型發(fā)動機主泵分解工藝如圖7所示。

圖7 主泵分解工藝圖解

2.2 工藝變更問題

管路設(shè)計結(jié)構(gòu)改變帶來的裝配工藝更新流程如圖8所示。

在工藝模型更新過程中，在原工藝模型（UG）形態(tài)下，通過幾何約束關(guān)系，確定新管路（零件）的空間位置、姿態(tài)以及與其它管路配合關(guān)系后，導(dǎo)出新管路（零件）STEP數(shù)據(jù)，合并至輕量化工藝模型（3DVIA形態(tài)下）中。同時刪除多余件模型、BOM以及其裝配仿真。

圖8 裝配工藝更新流程

工藝設(shè)計更新的操作如下：

（1）依據(jù)總體規(guī)劃原則，確定新管路的裝配域；

（2）通過前文BOM構(gòu)建方法調(diào)整管路裝配BOM；

（3）通過前文裝配序列、路徑規(guī)劃方法調(diào)整相關(guān)管路裝配序列及裝配路徑；

（4）進行裝配仿真動畫的更新，增添新管路裝配仿真，調(diào)整相關(guān)管路裝配仿真演示次序。

在工藝輸出更新中，在動畫控制界面左側(cè)BOM結(jié)構(gòu)區(qū)增加新管路裝配索引（刪除舊管路索引），調(diào)整裝配索引與仿真文件的關(guān)聯(lián)。

2.3 管路裝配應(yīng)力的控制問題

以往發(fā)動機外部管路裝配模式為“附件定管路”，即在管路裝配前先完成外部各附件裝配，這種裝配模式導(dǎo)致部分插入式管路裝配時存在較大應(yīng)力，致使管路接頭密封面損傷、膠圈損壞，會使發(fā)動機在試車過程中出現(xiàn)漏油情況。

裝配工藝模型上的幾何干涉預(yù)示著管路裝配時可能存在應(yīng)力，在某型發(fā)動機外部管路設(shè)計時，對Φ20以上管路裝配序列、裝配路徑進行了全3維動態(tài)仿真，通過調(diào)整管路、附件裝配次序（或路徑）消除模型中發(fā)現(xiàn)的動態(tài)干涉。Φ20以下的管路自身具備較大彈性，工藝設(shè)計時可不做動態(tài)干涉檢測。

某管路裝配如圖9所示，調(diào)整了管路與附件裝配次序，抑制了該管路裝配應(yīng)力。

3 結(jié)束語

圖9 某管路裝配

(1)提出了基于UG、3DVIA軟件的發(fā)動機管路可視化裝配工藝設(shè)計方法。介紹了發(fā)動機管路可視化裝配工藝設(shè)計的總體流程及實現(xiàn)方法，包括工藝模型建模、裝配工藝可視化設(shè)計和裝配工藝可視化輸出。

(2)針對發(fā)動機外部管路裝配過程中的非常規(guī)分解、因管路結(jié)構(gòu)設(shè)計變化而帶來的工藝更改、管路裝配應(yīng)力等問題，利用可視化工藝設(shè)計方法提出了相應(yīng)解決措施。

(3)驗證了該管路可視化裝配工藝設(shè)計方法可大幅度提高復(fù)雜管路裝配工藝設(shè)計效率與質(zhì)量，滿足了裝配現(xiàn)場可視化指導(dǎo)需求，值得在發(fā)動機裝配工藝設(shè)計中應(yīng)用與推廣。

[1]黃壘，夏平均，姚英學(xué).虛擬裝配工藝設(shè)計技術(shù)研究與應(yīng)用[J].現(xiàn)代制造工程，2007（7）：52-55.HUANG Lei，XIA Pingjun，YAO Yingxue.Study and application on virtual assembly process design technology [J].Modern Manufacturing Engineering，2007（7）：52-55.(in Chinese)

[2]高瞻，張樹有，顧嘉胤,等.虛擬現(xiàn)實環(huán)境下產(chǎn)品裝配定位導(dǎo)航技術(shù)研究[J].中國機械工程，2002，13（11）：901-903.GAO Zhan，ZHANG Shuyou，GU Jiayin，et al.An allocation and motion navigator in virtual assembly environment[J].China Mechanical Engineering，2002，13（11）：901-903.(in Chinese)

[3]王念東.集成化虛擬裝配理論、方法及其在飛機總體布置中的應(yīng)用[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2009.WANG Niandong.Integrated virtual assembly theory,method and application in airplane general arrangement[D].Nanjing：Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，2009.(in Chinese)

[4]Yongmin Z，Bijan S，Weiyin M.Solid modeling in a virtual reality environment[J].The Visual Computer，2005（1-2）：17-40.

[5]Wang Y，Jayaram U，Jayaram S，et al.Methods and algorithms for constraint-based virtual assembly[J].Virtual Reality，2003（4）：229-243.

[6]孫中雷，陶華.飛機裝配工藝仿真與可視化技術(shù)研究[J].現(xiàn)代制造工程，2006（2）：55-58.SUN Zhonglei，TAO Hua.Research on technologies of airplane assembly process simulation and visualization [J].Modern Manufacturing Engineering，2006（2）：55-58.(in Chinese)

[7]謝慧清.虛擬裝配系統(tǒng)技術(shù)的研究與實現(xiàn)[D].蘭州:蘭州理工大學(xué)，2007.XIE Huiqing.Research and realization on the virtual assembly system technology[D].Lanzhou：Lanzhou University of Technology，2007.

[8]Reinhard Grand.Virtual process week in the experiment vehicle build at BMW AG [J].Robotics and Computer Integrated Manufacturing，2001（17）：65-71.

[9]劉戰(zhàn)強，艾星.虛擬制造技術(shù)及其應(yīng)用的現(xiàn)狀與發(fā)展展望[J].山東大學(xué)學(xué)報，2002（3）：211-213.LIU Zhanqiang，Ai Xing.Survey on state of development and trends in virtual manufacturing technology and its applications[J].Journal of Shandong University of Technology,2002（3）：211-213.(in Chinese)

[10]蔣琴仙.虛擬裝配技術(shù)的研究[J].機械設(shè)計與制造工程，2000（6）：46-47.JIANG Qinxian.Study on virtual assembly technique[J].Machine Design and Manufacturing Engineering，2000（6）：46-47.(in Chinese)

[11]程凱.面向并行產(chǎn)品設(shè)計的虛擬裝配技術(shù)在飛機設(shè)計中的應(yīng)用[J].航空制造技術(shù)，2001（4）：26-28.CHENG Kai.Application of the concurrent product design oriented virtual assembly technology in aircraft design[J].Aeronautical Manufacturing Technology，2001（4）：26-28.(in Chinese)

[12]張?zhí)m英.虛擬裝配設(shè)計系統(tǒng)的研究[J].機械設(shè)計與制造，2002（4）：37-39.ZHANG Lanying.Research of design system on virtual assembly[J].Machine Design and Manufacturing Engineering，2002（4）：37-39.(in Chinese)

[13]王念東，劉毅，李文正.大型飛機虛擬裝配技術(shù)[J].航空制造技術(shù)，2008（20）：53-55.WANG Niandong，LIU Yi，LI Wenzheng.Virual assembly technology for large aircraft[J].Aeronautical Manufacturing Technology，2008（20）：53-55.(in Chinese)

[14]Li Z，Chen GR.Global synchronization and asymptotic stability of complex dynamical networks[J].IEEE Transactions on Circuits and SystemsⅡ,2006（53）:28-33.

[15]周爾民.機械產(chǎn)品虛擬裝配仿真技術(shù)的研究與應(yīng)用[J].機械傳動，2007（3）：30-32.ZHOU Ermin.The research and application of virtual assembly simulation technology of mechanical product[J].Journal of Mechanical Transmission，2007（3）：30-32.(in Chinese)