航空發(fā)動機零部件數(shù)字化檢測技術(shù)的應(yīng)用探究

李 旭

（中國航發(fā)成都發(fā)動機有限公司，四川成都 610500）

0 引言

在科學(xué)技術(shù)水平不斷提高的支持下，用于檢測航空發(fā)動機零部件的數(shù)字化檢測技術(shù)發(fā)展愈發(fā)成熟，不僅可以充分滿足高質(zhì)量安裝發(fā)動機零部件需求，也有利于促進整體裝配技術(shù)水平進一步提高，增強航空發(fā)動機運行安全性、穩(wěn)定性。如何切實發(fā)揮數(shù)字化檢測技術(shù)應(yīng)用價值，是目前各相關(guān)人員需要考慮的問題。

1 數(shù)字化檢測技術(shù)在航空發(fā)動機零部件檢測中的作用

面對精密度、復(fù)雜度不斷提升的航空發(fā)動機零部件，保證各零部件裝配質(zhì)量非常關(guān)鍵，在此過程中數(shù)字化檢測技術(shù)的有效應(yīng)用，對發(fā)動機零部件整體裝配質(zhì)量的提升有著關(guān)鍵作用。通過對航空發(fā)動機裝配作業(yè)情況的調(diào)研與分析，發(fā)現(xiàn)各零部件裝配需要耗費大量時間，整個裝配作業(yè)周期極長，而裝配作業(yè)質(zhì)量對航空發(fā)動機整體裝配效果也有著直接影響，再加上該項作業(yè)流程復(fù)雜程度較高，傳統(tǒng)裝配技術(shù)已經(jīng)無法滿足高精度航空發(fā)動機零部件安裝要求，創(chuàng)新與突破關(guān)鍵技術(shù)瓶頸成為當(dāng)下最為緊要的任務(wù)。

數(shù)字化檢測技術(shù)集成了多項先進技術(shù)，具有較強的實用性，發(fā)揮數(shù)字化檢測技術(shù)優(yōu)勢，借助其功能作用協(xié)助航空發(fā)動機零部件裝配作業(yè)開展，最大限度上提高各零部件裝配質(zhì)量與精確度，為航空發(fā)動機安全、穩(wěn)定運行提供強力技術(shù)支持，同時對促進我國航空發(fā)動機向深層次發(fā)展也起到積極推動作用。

2 航空發(fā)動機零部件數(shù)字化檢測技術(shù)具體應(yīng)用

2.1 技術(shù)應(yīng)用案例

以航空發(fā)動機裝配中一新型噴管部件應(yīng)用數(shù)字化檢測技術(shù)為例，相較于發(fā)動機中其他零部件，新型噴管部件結(jié)構(gòu)設(shè)計復(fù)雜程度較高，由雙環(huán)結(jié)構(gòu)、噴管擴散段以及收斂偏轉(zhuǎn)段等其他模塊共同構(gòu)成，各模塊的組成，其功能作用主要實現(xiàn)同步控制對位姿動。從發(fā)動機相關(guān)操作流程來看，各個零部件功能作用均能達到相應(yīng)結(jié)構(gòu)設(shè)計要求，保證整體裝配作業(yè)協(xié)同性、科學(xué)性，是此過程中需要給予高度重視的問題。新型噴管部件結(jié)構(gòu)中的擴散段和偏轉(zhuǎn)段，需要將其各個角度的實際轉(zhuǎn)角參數(shù)精準標定，并以發(fā)動機作為基礎(chǔ)軸線，與噴管軸線之間形成0°～20°的任意角度，并要保證與模型控制系統(tǒng)顯示的給定值范圍保持一致，防止給定公差超過規(guī)定要求界限。

2.2 技術(shù)檢測思路確定

根據(jù)航空發(fā)動機裝配作業(yè)要求，在此基礎(chǔ)上提出與制定數(shù)字化檢測技術(shù)應(yīng)用實施方案，并明確檢測過程中所涉及到數(shù)字化檢測工藝與操作流程，以PDM（Product Data Management，產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理）為載體，建立數(shù)字化工藝結(jié)構(gòu)模式，直觀呈現(xiàn)噴管虛擬裝配與協(xié)同生產(chǎn)全過程。由于新型噴管整體結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度較高，足夠的運動空間是新型噴管部件運行的關(guān)鍵要素，返工浪費的情況在航空發(fā)動機零部件裝配與檢測過程中較為常見，因此在實際檢測過程中，需要確定導(dǎo)致返工浪費問題情況出現(xiàn)的干涉因素，在檢測方案制定過程中，以系統(tǒng)平臺為基礎(chǔ)，利用虛擬裝配技術(shù)對新型噴管部件檢測流程與具體檢測實施路徑進行模擬，以模擬仿真方式發(fā)現(xiàn)干涉新型噴管部件裝配與檢測的因素，明確檢測效果最佳的數(shù)字化檢測技術(shù)應(yīng)用實施方案[1]。在實際檢測過程中，以噴管軸線為基礎(chǔ)，通過選用激光跟蹤模式實現(xiàn)對靶點坐標更加自由地轉(zhuǎn)動，將靶點相應(yīng)運行軌跡充分掌握和明確，并在此基礎(chǔ)上建立軌跡方程，借助計算機設(shè)備完成相應(yīng)計算。對比噴管360°全方位實際空間轉(zhuǎn)角值和控制系統(tǒng)所顯示的給定值二者間的偏差，將其控制在公差規(guī)定范圍內(nèi)、實際偏差不超過1°，從根本上保證新型噴管空間轉(zhuǎn)角標定工作順利開展。

數(shù)字化檢測技術(shù)應(yīng)用前提需要以數(shù)字化裝配技術(shù)為支撐，數(shù)字化裝備技術(shù)具備發(fā)動機零部件裝配質(zhì)量在線檢測功能，能夠幫助裝配人員及時發(fā)現(xiàn)干涉零部件裝配質(zhì)量的因素，提升航空發(fā)動機整體裝配效率與質(zhì)量，降低高精密度設(shè)備損壞率。作為數(shù)字化檢測技術(shù)應(yīng)用中最為關(guān)鍵的一環(huán)，VA（Virtual Assembly，虛擬裝配）技術(shù)是支持虛擬制造操作實現(xiàn)的基礎(chǔ)，此項技術(shù)的可視化特性能夠幫助裝配人員對發(fā)現(xiàn)問題進行有效調(diào)整與改進。由于傳統(tǒng)裝配技術(shù)無法滿足高精鑄度發(fā)動機零部件裝配要求，利用虛擬裝配技術(shù)對各零部件裝配流程進行仿真模擬，并結(jié)合檢測結(jié)果快速發(fā)現(xiàn)潛在問題，以此來提升航空發(fā)動機零部件裝配工藝規(guī)劃科學(xué)性，最大限度降低裝配作業(yè)中操作失誤概率。

2.3 檢測過程中難點及解決方案制定

2.3.1 檢測難點

加力筒體的安裝邊緣屬于新型噴管原有部件結(jié)構(gòu)外的機加件，剩余其他零部件均是具有高精鑄度的部件，以及鈑金焊接件，但這一類零部件有著明顯的制造公差問題，直接影響著整個發(fā)動機運行安全性與穩(wěn)定性。例如，處于運行狀態(tài)下的噴管，由多種運動部件共同支撐著，避免各運動部件產(chǎn)生相互干涉影響是保證噴管正常穩(wěn)定運行的必要條件。增強數(shù)字化檢測技術(shù)應(yīng)用科學(xué)性、實效性，有利于進一步提高噴管裝配質(zhì)量，強化裝配操作規(guī)范性，為后期噴管運行提供基礎(chǔ)保障。此方面問題成為優(yōu)化數(shù)字化檢測技術(shù)應(yīng)用方案的難點。

另外，數(shù)字化標定360°全方位范圍內(nèi)任意方向空間轉(zhuǎn)角值也是檢測過程中需要解決的難點問題。新型噴管部件結(jié)構(gòu)中擴散段在進行偏轉(zhuǎn)操作時，必須要保證控制系統(tǒng)給定值與360°全方位范圍內(nèi)任意方向空間轉(zhuǎn)角值二者始終保持一致。由于噴管結(jié)構(gòu)特殊性，促使整個標定測距工作開展存在諸多障礙，再加上難以保證基準，導(dǎo)致整個裝配檢測流程受到較大影響，雖然可以通過一定輔助工具完成此項工作，但需要在噴管空間內(nèi)部進行操作，極易因軸心丟失情況而造成更大的標定誤差，進一步加大360°全方位范圍內(nèi)的噴管空間轉(zhuǎn)動角數(shù)字化標定難度。

2.3.2 解決方案制定

基于現(xiàn)有的協(xié)同平臺系統(tǒng)，主要支撐新型噴管虛擬裝配檢測工作順利進行，借助協(xié)同平臺自身功能作用，在此基礎(chǔ)上建立服務(wù)于制造生產(chǎn)的工藝管理系統(tǒng)，并為該系統(tǒng)運行提供用于協(xié)調(diào)操作的軟件工具，以計算機網(wǎng)絡(luò)為依托，與裝配仿真軟件相結(jié)合，在TC 平臺的管理系統(tǒng)中通過創(chuàng)建仿真工具、搭建三維噴管CAD（Computer Aided Design，計算機輔助設(shè)計）模型以及明確制造生產(chǎn)中所涉及到物料清單[2]。針對新型噴管裝配作業(yè)，將與噴管結(jié)構(gòu)部件相關(guān)的數(shù)據(jù)信息、裝配資源以及操作流程緊密連接尤為關(guān)鍵，對整合資源信息、簡化裝配流程以及構(gòu)建完善且系統(tǒng)的數(shù)字化檢測工藝規(guī)劃體系有著重要作用，該工藝是實現(xiàn)平臺全面共享的核心要素。其中可視化是規(guī)劃體系中檢測工藝所具備的最大特點，可以直觀地展現(xiàn)新型噴管裝配檢測過程，同時將該過程進行仿真模擬并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)格式在TC 平臺內(nèi)部進程存儲，在此基礎(chǔ)上進一步明確新型噴管結(jié)構(gòu)部件裝配順序，并借助相關(guān)輔助軟件對其余各零部件合理分配，最終完成對新型噴管整體裝配的仿真設(shè)計，達到優(yōu)化數(shù)字化檢測工藝方案目的。

針對數(shù)字化標定360°全方位范圍內(nèi)的噴管空間動態(tài)轉(zhuǎn)角環(huán)節(jié)，由于新型噴管轉(zhuǎn)動需要在一定空間下進行，且處于動態(tài)條件下可任意角度轉(zhuǎn)動，為了確保數(shù)字化標定精準度，可以通過利用激光跟蹤測量方式輔助完成數(shù)字化標定任務(wù)，對其點的測量與坐標系創(chuàng)建是激光跟蹤測量任務(wù)的重點，有利于直接選定相應(yīng)的靶標測量點。其中在噴管角度偏轉(zhuǎn)運動中，可利用三維激光跟蹤設(shè)備對相應(yīng)靶點坐標的空間運動軌跡進行跟蹤，當(dāng)靶標運動軌跡顯示為球面體運行狀態(tài)時，檢測人員需要對其偏轉(zhuǎn)軌跡加以證明，保證與球面函數(shù)方程計算結(jié)果相一致；通過精準計算，獲得與理論模型相近的最佳參數(shù)值，高效、高質(zhì)完成對噴管空間動態(tài)轉(zhuǎn)角的數(shù)字化標定操作。

另外，在實際數(shù)字化標定噴管空間動態(tài)轉(zhuǎn)角作業(yè)開展過程中，可結(jié)合數(shù)字化測量系統(tǒng)輔助操作，計算機輔助系統(tǒng)、照相測量系統(tǒng)及三維激光定位跟蹤設(shè)備等均是數(shù)字化測量系統(tǒng)的功能模塊，在測量方面，能夠充分保證測量結(jié)果較高的精確度，最大程度上滿足高準確度、高效化跟蹤測量航空發(fā)動機各零部件的要求，實現(xiàn)掉航空發(fā)動機零部件精準性裝配?；谟嬎銠C系統(tǒng)，數(shù)據(jù)處理中心可在相關(guān)配套軟件支持下對主要裝配對象的特征進行識別，避免裝配對象與裝配順序不符情況出現(xiàn)。在設(shè)計裝配方案與公差計算環(huán)節(jié)，妥善處理檢測過程中各種反饋數(shù)據(jù)有利于為深化裝配設(shè)計方案提供參考依據(jù)[3]。對新型噴管的空間動態(tài)轉(zhuǎn)角進行標定，可以通過數(shù)字化測量系統(tǒng)對噴管具體運行數(shù)據(jù)進行收集與整合，再由數(shù)據(jù)處理中心將收集到的數(shù)據(jù)進行接收和處理，待數(shù)據(jù)分析處理完成后再準確發(fā)出各種控制指令，配合數(shù)字化跟蹤設(shè)備，對被檢測的部件實際部位加以確定及調(diào)整，切實發(fā)揮數(shù)字化檢測技術(shù)控制零部件檢測誤差功能的作用，實現(xiàn)對噴管空間動態(tài)轉(zhuǎn)角精準的標定。

2.4 數(shù)字化檢測系統(tǒng)建立

裝配質(zhì)量檢測是航空發(fā)動機零部件裝配數(shù)字化檢測技術(shù)應(yīng)用最后一環(huán)，同時是驗證數(shù)字化檢測技術(shù)應(yīng)用效果的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。為了進一步提高數(shù)字化檢測技術(shù)實際應(yīng)用水平，基于各項先進技術(shù)集成，建立數(shù)字化檢測系統(tǒng)，利用該系統(tǒng)自身功能實現(xiàn)對零部件裝配質(zhì)量檢測規(guī)劃、檢測行為的統(tǒng)一管理，明確標注各個零部件的特征、數(shù)量以及規(guī)格，并制定統(tǒng)一的檢測操作標準，要求所有參與檢測工作的人員均要嚴格執(zhí)行相關(guān)標準，避免因檢測人員在實際工作中習(xí)慣性依靠自身實踐經(jīng)驗而導(dǎo)致檢測結(jié)果不一致問題出現(xiàn)，最大限度保證檢測結(jié)果的準確性，保障航空發(fā)動機零部件裝配質(zhì)量。

在實際檢測過程中，開展檢測作業(yè)之前檢測技術(shù)人員必須完全熟悉前期所規(guī)劃的配裝檢測流程與相關(guān)檢測方案實施路徑，并與其他專業(yè)技術(shù)人員就檢測方式選擇進行溝通，確保每一步檢測操作均符合相關(guān)規(guī)定要求，盡可能降低裝配部件損壞率。同時，將收集的檢驗數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成相應(yīng)格式并導(dǎo)入數(shù)字化檢測系統(tǒng)中，傳統(tǒng)裝配技術(shù)應(yīng)用時需要人工抄錄檢測數(shù)據(jù)，極易導(dǎo)致數(shù)據(jù)填寫錯誤問題，在數(shù)字化檢測系統(tǒng)中錄入檢測數(shù)據(jù)，可以有效規(guī)避上述問題，彌補傳統(tǒng)裝配技術(shù)的不足。

另外，數(shù)字化檢測系統(tǒng)也可以根據(jù)裝配工藝提供質(zhì)量檢驗評價功能服務(wù)，系統(tǒng)將自動分析被導(dǎo)入的各項檢測數(shù)據(jù)，待檢測數(shù)據(jù)分析完成后，系統(tǒng)將為相關(guān)人員提供評價報告，報告中會顯示公差超過規(guī)定范圍信息，提醒相關(guān)人員對其問題及時進行調(diào)整，避免造成更大的損失影響，導(dǎo)致航空發(fā)動機運行穩(wěn)定性降低。其中漏檢情況也是原有航空發(fā)動機零部件檢測工作開展當(dāng)中出現(xiàn)頻率較高的問題。為切實解決此方面問題，可以通過數(shù)字化檢測系統(tǒng)自動校核導(dǎo)入的各項檢測數(shù)據(jù)信息，確認是否存在航空發(fā)動機零部件漏檢情況，消除潛在風(fēng)險隱患，從根本上保證航空發(fā)動機零部件裝配作業(yè)質(zhì)量[4]。

裝配作為航空發(fā)動機制造過程中最后一道環(huán)節(jié)，對發(fā)動機運行可靠性、安全性有著重要影響，數(shù)字化檢測系統(tǒng)的建立和應(yīng)用，可以根據(jù)裝配工藝要求完成多樣化數(shù)字化檢測應(yīng)用場景搭建，并為檢測數(shù)據(jù)實現(xiàn)高效便捷傳輸提供操作平臺，提高一線操作人員工作效率與質(zhì)量。這也說明，數(shù)字化是現(xiàn)階段航空發(fā)動機事業(yè)主流發(fā)展趨勢，有利于更好地推進業(yè)務(wù)與數(shù)字化深度融合發(fā)展，實現(xiàn)航空發(fā)動機制造生產(chǎn)全過程數(shù)字化，促進我國航空發(fā)動機事業(yè)向更高層次的發(fā)展。

3 結(jié)束語

綜上所述，數(shù)字化檢測技術(shù)的應(yīng)用，為航空發(fā)動機零部件裝配作業(yè)高質(zhì)量開展提供了強力的技術(shù)支持，不僅充分滿足高精度零部件裝配需求，同時隨著科學(xué)技術(shù)水平的不斷提高，數(shù)字化檢測技術(shù)應(yīng)用水平將得到進一步提高，切實解決制約航空發(fā)動機零部件裝配技術(shù)操作困難的問題，最大限度發(fā)揮數(shù)字化檢測技術(shù)的應(yīng)用價值。