周 爍，陳靜榮，李 琳，項宏偉，張 渝

(上海中航商用航空發(fā)動機制造有限責(zé)任公司，上海 200240)

大型商用航空發(fā)動機科研裝配線三維虛擬設(shè)計

周 爍，陳靜榮，李 琳，項宏偉，張 渝

(上海中航商用航空發(fā)動機制造有限責(zé)任公司，上海 200240)

為解決航空發(fā)動機科研裝配線二維工藝布置設(shè)計存在的局限性，首先通過對大型商用航空發(fā)動機科研裝配線的實體工藝要素三維建模，基于虛擬現(xiàn)實Unity3D開發(fā)平臺，對已有二維工藝布置方案進行三維虛擬設(shè)計，實現(xiàn)了工藝要素的補充、細化和優(yōu)化。然后對新型的總裝工藝過程進行了運動學(xué)仿真，并開發(fā)了人機交互的實時動態(tài)漫游程序。研究成果為后期車間改造、工藝布置調(diào)整提供了預(yù)演和模擬分析平臺，為企業(yè)的人員培訓(xùn)和宣傳展示提供了重要素材，也為相關(guān)的制造廠房或制造單元設(shè)計提供了技術(shù)參考和借鑒。

大型商用航空發(fā)動機;科研裝配;三維虛擬設(shè)計;工藝布置

大型商用航空發(fā)動機(LCAE)結(jié)構(gòu)尺寸大，各類單元體眾多，對裝配、運輸?shù)目臻g要求比較高。此外，由于其配合精度高，所需工藝設(shè)備和專用工裝數(shù)量較大。在科研裝配階段，因工藝方法不固定，設(shè)備和工裝的配置需要持續(xù)調(diào)整，此外，由于任務(wù)計劃經(jīng)常改變，造成裝配分解的深度和范圍難以確定。當(dāng)然，也存在大量的專項測試改裝需求?？傊槍CAE科研裝配線建設(shè)的頂層工藝方案，尤其是工藝布置設(shè)計涉及的工藝要素極其繁雜，國內(nèi)外航空發(fā)動機科研廠房多年來都經(jīng)歷過多次工藝布置調(diào)整、廠房深度改造或大規(guī)模擴建。對于LCAE科研裝配線工藝設(shè)計而言，想實現(xiàn)高效率、強柔性及低成本并舉非常困難，通常表現(xiàn)為缺乏有效的設(shè)計平臺支撐和沒有成熟的標(biāo)準(zhǔn)或經(jīng)驗用于指導(dǎo)。

針對生產(chǎn)車間的三維虛擬設(shè)計近來成果比較豐富，但大多數(shù)是對計算機應(yīng)用技術(shù)方面的研究，如幾何和行為建模、網(wǎng)絡(luò)協(xié)同、架構(gòu)設(shè)計、動畫制作方法、渲染處理技術(shù)等。車間級的三維虛擬設(shè)計按照技術(shù)層級劃分，大致可劃分為4個層次：首先是頂層的制造組織管理，如任務(wù)拓撲排序和流水節(jié)拍設(shè)計等[1]；其次是處于中間層的三維可視化工藝布置設(shè)計和優(yōu)化[2-5]；再次是底層的制造工藝過程模擬[6-7]；最后一部分是專項技術(shù)應(yīng)用，如人機工程學(xué)和產(chǎn)品碰撞分析等[8-9]。對于三維可視化工藝布置設(shè)計和優(yōu)化的相關(guān)技術(shù)，在國內(nèi)航空發(fā)動機制造領(lǐng)域的應(yīng)用仍然處于空白狀態(tài)。

目前三維虛擬設(shè)計技術(shù)在國內(nèi)外的裝備制造領(lǐng)域已經(jīng)被廣泛應(yīng)用、開發(fā)，并產(chǎn)生大量工程實踐成果。但是，在國內(nèi)航空發(fā)動機研發(fā)領(lǐng)域，三維虛擬設(shè)計技術(shù)的工程應(yīng)用工作則剛剛起步。

1 總體實施方案

虛擬制造本質(zhì)是在計算機上實現(xiàn)制造環(huán)境和過程的全面模擬,也是將實際的制造系統(tǒng)映射到計算機可視的三維環(huán)境中。因而，針對車間或生產(chǎn)線的三維虛擬設(shè)計相對傳統(tǒng)的二維工藝布置設(shè)計具有許多優(yōu)勢：首先是布局設(shè)計在三維空間內(nèi)更為直觀，進而方便專家發(fā)揮經(jīng)驗優(yōu)勢；其次是空間設(shè)計精度更高；再次是方便進行工位級的全方位詳細布置設(shè)計，包括工裝、設(shè)備、工件、人員、工位器具等所有工藝要素；最后，三維虛擬設(shè)計成果作為一個仿真平臺，拓展性好，可以進行其他工藝過程模擬、綜合生產(chǎn)指標(biāo)分析等工作。另一方面，車間或生產(chǎn)線的三維虛擬設(shè)計也具有一定劣勢，比如虛擬環(huán)境建模成本高，周期長，涉及眾多仿真、交互、渲染處理技術(shù)，也需要繁雜的工藝要素輸入。而傳統(tǒng)的二維工藝布置設(shè)計雖然比較粗放，缺乏三維空間內(nèi)的精準(zhǔn)定量計算和預(yù)測功能，但對技術(shù)輸入要求較低，只需生產(chǎn)大綱和工藝路線、主要設(shè)備配置等少量的關(guān)鍵工藝要素。因而，二維工藝布置適合初期的方案設(shè)計，并作為生產(chǎn)線三維虛擬設(shè)計的基礎(chǔ)。

針對LCAE科研裝配線的三維虛擬設(shè)計需要利用二維工藝布置設(shè)計結(jié)果，此外還應(yīng)考慮發(fā)動機結(jié)構(gòu)設(shè)計和裝配工藝設(shè)計的進展，科研階段產(chǎn)品構(gòu)型和工藝方法多變、不確定的特點，以及由產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計更改引起的眾多工藝要素調(diào)整情況。因此，該項工作內(nèi)容繁雜，需要制定系統(tǒng)的頂層規(guī)劃和明確的實施方案。裝配線虛擬設(shè)計的目標(biāo)不應(yīng)局限于全面、直觀和精準(zhǔn)地展現(xiàn)制造要素和工藝方案，更重要的是實現(xiàn)一個高度開放、易于拓展和更新的平臺系統(tǒng)。針對LCAE科研裝配線三維虛擬設(shè)計項目的總體實施方案如圖1所示。

2 LCAE科研裝配線三維虛擬設(shè)計

2.1三維建模

LCAE科研裝配線三維虛擬設(shè)計的第一步工作是進行廠房二維工藝布置。在二維布置設(shè)計中，確定了廠房功能區(qū)劃分，如功能區(qū)數(shù)量、面積和位置，主要工藝設(shè)備的安裝位置及基本物流方案?；诙S工藝布置設(shè)計結(jié)果，啟動三維虛擬設(shè)計，主要技術(shù)內(nèi)容和流程如圖2所示。

對各種工藝要素的三維實體建模是重要的基礎(chǔ)性工作。廠房實體建?；诮ㄖO(shè)計圖樣在3Dmax平臺內(nèi)設(shè)計完成，主要包括地面、墻體、梁柱和頂棚。標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備建模參考產(chǎn)品外觀圖樣；針對非標(biāo)設(shè)備的建模，主要是根據(jù)同類設(shè)備外部形式和尺寸繪制三維實體，或者委托設(shè)備供應(yīng)商，根據(jù)發(fā)動機設(shè)計技術(shù)需求，進行方案設(shè)計，然后根據(jù)方案設(shè)計結(jié)果繪制三維實體。工裝建模參考成熟民用航空發(fā)動機的典型工裝結(jié)構(gòu)形式和外廓尺寸，如大尺寸的支撐/吊裝類工裝與限動夾具。所有設(shè)備和工裝的三維建模均在UG軟件平臺內(nèi)完成。發(fā)動機三維模型直接使用UG設(shè)計數(shù)模。工位器具，如各類運輸車、工具柜、貨架、工作平臺等均參考當(dāng)前國內(nèi)的主流發(fā)動機制造廠現(xiàn)有配置規(guī)格。

2.2三維可視化詳細設(shè)計

對于LCAE科研裝配線的三維可視化詳細設(shè)計，首先需要在Unity3D平臺內(nèi)建立項目文件，導(dǎo)入廠房模型，添加天地空間背景，實現(xiàn)天空和地面虛擬效果。建立三維場景，并設(shè)置光照，加載紋理和材質(zhì)。然后對三維模型進行格式轉(zhuǎn)化，形成STL(快速構(gòu)型建模技術(shù)——以點和三角形替代物體外廓)文件，接著陸續(xù)添加其他的工藝要素，并進行貼圖。其中，根據(jù)工藝設(shè)備用途和各個工段的功能定位，將工藝設(shè)備在各個工段進行初步布置：部裝和總裝區(qū)的設(shè)備布置以平行單列形式為主，平衡區(qū)采用平行雙列形式，在設(shè)備較多的試驗間采用U型布置形式。

三維可視化詳細設(shè)計的主要內(nèi)容是根據(jù)最新的工藝規(guī)程編制結(jié)果和成熟發(fā)動機裝配現(xiàn)場布置經(jīng)驗，對各個工段內(nèi)的工位進行設(shè)備、工裝、工位器具、存放周轉(zhuǎn)區(qū)和人/物流通道的布置設(shè)計。由于各個功能區(qū)承擔(dān)不同工藝分工，其工位的布置設(shè)計具有不同特點：1)部裝區(qū)，該區(qū)設(shè)備少、工位器具多、人員多、臨時存放/周轉(zhuǎn)區(qū)面積大;2)平衡區(qū)，該區(qū)大型設(shè)備多，不僅要考慮各個平衡設(shè)備之間的位置關(guān)系以及與相鄰部裝區(qū)的物流效率，還應(yīng)注意設(shè)備方位與吊車走向之間的關(guān)系(如臥式平衡機主軸應(yīng)該與吊車電動葫蘆走向垂直)，并預(yù)留后期新增設(shè)備的安置空間;3)倉儲區(qū)，由于貨架和自動立體庫體積龐大，重點進行采光和物流線路設(shè)計。圖3～5分別為三維虛擬設(shè)計后的部裝工段、平衡區(qū)和倉儲區(qū)的局部效果圖。

發(fā)動機總裝工作包含兩部分：主機裝配和外部裝配。相對于主機裝配，外部裝配的工作量大，技術(shù)成熟度較高。而主機裝配，即主單元體之間的精確安裝是總裝工藝核心技術(shù)內(nèi)容，也是當(dāng)前發(fā)動機裝配的主要工藝難點和薄弱點。所以總裝區(qū)的工藝布置設(shè)計非常關(guān)鍵，其中大部件吊裝、姿態(tài)調(diào)整的空間和通道預(yù)留是重中之重。考慮到傳統(tǒng)的總裝采用上部吊車和手工調(diào)節(jié)的對接安裝方式在精度、剛性、可靠性方面的缺點，以及先進發(fā)動機更為精準(zhǔn)的聯(lián)接配合(間隙、過盈)要求和未來數(shù)字化、智能化制造的發(fā)展趨勢，采用激光引導(dǎo)的軌道小車對接平臺系統(tǒng)應(yīng)該是先進LCAE總裝平臺的主要結(jié)構(gòu)形式。

對上述新型總裝工藝過程進行三維模擬的步驟如下：首先對發(fā)動機單元體、軌道小車對接平臺系統(tǒng)和支撐工裝進行三維建模；然后通過參考坐標(biāo)系/局部坐標(biāo)系進行重新定義和變換，實現(xiàn)裝配過程的參數(shù)化運動學(xué)仿真模擬；其次，對工藝過程中的其他設(shè)施需求進行統(tǒng)計分類，如工具柜、工作平臺、運輸車、登高架等工位器具，并進行建模。最后，根據(jù)裝配工藝技術(shù)需求，對該總裝工段的工位器具布置、人員操作和通行空間進行三維設(shè)計，其中應(yīng)考慮主單元體運輸、吊裝和臨時存儲的空間需求?？傃b工段的工藝布置結(jié)果如圖6所示。

2.3三維可視化專項設(shè)計

工位詳細設(shè)計完成后，需要考慮眾多的其他專項需求：比如根據(jù)信息化建設(shè)需求配置于廠房立柱和墻體的信息端口、視頻監(jiān)控攝像頭、報警器、大屏幕顯示屏等；為滿足EHS(環(huán)境健康安全)要求，在各個工段設(shè)置洗眼處；在承力柱、運輸通道、大門等關(guān)鍵部位增加防撞保護措施；在大門外側(cè)增設(shè)卸貨區(qū)，防止污染進入廠房內(nèi)部。

3 視頻動畫和漫游程序開發(fā)

通過導(dǎo)航路線設(shè)計和視點設(shè)置(三維坐標(biāo)、視景范圍和空間朝向)，在上述虛擬廠房設(shè)計的基礎(chǔ)上，制作了自動播放視頻動畫，形成AVI文件。導(dǎo)航路線以完整的裝配流程作為主線，描述了從卸貨區(qū)、入庫驗收、集件配套、組件裝配、單元體裝配、主單元體裝配、總裝，直至發(fā)動機運輸至試車臺的全制造過程，并對關(guān)鍵工藝過程進行特寫和多角度展示，為后期的員工多媒體培訓(xùn)及公司宣傳展示提供素材。為進一步增強現(xiàn)場沉浸感和互動性，通過定義導(dǎo)航節(jié)點(確定瀏覽速度和漫游方式)，在虛擬廠房設(shè)計平臺的基礎(chǔ)上開發(fā)了人機交互的實時漫游程序，形成Assets文件。為提高廠房虛擬環(huán)境的三維視覺效果，使用層次細節(jié)LOD(level of detail)技術(shù)對廠房內(nèi)部所有實體要素設(shè)置多級細節(jié)顯示模型，進而使視點與某實體要素的距離發(fā)生變化時，顯示該實體不同的細節(jié)模型。最后以貼圖的方式對廠房外觀進行了紋理映射。漫游程序?qū)崿F(xiàn)以鼠標(biāo)操控方式對廠房及周邊環(huán)境內(nèi)任意位置和所有實體的瀏覽，并支持局部縮放功能。圖7所示為實時漫游程序初始界面。

4 結(jié)束語

本文使用虛擬現(xiàn)實Unity3D開發(fā)平臺，完成裝配車間的三維虛擬設(shè)計，實現(xiàn)了工藝要素的補充、細化和優(yōu)化。鑒于科研階段的發(fā)動機構(gòu)型和工藝方法需要經(jīng)歷持續(xù)的更改和完善，虛擬車間內(nèi)的工藝要素，如設(shè)備、工裝也需要做相應(yīng)的補充或刪減，并根據(jù)經(jīng)驗和現(xiàn)場使用情況進行重新布置和優(yōu)化。因而，本文闡述的LCAE科研裝配線虛擬設(shè)計成果，主要是提供一個平臺系統(tǒng)，實現(xiàn)廠房內(nèi)制造要素的高效、直觀的三維設(shè)計；另一方面，國內(nèi)外航空發(fā)動機科研裝配廠房多年來都經(jīng)歷過多次的工藝布置調(diào)整、廠房深度改造或大規(guī)模擴建，所以針對LCAE科研裝配廠房的工藝設(shè)計不會存在固定的最優(yōu)解，只能伴隨研制工作做持續(xù)的改進和完善。

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The design of 3D virtual assembly line for large commercial aircraft engine

ZHOU Shuo, CHEN Jingrong, LI Lin,XIANG Hongwei, ZHANG Yu

(Shanghai AVIC Commercial Aircraft Engine Manufacturing Company Co., Ltd., Shanghai, 200240, China)

It analyzes the persistent instability of production configuration for the aero engine R&D assembly line, proposes the remarkable variability process and large uncertainty of task plan. It designs the 3D physical process elements in large commercial aero-engine (LCAE) R&D assembly line, utilizes virtual and reality to develop platform of unity3D, realizes the process elements addition，shows the detail about design and optimization based on the existed 2D process layout scheme. It establishes a novel final assembly process kinematics model on this platform, develops the interactive real-time walk-through program. The method can provide the prognosis and simulation platform for later potential workshop modification and plant layout improvement, serve as the recruit multimedia training material and enterprise exhibition video, assist other manufacturing plant or cell design.

large commercial aircraft engine; research assembly;3 dimension virtual design; process layout

10.3969/j.issn.2095-509X.2015.05.006

2015-03-09

周爍 (1975—), 男，遼寧鐵嶺人，上海中航商用航空發(fā)動機制造有限責(zé)任公司高級工程師，主要研究領(lǐng)域為航空發(fā)動機裝配工藝設(shè)計和先進制造技術(shù)。

TP34

B

2095-509X(2015)05-0023-05