□ 唐嘉鴻 □ 譚青春

1.中國航發(fā)商用航空發(fā)動機有限責(zé)任公司 上海 201306 2.上海聯(lián)宏創(chuàng)能信息科技有限公司 上海 200125

1 研究背景

當(dāng)前,世界商用航空發(fā)動機市場主要被通用電氣、羅爾斯·羅伊斯、普惠三大航空發(fā)動機制造商壟斷。我國商用航空發(fā)動機研制起步相對較晚,隨著大飛機專項和兩機專項等多項利好政策的實施,我國商用航空發(fā)動機產(chǎn)業(yè)迎來了重要的歷史機遇,我國國產(chǎn)商用航空發(fā)動機研制工作近些年也取得了階段性成果[1-2]。

航空發(fā)動機屬于高精尖工業(yè)科技產(chǎn)品,對零部件質(zhì)量、精度及整體裝配精度有非常高的要求。為了提高航空發(fā)動機產(chǎn)品的質(zhì)量,在裝配過程中需要應(yīng)用大量專用輔助工裝。目前,我國商用航空發(fā)動機領(lǐng)域正在通過數(shù)字化工藝設(shè)計系統(tǒng)的建設(shè),來支撐航空發(fā)動機裝配工藝設(shè)計業(yè)務(wù),并且基本實現(xiàn)了基于模型設(shè)計的結(jié)構(gòu)化裝配工藝設(shè)計與管理。但是,對于裝配工裝的可裝配性和可靠性問題,仍然主要依靠工裝設(shè)計人員的經(jīng)驗進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計,并進(jìn)行結(jié)構(gòu)強度估算,然后由人工檢查工裝與產(chǎn)品間是否存在干涉,從而導(dǎo)致部分潛在問題直到車間物理試生產(chǎn)時才被發(fā)現(xiàn)[3-5]。由于專用工裝是根據(jù)具體裝配工序或工步的實際應(yīng)用而提出的,因此工裝的需求及設(shè)計往往遲滯于裝配工藝的設(shè)計,為了提高航空發(fā)動機產(chǎn)品的研發(fā)效率,需要盡早提出工裝需求[6-7]。

航空發(fā)動機產(chǎn)品裝配工藝及工裝設(shè)計的合理性會極大影響生產(chǎn)現(xiàn)場的效率和產(chǎn)品裝配質(zhì)量,需要構(gòu)建集裝配工藝設(shè)計和裝配工藝干涉仿真、裝配工裝結(jié)構(gòu)仿真于一體的數(shù)字化環(huán)境,實現(xiàn)物理樣機驗證向數(shù)字樣機驗證的轉(zhuǎn)變,用數(shù)字化方法驗證產(chǎn)品裝配系統(tǒng)的可行性[8-10]。為了提高商用航空發(fā)動機工裝的可裝配性和設(shè)計可靠性,筆者基于數(shù)字化技術(shù),對航空發(fā)動機工藝、工裝快速設(shè)計、仿真協(xié)同管理展開研究,提出工裝設(shè)計優(yōu)化方法,從整體上縮短裝配工藝準(zhǔn)備周期,提高裝配工藝質(zhì)量,滿足實際生產(chǎn)制造要求。

2 工裝預(yù)設(shè)計關(guān)鍵點

為了更優(yōu)地進(jìn)行商用航空發(fā)動機專用工裝設(shè)計,要基于專家系統(tǒng)的基本原理[11-12],預(yù)先設(shè)計專用的資源庫、評價規(guī)則、執(zhí)行邏輯等,以保證專用工裝快速、可靠設(shè)計的實現(xiàn)。

筆者通過工廠一線制造調(diào)研及整體分析研究,提出工裝優(yōu)化設(shè)計最核心的四部分預(yù)設(shè)內(nèi)容:知識庫建設(shè),裝配工藝成熟度定義與管理,工裝設(shè)計成熟度定義與管理,計算機輔助工程結(jié)構(gòu)仿真管理。

2.1 知識庫建設(shè)

為了實現(xiàn)商用航空發(fā)動機專用工裝的快速設(shè)計,需要有針對性地建立知識庫,主要包括工裝設(shè)計資源庫、工裝結(jié)構(gòu)仿真資源庫和裝配過程仿真資源庫三個部分。

工裝設(shè)計資源庫需基于NX軟件進(jìn)行建模,具體包括梳理關(guān)鍵尺寸創(chuàng)建表達(dá)式、繪制標(biāo)準(zhǔn)模型、驗證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性等。工裝設(shè)計基于Teamcenter軟件進(jìn)行資源存儲和分類管理[13],并映射至NX軟件重用庫,便于工程師進(jìn)行檢索、調(diào)用。資源庫包括工裝標(biāo)準(zhǔn)件庫、零件模板庫、工裝模板庫、單元構(gòu)建庫、特征庫、裝配序列庫、工裝快速設(shè)計資源庫等,創(chuàng)建零件模型界面如圖1所示。

▲圖1 創(chuàng)建零件模型界面

構(gòu)建工裝結(jié)構(gòu)仿真資源庫,根據(jù)具體需要,創(chuàng)建一定數(shù)量重用度較高的典型零部件計算機輔助工程網(wǎng)格模型,建立計算機輔助工程通用件庫,實現(xiàn)新仿真對已有計算機輔助工程庫的高效重用。筆者在商用航空發(fā)動機專用工裝設(shè)計方法研究中梳理了50個重用度高的模型作為仿真支撐。工裝結(jié)構(gòu)仿真資源庫構(gòu)建流程如圖2所示。

▲圖2 工裝結(jié)構(gòu)仿真資源庫構(gòu)建流程

構(gòu)建裝配過程仿真資源庫,需建立假人庫、人體姿態(tài)庫、設(shè)備庫、產(chǎn)線庫、運動學(xué)工裝模板等內(nèi)容,基于Tecnomatix軟件[14-15],結(jié)合具體裝配過程仿真需求,提供虛擬三維環(huán)境來設(shè)計和優(yōu)化手工操作。建立及調(diào)用人體姿態(tài)界面如圖3所示。

2.2 裝配工藝成熟度定義與管理

引入裝配工藝的目的在于工藝工程師在進(jìn)行裝配工藝設(shè)計時,可以根據(jù)不同的成熟度對歷史工藝進(jìn)行借用或重用,提高裝配工藝設(shè)計的效率。

工藝成熟度根據(jù)相關(guān)屬性進(jìn)行評級,屬性設(shè)有八種,分別為穩(wěn)定性、驗證充分性、可檢測性、可操作性、繼承性、適用性、防差錯性、經(jīng)濟(jì)性,每個屬性設(shè)有四個等級,對應(yīng)設(shè)置為1分～4分。按照成熟度對象的屬性等級,將分?jǐn)?shù)相加,最低分為8,最高分為32。

定義工藝成熟度對象屬性,工藝結(jié)構(gòu)歸檔以后,在Teamcenter軟件中可查看對應(yīng)工藝的成熟度。

▲圖3 建立及調(diào)用人體姿態(tài)界面

2.3 工裝設(shè)計成熟度定義與管理

根據(jù)實際生產(chǎn)需求,工裝成熟度定義為對整套工裝進(jìn)行評級,并且將成熟度作為一種查詢維度,可以在庫中運用成熟度對工裝快速查詢、重用及借用。裝配中心在設(shè)計工藝時引用工裝,可以根據(jù)成熟度來判斷是否需要申請新工裝。

按照工裝設(shè)計的符合性,將工裝設(shè)計成熟度劃分為六個方面進(jìn)行評估,每個方面按低、中、高依次打分1分、2分、3分,總和最高18分,最低6分,從而便于判斷工裝實物是否便于加工,是否成功應(yīng)用于多個商用航空發(fā)動機型號的裝配生產(chǎn),操作是否友好,是否易于拓展等。

工裝設(shè)計成熟度六方面見表1。

表1 工裝設(shè)計成熟度六方面

基于成熟度的工裝設(shè)計管理在Teamcenter軟件中實現(xiàn),工裝產(chǎn)品數(shù)據(jù)成熟度可以為相關(guān)工作的協(xié)同提供依據(jù)。

2.4 計算機輔助工程結(jié)構(gòu)仿真管理

使用NX軟件計算機輔助工程模塊對工裝設(shè)計數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力學(xué)仿真,并將仿真所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)保存至Teamcenter軟件,通過Teamcenter for Simulation模塊進(jìn)行管理。計算機輔助工程仿真過程數(shù)據(jù)追溯如圖4所示。

▲圖4 計算機輔助工程仿真過程數(shù)據(jù)追溯

3 工裝設(shè)計方法優(yōu)化

3.1 關(guān)鍵設(shè)計場景

對于筆者所研究的商用航空發(fā)動機工裝設(shè)計,結(jié)合實際生產(chǎn)任務(wù)分析,總體可以分為結(jié)構(gòu)一致工裝的重用設(shè)計、結(jié)構(gòu)類似工裝的重用設(shè)計、全新設(shè)計三種場景。結(jié)構(gòu)一致工裝的設(shè)計最為方便快捷,可以直接基于工裝資源庫快速設(shè)計及仿真分析,生成圖紙與報告。結(jié)構(gòu)類似工裝的重用設(shè)計需基于重用特征庫和零件模板進(jìn)行迭代,完成設(shè)計。全新設(shè)計可以根據(jù)需求調(diào)用資源庫,構(gòu)建零件與裝配設(shè)計,完成計算機輔助工程分析及Tecnomatix軟件動態(tài)仿真分析。

3.2 工裝模板

完整的工裝模板數(shù)據(jù)包括計算機輔助工程仿真數(shù)據(jù)、計算機輔助設(shè)計數(shù)據(jù)。計算機輔助設(shè)計數(shù)據(jù)包括參數(shù)化三維模型、三維尺寸標(biāo)注、三維模型所對應(yīng)的主模型工程圖。計算機輔助工程仿真數(shù)據(jù)包括仿真模型、有限元網(wǎng)格模型、理想化幾何模型。

基于計算機軟件集成環(huán)境,構(gòu)建工裝總裝配部件。航空發(fā)動機模型龐大,實際作業(yè)時,在保證航空發(fā)動機設(shè)計坐標(biāo)方位的前提下,按需選擇必要的零部件作為設(shè)計參考。根據(jù)工裝具體功能、結(jié)構(gòu)特點,梳理工裝模板的各個模塊,進(jìn)行工裝參數(shù)化零件建模、裝配、出圖、檢查工作。部分工裝模板見表2。

表2 部分工裝模板

3.3 主要工裝部件設(shè)計

以核心工裝部件承壓工裝為例,承壓工裝主要用于對航空發(fā)動機后承力機匣組件進(jìn)行裝配,基于工裝模板和重用設(shè)計原理,可以快速可靠地對其進(jìn)行計算機輔助設(shè)計模型設(shè)計。首先進(jìn)行承壓工裝關(guān)鍵參數(shù)梳理,明確可變尺寸和固化尺寸,梳理對象包括固定后機匣的螺栓孔中心線直徑等。然后對可變尺寸定義可驅(qū)動參數(shù),構(gòu)建參數(shù)化模型。接著基于NX軟件產(chǎn)品工作模板室模塊,對可變參數(shù)進(jìn)行交互式界面創(chuàng)建、封裝。最后將封裝后的模板導(dǎo)入Teamcenter軟件分類庫,進(jìn)行存儲。將構(gòu)建好的工裝模型發(fā)送至NX軟件計算機輔助工程模塊,進(jìn)行分析。

承壓工裝計算機輔助設(shè)計模型如圖5所示，承力機匣組件裝配計算機輔助設(shè)計模型如圖6所示。

▲圖5 承壓工裝計算機輔助設(shè)計模型▲圖6 承力機匣組件裝配計算機輔助設(shè)計模型

3.4 工裝結(jié)構(gòu)仿真分析

基于NX軟件的計算機輔助設(shè)計、工程一體化平臺,對承壓工裝進(jìn)行分析處理和求解。在計算機輔助工程環(huán)境中,明確主體分析對象,對幾何數(shù)據(jù)模型進(jìn)行清理,刪除非承力結(jié)構(gòu)零件及對承力結(jié)構(gòu)剛度影響微弱的零件,如承壓工裝中的螺栓、銷釘、吊環(huán)、刻度尺等,并刪除圓角,完成縫合邊、面等幾何簡化處理。進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分,賦予材料屬性,施加載荷與約束,建立工況,然后進(jìn)行求解計算。

承壓工裝位移云圖如圖7所示,承壓工裝應(yīng)力云圖如圖8所示。從有限元分析求解結(jié)果中可以看出,承壓工裝的最大位移為1.445 mm,關(guān)鍵部位最大應(yīng)力為788.99 MPa,遠(yuǎn)小于失效閾值,由此驗證承壓工裝的設(shè)計是有效且可靠的。

▲圖7 承壓工裝位移云圖▲圖8 承壓工裝應(yīng)力云圖

4 裝配過程仿真

4.1 工裝與航空發(fā)動機裝配

首先要明確航空發(fā)動機目標(biāo)部分的零件裝配順序及裝配工藝,將信息以裝配工藝結(jié)構(gòu)清單的形式發(fā)送至Tecnomatix軟件進(jìn)行仿真,檢查干涉情況,同時基于工程網(wǎng)絡(luò)圖來明確每項工藝的開始時間、結(jié)束時間和完成該工藝所需的時間,以及工藝之間的關(guān)系和完成整個裝配工藝的關(guān)鍵路徑。

然后克隆裝配線,Teamcenter軟件提供了基于產(chǎn)品、工藝、產(chǎn)線、生產(chǎn)資源的數(shù)據(jù)管理模型,將產(chǎn)品、工藝、工廠、生產(chǎn)資源統(tǒng)一在一個數(shù)據(jù)模型中,每個工位下需要掛載的該工位所包含的設(shè)備、工裝、夾具等組件,都具有三維輕量化模型。導(dǎo)入工裝數(shù)據(jù),發(fā)送至Tecnomatix軟件進(jìn)行仿真,基于工裝運動機構(gòu)的定義分析所設(shè)計完成的工裝與工件的裝配過程,檢驗工裝與工件是否干涉,分析工裝的可行性。

以承壓工裝為例,在Tecnomatix軟件中設(shè)置各部件運動仿真定義,將承壓工裝放置在旋轉(zhuǎn)架上,并調(diào)節(jié)位姿。將發(fā)動機后承力機匣組件放置到承壓工裝承載結(jié)構(gòu)上,固定后旋轉(zhuǎn)至所需裝配角度及工位,進(jìn)行裝配操作。

基于Tecnomatix軟件仿真過程,可以檢查所有干涉情況,并能夠明確表達(dá)裝配工藝,對航空發(fā)動機車間裝配具有重要的指導(dǎo)作用。承壓工裝仿真分析如圖9所示。

▲圖9 承壓工裝仿真分析

通過工藝仿真模塊建立工裝可行性人因仿真,基于人因工程分析建立工裝多個成熟度檢查,從工裝與基本件的裝配干涉仿真、擰緊工裝仿真、關(guān)鍵工藝點仿真、人機可視性與可達(dá)性仿真、人因疲勞度分析、人因力量評估等方面驗證工裝的可行性。基于人因工程分析可以充分考慮現(xiàn)場工作人員的工作環(huán)境,適當(dāng)增加助力設(shè)備、吊具等,以避免工作人員因現(xiàn)場設(shè)置不合理而導(dǎo)致工傷。

4.2 工裝計算機輔助制造機床仿真

筆者在研究中進(jìn)行了數(shù)控機床集成仿真驗證及加工計算機輔助制造數(shù)據(jù)管理兩部分內(nèi)容。數(shù)控機床集成仿真驗證包括機床仿真模型測繪、機床運動學(xué)關(guān)系定義等,能夠在NX軟件計算機輔助制造環(huán)境下完成加工程序的驗證及調(diào)試,通過建立真實數(shù)控機床三維模型,以及與現(xiàn)場加工資源相匹配的工裝夾具、刀具等真實模型,實現(xiàn)在軟件虛擬環(huán)境中真實模擬車削、銑削、磨削加工狀態(tài),確保工裝零件加工程序安全可靠,杜絕編程錯誤所造成的事故。

5 結(jié)束語

筆者通過對商用航空發(fā)動機的實際生產(chǎn)制造進(jìn)行問題和需求分析,提出一套工裝設(shè)計優(yōu)化方法?；趯＜蚁到y(tǒng)思路,創(chuàng)新定義了預(yù)設(shè)計專用資源庫,以及成熟度評價規(guī)則,通過NX、Teamcenter、Tecnomatix等軟件聯(lián)合,實現(xiàn)了集快速設(shè)計、計算機輔助工程分析、動態(tài)仿真分析、計算機輔助制造于一體的專用工裝設(shè)計方法,在中國商發(fā)商用航空發(fā)動機公司已經(jīng)初步實施應(yīng)用。對于典型專用工裝而言,這一方法可以提高50%效率,工裝及過程可靠性得到進(jìn)一步保障。