滕偉斌 王修專 儲(chǔ)松林 侯 偉 楊志逸

（中國(guó)航發(fā)控制系統(tǒng)研究所，無(wú)錫 214063）

航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油附件產(chǎn)品，屬于特殊使用工況下的復(fù)雜產(chǎn)品，構(gòu)成零部件小，數(shù)量多、裝配復(fù)雜且裝配精度要求高。隨著3D技術(shù)在設(shè)計(jì)、制造端的應(yīng)用，使得航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油附件產(chǎn)品結(jié)構(gòu)更加靈活復(fù)雜，因此對(duì)其設(shè)計(jì)方案可裝配拆卸性、使用及維護(hù)維修性提出了更高要求[1]。

虛擬裝配技術(shù)是虛擬制造技術(shù)的關(guān)鍵組成部分，在沒有真實(shí)產(chǎn)品零部件和工藝裝備資源情況下，能夠基于數(shù)字模型，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行虛擬裝配工藝設(shè)計(jì)、驗(yàn)證及工程決策，是一種高效、低成本的輔助設(shè)計(jì)技術(shù)[2]。虛擬裝配技術(shù)運(yùn)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油附件產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段，可提高裝配、維護(hù)維修工藝及過(guò)程仿真驗(yàn)證工作效率，實(shí)現(xiàn)功能設(shè)計(jì)和工藝設(shè)計(jì)同步研發(fā)目標(biāo)，縮短航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油附件產(chǎn)品設(shè)計(jì)迭代周期，降低加工試制成本[3]。

虛擬裝配技術(shù)在汽車、船舶、航空航天、核電、先進(jìn)制造等領(lǐng)域取得了快速發(fā)展和應(yīng)用，波音、空客等航天公司采用虛擬裝配仿真與優(yōu)化技術(shù)，取得了顯著經(jīng)濟(jì)效益，如空客典型零部件裝配周期縮短了60%，裝配工藝設(shè)計(jì)周期縮短了30%～50%，裝配成本減少了20%～30%；再例如洛克希德馬丁空間公司和美國(guó)航天局合作，運(yùn)用虛擬裝配技術(shù)，對(duì)獵戶座宇宙飛船進(jìn)行了人機(jī)工程模擬仿真分析；福特公司利用虛擬裝配技術(shù)，使得福特汽車設(shè)計(jì)改動(dòng)減少了20%，同時(shí)開發(fā)周期也從36周縮短至24周[4-7]。我國(guó)某型運(yùn)載火箭在設(shè)計(jì)、制造階段采用虛擬裝配技術(shù)，在虛擬環(huán)境中對(duì)火箭進(jìn)行裝配仿真，大大提升了研發(fā)速率；另外，國(guó)內(nèi)多家飛機(jī)、航空發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)單位通過(guò)搭建多通道虛擬視景系統(tǒng)，完成了飛機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)完整虛擬數(shù)字樣機(jī)交互式漫游展示[8]。

為了解決航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油附件產(chǎn)品因結(jié)構(gòu)靈活、使用工況復(fù)雜帶來(lái)的裝配拆卸、維護(hù)維修困難等技術(shù)難題，在某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油泵-調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)研發(fā)過(guò)程中，引入虛擬裝配技術(shù)，并運(yùn)用Process Simulation虛擬仿真平臺(tái)進(jìn)行設(shè)計(jì)方案裝配拆卸性、維護(hù)維修性虛擬仿真分析，不斷優(yōu)化迭代設(shè)計(jì)模型，使燃油-泵調(diào)節(jié)器在滿足使用技術(shù)要求的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)裝配拆卸、維護(hù)維修工藝最優(yōu)化。

1 Process Simulation虛擬裝配仿真平臺(tái)

Process Simulation是一款面向三維場(chǎng)景構(gòu)建、渲染、編輯的虛擬裝配仿真平臺(tái)，主要包括虛擬場(chǎng)景構(gòu)建基礎(chǔ)模塊、3D模型輕量化導(dǎo)入模塊、虛擬裝配操作定義模塊、虛擬裝配仿真模塊和人因工程分析模塊等部分，可用于進(jìn)行產(chǎn)品裝配工藝設(shè)計(jì)仿真、人機(jī)功效仿真分析等工作。

虛擬裝配操作定義模塊與虛擬裝配仿真模塊的主要功能是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品零組件裝配先后順序、裝配路徑規(guī)劃和仿真；同時(shí)可引入裝配工藝裝備，進(jìn)行工裝夾具和產(chǎn)品零組件可達(dá)性、干涉性仿真分析工作；人因工程分析模塊功能是在虛擬裝配操作定義模塊與虛擬裝配仿真模塊基礎(chǔ)上，引入虛擬數(shù)字人體模型，根據(jù)人體工程學(xué)原理，提升裝配、維護(hù)維修效率。

2 燃油附件的結(jié)構(gòu)和裝配難題

燃油泵—調(diào)節(jié)器作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)典型燃油附件產(chǎn)品，主要由泵模塊和調(diào)節(jié)計(jì)量模塊組成，某型燃油泵—調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中齒輪泵模塊主體由齒輪組件、殼體組件及傳動(dòng)組件構(gòu)成，主要作用是燃油增壓，為計(jì)量模塊和發(fā)動(dòng)機(jī)燃油系統(tǒng)提供維持正常工作的高壓燃油；計(jì)量模塊主要由殼體組件、定壓組件、增壓組件和計(jì)量組件組成，主要作用是調(diào)節(jié)齒輪泵輸出燃油壓力及流量。

圖1 燃油泵—調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)圖

燃油泵—調(diào)節(jié)器產(chǎn)品由于其自身結(jié)構(gòu)復(fù)雜、緊湊和使用工況特殊等特點(diǎn)，在裝配過(guò)程中主要具有以下幾項(xiàng)技術(shù)難點(diǎn)：第一，燃油泵-調(diào)節(jié)器零組件多達(dá)300多個(gè)，零組件尺寸小且外形相似，如每一處活門組件中，就有多處尺寸極為接近的密封件，如圖2所示。計(jì)量活門組件的3處密封圈絲徑均為2mm，外徑相差不超過(guò)1mm，且一般活門組件尺寸也較為接近，極易導(dǎo)致燃油泵調(diào)節(jié)器在裝配過(guò)程中容易出現(xiàn)零部件混淆而導(dǎo)致裝配錯(cuò)誤現(xiàn)象出現(xiàn)，需要制定規(guī)范的裝配工藝文件來(lái)避免錯(cuò)裝漏裝等裝配錯(cuò)誤；第二，燃油泵-調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)緊湊，需要驗(yàn)證裝配工具是否達(dá)到要求、裝配操作是否可視；第三，燃油泵-調(diào)節(jié)器使用工況特殊，往往需要快速維修，因此需要驗(yàn)證設(shè)計(jì)是否可快速維護(hù)維修。

圖2 計(jì)量活門組件圖

3 燃油附件虛擬裝配仿真

針對(duì)燃油泵—調(diào)節(jié)器產(chǎn)品裝配技術(shù)難點(diǎn)，在設(shè)計(jì)驗(yàn)證階段可引入虛擬裝配技術(shù)：首先對(duì)該型航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油泵-調(diào)節(jié)器進(jìn)行了虛擬裝配順序、路徑規(guī)劃及可達(dá)性進(jìn)行仿真分析；其次，就燃油泵—調(diào)節(jié)器試驗(yàn)臺(tái)架拆卸過(guò)程進(jìn)行人機(jī)功效仿真分析。

3.1 裝配順序、路徑仿真規(guī)劃

裝配仿真規(guī)劃過(guò)程是在虛擬裝配環(huán)境下的工作坐標(biāo)系（包括產(chǎn)品坐標(biāo)系、零組件坐標(biāo)系和空間坐標(biāo)系）中，對(duì)裝配（拆卸）零組件實(shí)現(xiàn)沿X、Y、Z三軸平移和旋轉(zhuǎn)，形成空間三維裝配路徑，從而完成裝配動(dòng)作定義。這一過(guò)程中，以實(shí)現(xiàn)部件模塊化裝配、拆卸“移動(dòng)路徑最簡(jiǎn)單、最短”為最優(yōu)判定準(zhǔn)則，依次完成對(duì)所有零部件虛擬裝配，隨后即可調(diào)用虛擬裝配仿真模塊，進(jìn)行虛擬裝配仿真驗(yàn)證，對(duì)零部件之間進(jìn)行靜態(tài)干涉檢查和動(dòng)態(tài)干涉檢查分析。

裝配順序的規(guī)劃，可以采用正裝法或反裝法，正裝是按產(chǎn)品裝配順序依次進(jìn)行裝配仿真規(guī)劃；反裝是根據(jù)“可拆即可裝”原理，將整個(gè)產(chǎn)品按順序依次進(jìn)行拆解，拆解順序的逆序，即為裝配順序?？紤]到該型燃油泵—調(diào)節(jié)器組成零部件小、數(shù)量多，采用正裝法容易出現(xiàn)漏裝、錯(cuò)裝等問題，所以采用反裝法進(jìn)行裝配順序、路徑仿真規(guī)劃。在采用反裝法進(jìn)行裝配順序規(guī)劃時(shí)，應(yīng)優(yōu)先拆卸易造成損壞或是在拆卸過(guò)程中有礙燃油泵—調(diào)節(jié)器穩(wěn)定擺放的零組件。就本文所設(shè)計(jì)的型燃油泵—調(diào)節(jié)器泵模塊，燃油壓力傳感器屬于敏感元件，在拆卸過(guò)程中容易磕碰損壞，同時(shí)其安裝位置特殊，在拆卸過(guò)程中，影響燃油泵—調(diào)節(jié)器穩(wěn)定擺放，因此應(yīng)最先拆卸；然后拆卸外凸的管接頭等組件；最后依次拆除傳動(dòng)組件，齒輪組件和殼體組件。

泵模塊上燃油傳感器的虛擬裝配路徑規(guī)劃如圖3所示，燃油傳感器通過(guò)螺紋連接，固定在泵模塊殼體組件上，根據(jù)反裝法，將其繞自身坐標(biāo)系Y軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，沿Y軸負(fù)方向平移100mm之后，可以看到其已經(jīng)與殼體組件完全分離，且沒有與泵模塊上其他零組件產(chǎn)生干涉現(xiàn)象，得到泵模塊上傳感器的虛擬裝配路徑為沿其自身坐標(biāo)系Y軸旋轉(zhuǎn)和平移運(yùn)動(dòng)所形成的合成軌跡，即完成燃油傳感器裝配路徑規(guī)劃。同理，依次拆除管接頭、傳動(dòng)組件，齒輪組件和殼體組件，即可完成泵模塊虛擬裝配路勁規(guī)劃工作。這時(shí)就可以調(diào)用虛擬裝配仿真模塊，進(jìn)行虛擬裝配仿真驗(yàn)證，對(duì)零部件之間進(jìn)行靜態(tài)干涉檢查和動(dòng)態(tài)干涉檢查分析。

圖3 裝配順序、路徑仿真規(guī)劃

3.2 可達(dá)性仿真分析

基于裝配順序、路徑仿真規(guī)劃結(jié)果，針對(duì)復(fù)雜殼體組件中特殊狹小空間位置零組件裝配及裝配尺寸鏈測(cè)量情況，對(duì)零組件自身及工藝裝備資源進(jìn)行可達(dá)性仿真分析，如狹小空間需要用到扳手?jǐn)Q緊螺釘螺母、為保證安裝高度（深度）尺寸需要進(jìn)行裝配尺寸鏈測(cè)量等?？蛇_(dá)性仿真分析主要以方便工裝夾具可達(dá)性、人的視覺可達(dá)性、操作可觸及工裝夾具標(biāo)準(zhǔn)化、通用化為最佳判定準(zhǔn)則，對(duì)工藝裝備資源、人體操作和產(chǎn)品模型三者之間進(jìn)行靜態(tài)干涉性檢查和實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)干涉檢查。

虛擬數(shù)字人手持內(nèi)六角扳手拆裝泵模塊上內(nèi)六角螺塞過(guò)程仿真模擬如圖4所示。內(nèi)六角螺塞所處位置受電插座和進(jìn)口管接頭限制比較狹小，對(duì)其進(jìn)行工裝夾具可達(dá)性仿真極為必要。經(jīng)過(guò)仿真模擬，內(nèi)六角扳手可在無(wú)干涉情況下，順利實(shí)現(xiàn)內(nèi)六角螺塞拆裝，根據(jù)可達(dá)性仿真分析判定準(zhǔn)則，對(duì)所有特殊位置零件進(jìn)行可達(dá)性仿真分析，優(yōu)化、驗(yàn)證設(shè)計(jì)模型。

通過(guò)可達(dá)性仿真分析，首先對(duì)該型燃油泵-調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)模型在不降低功能和性能要求下進(jìn)行迭代優(yōu)化；然后結(jié)合虛擬裝配過(guò)程，對(duì)該型燃油泵-調(diào)節(jié)器在后期實(shí)際產(chǎn)品裝配過(guò)程所需要用到的工藝裝備資源進(jìn)行整理，如圖5所示；最后通過(guò)錄屏軟件，將虛擬裝配過(guò)程以WMV格式的視頻文件形式輸出，形成該型燃油泵-調(diào)節(jié)器三維裝配工藝規(guī)程，對(duì)首件該型燃油泵-調(diào)節(jié)器產(chǎn)品實(shí)際裝配操作進(jìn)行指導(dǎo)。

圖4 可達(dá)性仿真分析

圖5 裝配流程圖

3.3 人機(jī)功效分析

該型燃油泵-調(diào)節(jié)器體積較小、質(zhì)量較輕，單獨(dú)對(duì)其進(jìn)行人機(jī)功效分析意義不大，但是當(dāng)其作為外場(chǎng)可更換部件或內(nèi)場(chǎng)可更換部件時(shí)，一旦出現(xiàn)故障，就需要對(duì)其進(jìn)行更換、維護(hù)與維修時(shí)，此時(shí)操作空間就會(huì)受到發(fā)動(dòng)機(jī)和飛機(jī)零部件限制，出現(xiàn)不可更換、維護(hù)或維修情況。為了更好的判斷該型燃油泵-調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)方案是否可行，對(duì)之進(jìn)行人機(jī)功效分析就顯得尤為必要。

該型燃油泵-調(diào)節(jié)器總質(zhì)量8kg，在發(fā)動(dòng)機(jī)試車臺(tái)架上拆卸過(guò)程進(jìn)行模擬仿真，某一時(shí)刻的人體雙手托舉燃油泵-調(diào)節(jié)器姿態(tài)如圖6所示，對(duì)其進(jìn)行人機(jī)工程學(xué)分析，分析人體重要關(guān)節(jié)彎曲角度、負(fù)荷強(qiáng)度，概率分析結(jié)果如圖7所示。

圖6 人機(jī)功效分析

通過(guò)分析結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，理論可操作概率為一般人操作完成某一動(dòng)作的難易程度，該數(shù)值越接近100%，則表示該動(dòng)作越容易完成。一般當(dāng)理論可操作概率在90%以上，即可認(rèn)為有經(jīng)驗(yàn)的操作人員可輕易完成該動(dòng)作。從圖7中可以看出，該時(shí)刻下人體主要的21個(gè)關(guān)節(jié)部位中，理論可操作概率均在98%以上，且有16個(gè)關(guān)節(jié)部位理論可操作概率為100%，故可以判斷出該時(shí)刻人體姿態(tài)合理，人體重要關(guān)節(jié)受力及彎曲符合人機(jī)工程學(xué)，不會(huì)因拆裝空間、重量等因素造成燃油泵-調(diào)節(jié)器拆裝困難。依次類推，對(duì)整個(gè)操作過(guò)程中重要時(shí)刻人體姿態(tài)進(jìn)行人機(jī)工程學(xué)分析，完成燃油泵-調(diào)節(jié)器在發(fā)動(dòng)機(jī)試車臺(tái)架上拆卸過(guò)程的人機(jī)功效分析，分析結(jié)果一方面驗(yàn)證了設(shè)計(jì)模型的合理性，一方面總結(jié)形成了操作指導(dǎo)性文件，為該型燃油泵-調(diào)節(jié)器實(shí)際試驗(yàn)過(guò)程提供技術(shù)支持。

圖7 人機(jī)工程學(xué)分析結(jié)果

4 結(jié)語(yǔ)

虛擬裝配技術(shù)應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油附件產(chǎn)品設(shè)計(jì)驗(yàn)證階段，能夠有效分析設(shè)計(jì)方案可裝配拆卸性、裝配可達(dá)性以及后期使用過(guò)程中維護(hù)維修性。虛擬裝配技術(shù)在不試制實(shí)物樣機(jī)的情況下，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)缺陷，有效降低了研發(fā)成本、縮短研發(fā)周期，同時(shí)通過(guò)虛擬裝配仿真，可以形成一套完整可操作的裝配、維護(hù)維修技術(shù)方案，為航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油附件產(chǎn)品后期批產(chǎn)及使用提供高質(zhì)量技術(shù)支持方案。