数字两机丨608所：数字仿真装配技术在航空发动机中的应用

航空发动机是工业皇冠上的明珠，集成了各种形式各异、功能各异的电子元器件，结构紧促且复杂，其研制过程更是多种学科的融合，发动机试制与装配即为其中的一个很重要的内容。发动机装配是按照设计要求，把零件、电子元器件、线缆与管路等进行组装的过程，而面对日益增长的航空发动机高精度、高可靠性、短研制周期的要求，引入数字化技术是必然的趋势。数字化装配可以提升航空发动机装配的效率与质量，更是新一代航空发动机研制的必要手段之一。

航空发动机作为工业皇冠上的明珠，汇聚了人类自工业革命以来最尖端的科技。发动机的设计和制造对技术、设备、材料、人才等有着极高的要求，其中航空发动机装配是发动机研制过程中的重要一环，装配工艺水平和装配质量直接影响着航空发动机的可靠性和寿命。一台中小型航空发动机的零件数大约有2 万多个，对装配工作流程进行合理规划，正式生产之前对装配过程进行仿真验证，才能满足航空发动机高指标的装配技术条件要求。

1 装配工艺数字化

以往传统的航空发动机装配采用纸质的图纸和工艺文件，可读性相对较差，检索便利性低，传递速度慢，特别对于研制阶段的发动机，难以时刻保持最新技术状态。新形势下电子化的工艺规程的便捷度大大提高了装配过程的效率，即使当前国内发动机行业还普遍使用二维的装配工艺规程，电子化工艺文件的使用也给传统的纸质文档带来了革命性的冲击。然而，从纸质文件向电子文件的转换仅踏出了工艺规程电子化的第一步。从装配工艺的可视化上考虑，特别是当前航空发动机零部件普遍使用三维模型进行设计，三维装配工艺是航空发动机装配技术发展的必由之路。三维装配工艺是基于三维设计零部件模型进行装配工艺的模拟，不但可以对装配过程的可行性和合理性进行验证，而且在对装配过程的表达上更直观和清晰。相比二维装配图，三维模型在进行装配过程动态演示时可以更直接地表达实际的装配过程，如图1 所示。

图1 数字化装配工艺设计流程图[1]

Fig.1 Flow chart of digital assembly process design

除了工艺规程的数字化，装配质量在线检测是数字化装配技术应用的一个重要补充。在数字化技术引入以前，发动机技术状态一直缺乏高效的管控措施，一台发动机完成装配后，产生大量的装配过程检测数据仅依靠人力进行记录，从实际生产情况来看效率低下，量化数据匮乏。检测过程是发动机装配中非常重要的一环，以产品为中心，依托信息化技术，技术要求得以实现从设计、工艺、生产、检测之间数字化传递，确保产品技术状态真正得到有效的控制。在线检测的目的在于将装配质量进行数字化管理，建立航空发动机产品从设计到制造、检测的全过程数字化，使检测过程从过去的离线走入在线，为发动机技术状态管理提供支持。

2 仿真技术应用

仿真是一门基于控制论、系统论、相似原理和信息技术的多学科综合性技术。它以计算机系统和专用设备为工具，利用模型对实际或设想的系统和过程进行模拟，是支撑产品研发的重要手段[2]。仿真技术在航空发动机装配上的应用包括装配路径规划、优化装配顺序、装配误差分析等方面。

在航空发动机制造过程中，传统的装配工艺规划高度依赖工艺人员的经验知识。工艺人员必须在充分消化设计图纸和文件资料的前提下，充分考虑发动机的结构，才能保证装配工艺满足生产要求。为了找出最优的装配路径，必须依托仿真技术，才能大大提高工作效率。在路径规划中，装配过程和拆卸过程与路径规划有着密切的关系。装配路径规划是从产品的装配起点出发，根据装配环境的特点及待装配零部件与其他零部件的相对位置关系等信息进行路径求解，并最终获得一条满足装配要求的无碰撞路径[3]。随着计算机辅助设计技术的发展，使得利用仿真技术对装配进行最优化路径求解变得可能。在详细装配工艺编制阶段，可以采用仿真软件对装配路径进行三维仿真，特别是对于发动机复杂结构的装配，可以在仿真过程中对工装使用的合理性和装配的可行性进行验证。仿真软件甚至可以进行人机工程仿真，确保装配规划给操作人员保留足够的操作空间。利用仿真技术，可以为工装的设计提供验证，提前暴露问题，如图2所示。

图2 人机工程仿真技术应用[4]

Fig.2 Application of ergonomic simulation technology

误差分析是仿真技术在航空发动机装配应用中的另一个重点。航空发动机是一种非常精密的旋转机械，对装配质量的控制非常严格。零件在实际加工的过程中不可避免地存在加工误差，当发动机进行装配时，零件的制造误差会逐一累积，包括尺寸误差和形位公差，当误差累积到一定程度时，就会影响发动机的正常工作。为了使误差的累积控制在可接受的范围内，在进行零部件的设计时需要进行尺寸链计算。对于线性尺寸，使用传统的尺寸链计算方法即可满足设计要求，但对于形位公差，如果不借助计算机辅助手段，难以对累积后的形位公差进行预测。由于零件形状和位置度误差在装配状态下的传递和累积是一个十分复杂的问题，在缺少科学评估手段的情况下，设计人员在设计发动机时一般根据工程应用经验进行设计，可能会出现对零件尺寸精度要求过于严格的情况，增大了加工难度，又或者由于认识不足从而放宽要求，导致零件加工出来后出现装配超差而不得不进行返修。利用仿真软件，不但可以对零部件尺寸和形位公差进行仿真计算，而且可以在设计阶段对具有装配关系的零部件公差进行最优化分配，从而做到有的放矢。

3 MBD 技术与发动机装配

MBD 即基于模型的定义（Model Based Definition，MBD），该技术目前已在国内飞行研制得到了广泛的应用，从设计到制造，已基本实现全面三维化，不再使用传统的二维图纸。波间公司在以波音787 为代表的新型客机研制过程中，全面采用了MBD 技术，开创了飞机数字化设计制造的崭新模式，建立了三维数字化设计制造一体化集成应用体系，使得研发周期缩短了40%，工程返工减少50%，带来了巨大的效率[5]。罗·罗公司在2019 年底开始，向供应商提供的资料将采用基于MBD的数据，全面取代传统的二维工程图。目前，MBD 技术在国内发动机研制过程中已经进行了试点应用，还需要进一步开展相关工作。

MBD 技术并不是简单地理解为使用全三维标注的零件模型取代传统的二维工程图，MBD 技术的核心在于打破传统制造过程中设计、制造、检测以及实物管理等环节之间的数据壁垒。在MBD 技术面世前，进行产品的设计时设计人员需要将产品的零部件以二维工程图的方式表达加工的要素，必要时辅以相关的技术文件。随着计算机辅助设计的发展，使用CAD 软件可以先进行三维模型的设计，然后对模型进行投影和标注从而得到传统的二维工程图。工艺人员以工程图为生产制造的依据进行工艺资料的编制，进行数控机床加工编程，然后进行生产制造。零件加工完成后，检验人员依据设计图以及工艺资料，对零件实物进行计量检测，合格后，成品零件完成入库，等待装配。发动机安排生产计划后，各零部件根据需要被领到生产线，通过装配组合，完成检测，最终组成一台合格的发动机。传统的设计、制造、检测、装配场景下，各个环节之间的数据传递完全依赖图纸和技术文件，即使近年以来电子化文档的广泛应用下，各个环节依然互相割裂独立，数据的传递需要人工不断地转换，如图3 所示。

图3 MBD 技术的优势

Fig.3 The advantage of MBD technology

MBD 是一种面向计算机应用的产品数字化定义技术，用一个集成的三维实体模型来完全地表达产品定义数据，它通过实体模型和文字表述等方式，包含了产品所有的物料信息及其物理和功能需求，并应用三维标注明确了三维实体模型中产品的尺寸公差等几何信息，以及制造技术要求等产品非几何制造工艺数据[6]。工程图本质上是设计人员与工艺人员沟通的桥梁，工程图完整表达了产品的设计意图，工艺人员通过对工程图的解读，将工程图转换为加工工艺，从而得到可应用到加工的资料。得益于技术的发展，MBD 技术革命性地简化了这一过程，在MBD 技术应用场景下，三维模型作为设计结果的载体，其标注的所有尺寸、公差等信息，是可以被下游的工艺编程软件所识别和继承的。在此场景下，工艺人员不再需要通过人工将二维工程图转换为加工资料，而是直接对三维模型进行复用，大大简化了工作量。类似地，在零件检测环节，三维模型同样可以被计量设备所识别，以三维模型作为依据进行检验。从上面可以看到，应用MBD 技术的三维模型作为唯一数据源可以从设计到加工和检测各个环节畅通无阻地流通，从而建立一套全数字化的设计制造流程。因此推广MBD 技术，不但需要从设计源头上应用全三维设计标注，还要打通设计到制造、制造到检验的数字化通道，确保设计的下游一系列活动能够继承MBD 数据。

目前，西门子的NX 软件最新版本在MBD 技术的支持上已经有了很大的改进。对于设计环节，已经完成三维标注的模型可以输出PDF 格式的3D 文档，大大提高了三维标注的可读性。如果需要查阅设计尺寸，不再需要打开三维UG 模型，可以直接阅读PDF 文档。对于制造环节，可以直接在UG 软件下对采用MBD 技术进行设计的模型生成数控加工程序，值得注意的是，在生成加工数据时，软件已经对尺寸标注进行解读，以使得加工出来的零件满足标注尺寸的要求。对于检测环节，UG 软件有相关的模块可以驱动三坐标检测设备对零件进行检测，检测结果与MBD 设计数据进行对比，生成检测报告，在全数字化的设计制造流程下，为数据的管理带来了巨大的便利性。

MBD 技术的应用将发动机装配技术推向新的高度，不仅三维模型信息的获取更加容易，EBOM 向PBOM 的转换直接来源于MBD 数据，不再需要传统的人工编制零件目录，PBOM 的编制也可以专注于工艺路线的分工和添加工艺组合。

4 结语

伴随着两机专项的实施，信息技术在航空发动机领域快速发展，数字化管理已具有相当的基础，数字化协同设计在不断推广。目前，虽然发动机装配工艺还未达到全三维的水平，但数字化装配技术是未来发展的趋势，健全发动机数字仿真装配技术现阶段还需要对现有设备进行升级改造。MBD 技术的应用，将会为广泛记录发动机从零部件制造、装配过程、工作履历等各种数据提供条件，装配检测的大数据分析可以为改进装配质量提供技术支持，并且实现智能化管理的目标。