大型商用航空发动机科研装配线三维虚拟设计

周 烁，陈静荣，李 琳，项宏伟，张 渝

(上海中航商用航空发动机制造有限责任公司，上海 200240)

大型商用航空发动机科研装配线三维虚拟设计

周 烁，陈静荣，李 琳，项宏伟，张 渝

(上海中航商用航空发动机制造有限责任公司，上海 200240)

为解决航空发动机科研装配线二维工艺布置设计存在的局限性，首先通过对大型商用航空发动机科研装配线的实体工艺要素三维建模，基于虚拟现实Unity3D开发平台，对已有二维工艺布置方案进行三维虚拟设计，实现了工艺要素的补充、细化和优化。然后对新型的总装工艺过程进行了运动学仿真，并开发了人机交互的实时动态漫游程序。研究成果为后期车间改造、工艺布置调整提供了预演和模拟分析平台，为企业的人员培训和宣传展示提供了重要素材，也为相关的制造厂房或制造单元设计提供了技术参考和借鉴。

大型商用航空发动机;科研装配;三维虚拟设计;工艺布置

大型商用航空发动机(LCAE)结构尺寸大，各类单元体众多，对装配、运输的空间要求比较高。此外，由于其配合精度高，所需工艺设备和专用工装数量较大。在科研装配阶段，因工艺方法不固定，设备和工装的配置需要持续调整，此外，由于任务计划经常改变，造成装配分解的深度和范围难以确定。当然，也存在大量的专项测试改装需求。总之，针对LCAE科研装配线建设的顶层工艺方案，尤其是工艺布置设计涉及的工艺要素极其繁杂，国内外航空发动机科研厂房多年来都经历过多次工艺布置调整、厂房深度改造或大规模扩建。对于LCAE科研装配线工艺设计而言，想实现高效率、强柔性及低成本并举非常困难，通常表现为缺乏有效的设计平台支撑和没有成熟的标准或经验用于指导。

针对生产车间的三维虚拟设计近来成果比较丰富，但大多数是对计算机应用技术方面的研究，如几何和行为建模、网络协同、架构设计、动画制作方法、渲染处理技术等。车间级的三维虚拟设计按照技术层级划分，大致可划分为4个层次：首先是顶层的制造组织管理，如任务拓扑排序和流水节拍设计等[1]；其次是处于中间层的三维可视化工艺布置设计和优化[2-5]；再次是底层的制造工艺过程模拟[6-7]；最后一部分是专项技术应用，如人机工程学和产品碰撞分析等[8-9]。对于三维可视化工艺布置设计和优化的相关技术，在国内航空发动机制造领域的应用仍然处于空白状态。

目前三维虚拟设计技术在国内外的装备制造领域已经被广泛应用、开发，并产生大量工程实践成果。但是，在国内航空发动机研发领域，三维虚拟设计技术的工程应用工作则刚刚起步。

1 总体实施方案

虚拟制造本质是在计算机上实现制造环境和过程的全面模拟,也是将实际的制造系统映射到计算机可视的三维环境中。因而，针对车间或生产线的三维虚拟设计相对传统的二维工艺布置设计具有许多优势：首先是布局设计在三维空间内更为直观，进而方便专家发挥经验优势；其次是空间设计精度更高；再次是方便进行工位级的全方位详细布置设计，包括工装、设备、工件、人员、工位器具等所有工艺要素；最后，三维虚拟设计成果作为一个仿真平台，拓展性好，可以进行其他工艺过程模拟、综合生产指标分析等工作。另一方面，车间或生产线的三维虚拟设计也具有一定劣势，比如虚拟环境建模成本高，周期长，涉及众多仿真、交互、渲染处理技术，也需要繁杂的工艺要素输入。而传统的二维工艺布置设计虽然比较粗放，缺乏三维空间内的精准定量计算和预测功能，但对技术输入要求较低，只需生产大纲和工艺路线、主要设备配置等少量的关键工艺要素。因而，二维工艺布置适合初期的方案设计，并作为生产线三维虚拟设计的基础。

针对LCAE科研装配线的三维虚拟设计需要利用二维工艺布置设计结果，此外还应考虑发动机结构设计和装配工艺设计的进展，科研阶段产品构型和工艺方法多变、不确定的特点，以及由产品结构设计更改引起的众多工艺要素调整情况。因此，该项工作内容繁杂，需要制定系统的顶层规划和明确的实施方案。装配线虚拟设计的目标不应局限于全面、直观和精准地展现制造要素和工艺方案，更重要的是实现一个高度开放、易于拓展和更新的平台系统。针对LCAE科研装配线三维虚拟设计项目的总体实施方案如图1所示。

2 LCAE科研装配线三维虚拟设计

2.1三维建模

LCAE科研装配线三维虚拟设计的第一步工作是进行厂房二维工艺布置。在二维布置设计中，确定了厂房功能区划分，如功能区数量、面积和位置，主要工艺设备的安装位置及基本物流方案。基于二维工艺布置设计结果，启动三维虚拟设计，主要技术内容和流程如图2所示。

对各种工艺要素的三维实体建模是重要的基础性工作。厂房实体建模基于建筑设计图样在3Dmax平台内设计完成，主要包括地面、墙体、梁柱和顶棚。标准设备建模参考产品外观图样；针对非标设备的建模，主要是根据同类设备外部形式和尺寸绘制三维实体，或者委托设备供应商，根据发动机设计技术需求，进行方案设计，然后根据方案设计结果绘制三维实体。工装建模参考成熟民用航空发动机的典型工装结构形式和外廓尺寸，如大尺寸的支撑/吊装类工装与限动夹具。所有设备和工装的三维建模均在UG软件平台内完成。发动机三维模型直接使用UG设计数模。工位器具，如各类运输车、工具柜、货架、工作平台等均参考当前国内的主流发动机制造厂现有配置规格。

2.2三维可视化详细设计

对于LCAE科研装配线的三维可视化详细设计，首先需要在Unity3D平台内建立项目文件，导入厂房模型，添加天地空间背景，实现天空和地面虚拟效果。建立三维场景，并设置光照，加载纹理和材质。然后对三维模型进行格式转化，形成STL(快速构型建模技术——以点和三角形替代物体外廓)文件，接着陆续添加其他的工艺要素，并进行贴图。其中，根据工艺设备用途和各个工段的功能定位，将工艺设备在各个工段进行初步布置：部装和总装区的设备布置以平行单列形式为主，平衡区采用平行双列形式，在设备较多的试验间采用U型布置形式。

三维可视化详细设计的主要内容是根据最新的工艺规程编制结果和成熟发动机装配现场布置经验，对各个工段内的工位进行设备、工装、工位器具、存放周转区和人/物流通道的布置设计。由于各个功能区承担不同工艺分工，其工位的布置设计具有不同特点：1)部装区，该区设备少、工位器具多、人员多、临时存放/周转区面积大;2)平衡区，该区大型设备多，不仅要考虑各个平衡设备之间的位置关系以及与相邻部装区的物流效率，还应注意设备方位与吊车走向之间的关系(如卧式平衡机主轴应该与吊车电动葫芦走向垂直)，并预留后期新增设备的安置空间;3)仓储区，由于货架和自动立体库体积庞大，重点进行采光和物流线路设计。图3～5分别为三维虚拟设计后的部装工段、平衡区和仓储区的局部效果图。

发动机总装工作包含两部分：主机装配和外部装配。相对于主机装配，外部装配的工作量大，技术成熟度较高。而主机装配，即主单元体之间的精确安装是总装工艺核心技术内容，也是当前发动机装配的主要工艺难点和薄弱点。所以总装区的工艺布置设计非常关键，其中大部件吊装、姿态调整的空间和通道预留是重中之重。考虑到传统的总装采用上部吊车和手工调节的对接安装方式在精度、刚性、可靠性方面的缺点，以及先进发动机更为精准的联接配合(间隙、过盈)要求和未来数字化、智能化制造的发展趋势，采用激光引导的轨道小车对接平台系统应该是先进LCAE总装平台的主要结构形式。

对上述新型总装工艺过程进行三维模拟的步骤如下：首先对发动机单元体、轨道小车对接平台系统和支撑工装进行三维建模；然后通过参考坐标系/局部坐标系进行重新定义和变换，实现装配过程的参数化运动学仿真模拟；其次，对工艺过程中的其他设施需求进行统计分类，如工具柜、工作平台、运输车、登高架等工位器具，并进行建模。最后，根据装配工艺技术需求，对该总装工段的工位器具布置、人员操作和通行空间进行三维设计，其中应考虑主单元体运输、吊装和临时存储的空间需求。总装工段的工艺布置结果如图6所示。

2.3三维可视化专项设计

工位详细设计完成后，需要考虑众多的其他专项需求：比如根据信息化建设需求配置于厂房立柱和墙体的信息端口、视频监控摄像头、报警器、大屏幕显示屏等；为满足EHS(环境健康安全)要求，在各个工段设置洗眼处；在承力柱、运输通道、大门等关键部位增加防撞保护措施；在大门外侧增设卸货区，防止污染进入厂房内部。

3 视频动画和漫游程序开发

通过导航路线设计和视点设置(三维坐标、视景范围和空间朝向)，在上述虚拟厂房设计的基础上，制作了自动播放视频动画，形成AVI文件。导航路线以完整的装配流程作为主线，描述了从卸货区、入库验收、集件配套、组件装配、单元体装配、主单元体装配、总装，直至发动机运输至试车台的全制造过程，并对关键工艺过程进行特写和多角度展示，为后期的员工多媒体培训及公司宣传展示提供素材。为进一步增强现场沉浸感和互动性，通过定义导航节点(确定浏览速度和漫游方式)，在虚拟厂房设计平台的基础上开发了人机交互的实时漫游程序，形成Assets文件。为提高厂房虚拟环境的三维视觉效果，使用层次细节LOD(level of detail)技术对厂房内部所有实体要素设置多级细节显示模型，进而使视点与某实体要素的距离发生变化时，显示该实体不同的细节模型。最后以贴图的方式对厂房外观进行了纹理映射。漫游程序实现以鼠标操控方式对厂房及周边环境内任意位置和所有实体的浏览，并支持局部缩放功能。图7所示为实时漫游程序初始界面。

4 结束语

本文使用虚拟现实Unity3D开发平台，完成装配车间的三维虚拟设计，实现了工艺要素的补充、细化和优化。鉴于科研阶段的发动机构型和工艺方法需要经历持续的更改和完善，虚拟车间内的工艺要素，如设备、工装也需要做相应的补充或删减，并根据经验和现场使用情况进行重新布置和优化。因而，本文阐述的LCAE科研装配线虚拟设计成果，主要是提供一个平台系统，实现厂房内制造要素的高效、直观的三维设计；另一方面，国内外航空发动机科研装配厂房多年来都经历过多次的工艺布置调整、厂房深度改造或大规模扩建，所以针对LCAE科研装配厂房的工艺设计不会存在固定的最优解，只能伴随研制工作做持续的改进和完善。

[1] 沈春龙．虚拟制造可视化环境及其过程管理的技术研究[D]．成都：四川大学，2001.

[2] 许万荣．基于OpenGL的消失模铸造车间虚拟设计系统研究[D]．武汉：华中科技大学，2006.

[3] 陈锦昌，许有源，姜立军，等．基于Vega的装配型生产线三维仿真系统[J]．武汉大学学报，2006，39(4)：66-69.

[4] 鲁星．基于VRML和Java的虚拟钢结构厂房系统[D]．武汉：武汉科技大学，2008.

[5] 吕玉昆．面向JobShop的车间虚拟制造仿真技术研究[D]．南京：南京理工大学，2013.

[6] 谢玉敏, 董定福．模具装配过程的动态模拟及其应用[J]．模具技术，2003(6)：53-55.

[7] 丁国富，伯兴，高照学．虚拟制造环境中制造装备的三维建模及动作模拟[J]．计算机仿真，2003，20(11)：85-87.

[8] 刘长坤．浅谈人机工程分析软件在虚拟制造中的应用[J]．华章，2013(3)：303-304.

[9] 陈锦昌，许有源，姜立军，等．生产线三维仿真系统中产品碰撞检测的研究[J]．东华大学学报，2007，33(3)：306-309.

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

周烁 (1975—), 男，辽宁铁岭人，上海中航商用航空发动机制造有限责任公司高级工程师，主要研究领域为航空发动机装配工艺设计和先进制造技术。

TP34

B

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