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小型涡轮发动机三维装配工艺设计仿真系统研究

2019/7/24    来源:互联网    作者:周建华  张海      
关键字:小型涡轮发动机  三维装配  装配工艺设计仿真  
为缩短小型涡轮发动机装配工艺设计周期,提高装配工艺设计手段和效率,提出小型涡轮发动机三维装配工艺设计仿真系统,给出系统框架和主要功能,讨论实现三维装配工艺设计仿真系统的关键技术,介绍了系统的使用方法及系统的特点和应用范围。

1 引言

    小型涡轮发动机装配过程不同于一般机械产品的装配,小型涡轮发动机结构复杂,组成零件数量多,且零件间的装配关系复杂,装配精度高,装配质量对发动机的性能具有很大影响。目前,小型涡轮发动机装配工艺设计主要采用计算机辅助工艺过程设计系统进行,但仍然停留在二维产品设计的基础上,没有将装配工艺过程、装配零件及装配过程有关的制造资源紧密结合在一起实现装配过程仿真。为了提高小型涡轮发动机装配工艺设计质量,确保小型涡轮发动机装配质量,开发三维装配工艺设计仿真系统,实现发动机装配全过程的仿真,具有重要意义。

2 系统主要功能

    三维装配工艺设计仿真系统包括两方面的内容,一是建立三维装配模型;二是对装配全过程进行仿真,包括对零件。工艺设备和设备、装配路径等进行仿真。系统主要功能如下:

    将小型涡轮发动机三维装配模型转换成三维装配工艺设计仿真系统可以读取的文件类型,并读取三维装配模型中的零、部件结构信息和属性信息,建立装配结构树,可以对结构树进行二次编辑,更新零件、修改零件属性;

    通过人机交互的方式进行装配工艺设计,定义小型涡轮发动机装配过程的所有装配步骤(即工序)及每个装配步骤中的所有活动(即工步),建立三维装配模型。活动类型主要有直线、径向运动、螺旋运动及曲线运动等;

    装配过程仿真,即对已完成设计的三维装配模型进行仿真,并将装配仿真结果转换成动画演示,可以实现以工序、工步为对象的控制播放。动画通过用标准动画录制工具抓取、编辑和播放;

    工程分析,即分析装配路径、装配顺序的可行性,进行干涉检查,分析工具可达性,检查装配空间可操作性等。根据检查结果修改、完善三维装配模型;

    通过配置零件名称、代号、材料及数量等属性信息并配置工序名称、工序内容及工艺装备等信息,自动生成配套明细表、工艺过程卡等二维装配工艺文档。

3 系统构架及系统实现的关键技术

    三维装配工艺设计仿真系统是进行三维装配工艺设计的工具,系统的总框架如图1所示。

三维装配工艺设计仿真系统总体框架

图1 三维装配工艺设计仿真系统总体框架

    3.1 零件三维造型在装配中的轻量化表达

    不同的三维CAD软件,生成的模型文件的格式不相同,如何将三维CAD设计的产品模型数据导入到三维装配工艺设计仿真系统,是系统实现的关键。本系统通过将三维CAD生成的零件,转换成基于三维底层核心的通用平台支持格式(.SAT),采用XML文件格式记录装配结构,应用这种方式,实现三维装配统一模型表达,其原理如图2所示。

三维零件模型统一表达原理图

图2 三维零件模型统一表达原理图

    三维CAD造型要求详细表达三维模型几何拓扑图(点、边、环、面、壳),目的是为了精确进行布尔运算,和三维CAD不同,三维装配工艺设计仿真系统只关心零部件的外形及它们之间的位置关系,很少关心零件三维模型内部的几何拓扑结构信息,根据这一特点,可以通过采用简化的零件模型表达(又称“轻量化模型”),裁剪数据量较大的三维模型几何拓扑结构(点、边、环、面、壳)来表示,从而增强系统处理大型装配的能力。

    轻量化模型具有如下特点:

    1)信息丰富:不仅支持完全的2D/3D几何表达,而且支持颜色、纹理、文字轮廓等表达;

    2)高度压缩:其几何表达压缩机制,使得文件尺寸大幅减小(平均为原来的十分之一),提升了系统加载速度及网络传输速度;

    3)应用程序独立:通过使用最基本的2D/3D矢量表达,使得这种格式能够被几乎所有的应用程序支持;

    4)开放/可扩展:通过采用开放的语义描述机制及一套HSF文件格式阅读规则,使得该文件格式支持后续扩展。

    3.2 利用拆卸过程定义装配过程

    拆卸是装配的逆过程,通过拆卸过程反过来定义装配过程,不仅使装配过程定义简便得多,而且可以大大地提高三维装配过程定义的效率,同时也降低工艺人员的操作难度,便于推广使用。

    3.3 在装配过程中引入工艺装备

对于工艺装备(工装、夹具、量具)这类不属于产品本身零、部件的模型,如何进行集中管理,如何将工艺装备安装到装配模型的正确位置,如何定义工艺装备的活动并仿真,是系统要解决的难点。本系统采取如下解决方案:

    1)使用“工艺资源管理器”集中管理系统的工艺设备,支持工艺设备的三维模型入库、查询、浏览功能,通过数据库的方式,建立企业级工艺设备库;

    2)引入三维约束求解器系统,解决工艺装备装配约束定义及驱动问题;

    3)将工艺装备引入作为一个活动,解决工艺装备的拆除时机问题,同时也保证了用拆卸定义装配的整体思路一致性。

    3.4 在仿真过程中实现动态干涉检查

    三维CAD设计软件仅解决了静态干涉检查问题,无法对产品装配过程中的运动轨迹进行评价,本系统通过动态干涉检查有效地解决了这个问题。动态干涉检查用于检查产品零、部件在装配过程中,是否和已装配件发生干涉,或检查工艺装备(工具、夹具、量具等)参与装配的过程中,是否和产品的已装配件之间发生干涉,当发生干涉时,通过醒目的颜色或停止仿真过程的方法,标记干涉部位。

    3.5 与现有CAPP系统集成

    三维装配工艺设计仿真系统是对传统CAPP系统的技术提升,是在传统装配工艺编制基础上面向三维工艺设计的一个提高。本系统通过插件接口(COM)的方式,较好的解决了三维装配工艺和传统装配工艺之间的关系,接口方案如图3所示。

与CAPP系统接口方案图

图3 与CAPP系统接口方案图

    三维数字化工艺规划插件可以包含多个专业功能组件,装配仿真插件是其中之一,这些插件使用固定的抽象接口与三维数字化工艺规划协作组件连接,并完成三个功能:

    1)完成三维数字化个性工艺规划业务;

    2)过程业务数据的获得及保存;

    3)三维数字化工艺规划协作组件在三维工艺规划插件和CAPP之间起桥梁作用,该组件完成的主要功能包括:

    (1)构成三维数字化规划窗口;

    (2)实例化工艺规划插件提供的界面(菜单,工具条);

    (3)在CAPP与工艺规划插件之间传递消息并协调各项工艺规划业务活动。

4 系统应用方法及特点

    系统以三维CAD装配模型为基础,建立三维装配仿真环境,设计装配活动,对装配过程进行仿真,三维装配仿真的结果可直接用来指导小型涡轮发动机的实际装配。

    4.1 系统应用方法

    用户首先从三维CAD系统中引入三维产品模型,建立装配结构树,根据装配工艺要求,调整装配结构树,修改或增加装配结构树上节点的属性;然后规划装配顺序,划分装配步骤,并确定每个步骤装配的对象;接着,定义每个步骤内参与装配的零部件装配活动,根据对定义装配活动的仿真效果预览及工程分析,从而发现工艺设计过程中装配顺序设计等方面的错误;根据仿真结果及工程分析结果调整装配工艺设计,最后输出录制的装配过程仿真录像及装配工艺文档。工艺设计的流程如图4所示。

工艺设计流程

图4 工艺设计流程

    4.2 系统特点

    目前,国内CAPP软件的应用主要是表格填写和二维图形,预计今后将向三维化及专业化发展。三维仿真系统顺应了这种发展趋势,是国内第一个基本成形的用于装配工艺设计的三维CAPP系统,具有如下技术特点:

    1)系统兼容性好

    可以生成装配仿真的国外软件,一般均与自己的上游三维CAD绑定,除非应用其完整的解决方案,否则系统存在兼容性问题。本系统通过转换及统一模型表达技术,有效的解决了和不同三维CAD软件之间的兼容性问题。

    2)与现有CAPP软件紧密集成

    系统通过插件接口与现有CAPP软件集成,很好的解决了三维装配工艺和传统装配工艺之间的关系。

    3)操作方式简便

    本系统创造性的采用拆卸来定义装配过程的仿真,使得系统的操作简便得多。

    4)对大型装配的处理能力强

    由于采用了轻量化的模型表达技术,加上采用高效、高质量渲染技术,使得系统具备处理大型、复杂装配的能力。

    4.3 系统应用范围

    三维装配工艺是一种全新的工艺模式,可以在三维环境下对发动机的装配过程进行仿真,其主要应用有以下几个方面:

    1)用于三维装配工艺设计,可以提高装配工艺设计手段和效率,并在工艺编制过程中尽可能暴露实际生产中有可能出现的技术问题;

    2)用于指导装配人员装配,仿真结果可以十分清晰地表达产品的装配过程、装配位置和装配关系,便于装配人员执行;

    3)用于对技术、操作、管理等与产品装配有关的人员进行业务培训,可以使其尽快熟悉并掌握装配工艺过程,缩短培训时间。

    4)通过一步扩展,增加质量记录等功能,可以实现对装配现场的网络监控和远程管理,提高装配现场的生产管理水平。

5 结论

    三维装配仿真能生动直观的展示产品的装配过程,可以有效地提高装配工艺设计质量。本文提出的三维装配工艺设计仿真系统能将装配工艺操作、工艺装备等装配信息有效集成,实现整个装配过程仿真,仿真结果以仿真录像及装配工艺文档形式输出,仿真录像既可以指导现场装配人员进行小型涡轮发动机装配工作,又可以用于相关的业务培训,具有良好的实用性。

责任编辑:程玥
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