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飞机涡轮发动机的虚拟装配技术

摘要：

本文介绍了飞机涡轮发动机的虚拟装配技术，并讨论了在验证装配过程时建立虚拟现实模型的优点。同时介绍了一种虚拟现实设计系统的装配部件和装配序列的概念。近年来，虚拟样机相关技术已经取得了长足的进步，目前的虚拟环境支持立体视觉、环绕立体声以及与模型进行丰富的交互。在一个由VR软件建立的虚拟现实环境中，我们开发了涡轮发动机的虚拟样机，并对零件运动进行仿真，以验证装配计划。

1、绪论

Wang G 曾这样描述传统的机械设计与制造过程——在传统流程里，首先应该完成程序设计和生产计划演示，然后再开始做产品设计。而今天的航空制造企业在市场中正努力追求成本效益和生产效率最大化，生产成本需要被控制得较低才能面对国际市场的激烈竞争，实现这一目标的主要途径就是改进技术。降低产品开发周期和成本是战略的焦点(Burdea G., 2000)。

物理原型机的开发和拆装过程的验证，以及维护工作等都是至关重要的。因此，虚拟现实和数字制造技术也要受到和产品开发过程一样严格的时间控制，并且也需要为员工进行培训。

虚拟现实技术在分析产品整体性能的基础上，可以克服传统的设计和制造过程中的缺点(Burdea G，2003)。在虚拟现实环境中，工程师直接利用CAD系统所提供的各种组件的几何信息和物理信息，在计算机中建立了整个产品逼真的三维数字模型。这种三维数字模型被称为数字实物模型(Huang Y.J.,2004)。通过使用各种外围设备，如立体眼镜、手柄、头戴显示器、拾取手套、3d鼠标、方位跟踪器等，实现用户与虚拟模型之间的交互。

此外，在计算机中修改设计上的缺陷相对容易，并能节省时间。同时能方便地修改设计图纸，不断改进以实现最佳设计。此外，还可以产生视觉、听觉和其他的反馈信息。虚拟现实技术作为一种先进的设计理念，是机械设计和制造领域的一种实用方法(Yosh,1996)。

20世纪60年代初，Morton Heilig发明了VR的现代概念，并凭借 “Sensorama Simulator”这个电子产品获得了商业设计专利。这个新兴的虚拟现实电子游戏机，远远领先于它的时代，提供了多感官刺激，试图让用户完全沉浸在虚拟世界中，而在Heilig的案例中，这是一次摩托车之旅(McLeod, 2001)。

随着技术的进步，超级计算机和180度广角影院式屏幕被用来增强参与虚拟世界的感觉。图像可以人工合成，然后由人机界面控制。在上世纪80年代末和90年代初，带有运动探测器的多功能头盔成为显示画面的首选设备。这让用户能够在模拟的世界中行走，并与虚拟物体互动(McLeod, 2001)。事实证明，这种方法对当时更广泛的商业市场来说太过缓慢、繁重和昂贵，但最近的发展为VR更广泛的应用创造了条件(Ong and Nee, 2004)。

允许虚拟装配评估和分析的技术还没有被工业充分利用。尽管这一新兴技术在商业领域内的应用没有被人们完全理解，但这个综合的技术被认为是可行和有价值的。本文的目的是开发一种基于VR的交互式和沉浸式装配系统，可用于装配训练和验证。文章论证了利用虚拟现实工具创建一个有价值的设计平台的可行性。利用沉浸式虚拟现实设计平台，设计了飞机涡轮发动机及其装配序列中的各个部件。

2、研究背景

虚拟现实（VR）是Jaron Larnier在1989年创造的一个术语，这两个词实际上是互相对立的，但它仍然是实时计算机图形世界中最好接受的术语。对于虚拟现实有多种定义，但Burdea等人给出了最全面的解释，“虚拟现实是一种高级的用户-计算机接口，它包括实时模拟和通过多个感知通道进行交互，这些感觉模式是视觉、听觉、触觉、嗅觉和味觉。”Amundarain等人(2002)描述了飞机引擎维护的虚拟现实模拟方法。他们工作的主要结论是，基于低成本硬件的力反馈的虚拟现实系统可以直接应用于该行业，这种系统可能会大幅降低原来的成本。

Regenbrecht等人(2005)选取了10个增强现实(AR)项目并展开实施，以测试出可能面临的技术难点，并分享其中的一些经验教训。他们简要介绍了应用于汽车和航空航天工业的增强现实项目。在将AR应用到本领域之前，有许多技术和组织问题需要解决。除了应用程序相关的特定问题外，他们从已获得的经验中总结了一份通用开发指南。

Christiand等人(2007)提出了一种基于触觉装置的智能装配/拆卸(A/D)系统。研究认为，结合触觉、优化序列算法和智能路径规划，将提高飞机零部件的整体维修效率。

Brough等人(2007)讨论了虚拟培训工作室(VTS)的开发问题。虚拟培训工作室是一个基于虚拟环境的培训系统，允许培训主管创建培训指导，并允许学员在虚拟环境中学习装配操作。他们的系统主要集中在训练的认知方面，使学员能够学会识别零件，记住装配序列，并在装配操作过程中正确定位零件。此外，他们的测试结果表明，该系统能够支持广泛的培训偏好，并能很好地支持对装配操作的培训。

Stone等(2011)讨论了最近在英国和俄罗斯的一系列发现——主要是关于虚拟现实技术在游戏、航天研究、开发、教育和培训等方面的应用和测试，并寻求找出那些需要紧急考虑的问题。此外，研究工作还讨论了在典型的航空航天应用中值得借鉴的虚拟环境和（或）VR游戏正在使用的一些方法，并对未来的发展提出了一些有用的建议。

基于文献资料，可以得出结论，在过去二十年中，虚拟装配领域已经完成了大量的研究工作。但也存在一些问题，如CAD模型与VR软件的集成；虚拟现实环境中的图形应该像真实的图形一样，通过跟踪和触觉设备的集成来提供感官反馈。当前需要研发一种能够处理所有这些挑战的虚拟现实软件，这是应对上述问题最好的解决方案。

3虚拟样机的优点

对VP工具的调查表明，这项技术有可能使新产品和新制造工艺的发展现代化(Schmitz, 1998)。然而，正在进行的关于工业组织实施、发展和VP工具的成功案例研究报告已经对其他工业企业产生了重要的影响，同时寻求早期技术的开发者所掌握的业务和过程优势。

在试图建立与使用VP工具相关的机会和利益时，首先要了解技术和方法在业务和供应链压力方面所提供的优势和能力，这些组织通常是在这种压力下运作的。一份对VP工具的评估——通过经验估计，并参考发表的学术论文和一些领先行业的相关案例，可以看到它具有明显的优势，这些优点如下：

bull;能够缩短上市时间。

bull;允许进行早期测试。

bull;可以进行昂贵或不可能的测试。

bull;减少对物理原型的需求。

bull;提高操作员的安全和舒适度。

bull;消除地理限制。

bull;提供通用的设计标准和语言。

bull;保护利润率。

bull;增加公司的敏捷性。

bull;降低开发成本。

bull;降低工程变更的范围和规模。

bull;形成一次通过的开发信念。

bull;分解设计的复杂度。

bull;使所有相关方都能充分参与产品开发过程。

4、虚拟现实系统概述

为了给飞机涡轮发动机创建一个虚拟环境，使用了一套半沉浸式虚拟现实组件，如图1所示。它包括一个大屏幕(3.1m*2.1m)，一个用来构建沉浸式三维环境的Christie Mirage高分辨率投影仪，用于立体观察的主动式交错立体眼镜，一台配备2.33 GHz英特尔Xeon处理器和1.5GB显存的Nvidia FX5800显卡的戴尔T5400工作站。另外还有一个惯性跟踪系统(即Intersense IS900)用于动态、实时地测量位置以及使用者的头与手的方位。

图1.虚拟现实系统

5、航空涡轮发动机的原理

燃气轮机是一种使用空气作为工质的内燃机。发动机将燃料的化学能转化为机械能，利用工作流体(空气)的气态能量驱动发动机和螺旋桨，进而推动飞机。

5.1、风扇系统

风扇在发动机的前部吸入和压缩大量的空气。空气通过发动机的核心部分并从冷排气喷嘴喷出，这是发动机推力的主要来源。

大的风扇有利于提高推进效率和降低噪音，但又让整体重量和阻力增大(Rolls-Royce plc, 2007)。

图2.风扇系统

5.2、压缩机

压缩机向燃烧室输送高压空气。空气的压缩程度越大，涡轮机内部能提取的机械能就越多。另外有一部分压缩空气被用于次要任务，如用于冷却热部件。

图3.压缩机装配部件

5.3、燃烧室

燃料与来自压缩机的空气形成的混合气在燃烧室内燃烧。燃烧室必须产生巨大的能量以驱动涡轮机。如何从最少的燃料中产生最大的热量和最低的排放，是目前的一个技术难点。

图4.压缩机与燃烧室

5.4、涡轮

涡轮从燃烧室输送的热气流中提取能量，反过来驱动风扇和压缩机连续运转。涡轮叶片面临的挑战是如何在极端恶劣的高温和高负荷环境下运行(劳斯莱斯plc, 2007)

图5.涡轮装配部件

6、涡轮发动机装配步骤

飞机涡轮发动机的装配步骤如下：

步骤1：首先将轴作为基本部件。

步骤2：把涡轮机和轴固定在一起。

步骤3：安装压缩机1部件。

步骤4：安装主压缩机部件。

步骤5：固定轴承部分。

步骤6：安装压缩机2部件。

步骤7：安装稳定齿轮。

步骤8：固定齿轮传动罩。

步骤9：燃烧室的装配。

步骤10：安装涡轮发动机的主体。

步骤11：固定燃烧室塞。

步骤12：风扇系统的装配。

图6.涡轮发动机装配树

图7展示了飞机涡轮发动机的渲染模型。它完整显示了各个装配部件及其在发动机中的位置。此外，可以看到轴是一个基准部件，所有其他部件将按照装配顺序依次安装在轴上。

图7.完整的装配部件渲染图

半沉浸式环境让用户在数字环境下具有存在感。它帮助用户在真实环境中分析设计和装配。碰撞检测等技术可以用来验证装配，如干扰因素的影响。运动仿真为用户提供装配序列。图8显示了装配飞机涡轮发动机的半沉浸式虚拟现实环境。使用交互式虚拟手(如图所示)，可以在数字沉浸环境中选择不同的装配部件。它增强了在数字环境中的存在感。

图8.半沉浸式虚拟现实环境

7、VR的使用经验和挑战

航空工业一直是探索利用新技术来简化和标准化设计过程及其相关工作(McLeod, 2001)的先行者。作为对实用价值的回应：虚拟现实技术的集成提高了制造商实现各种技术解决方案的可能性，并使这个过程更快。它有助于将获得的知识转移到生产过程和产品中，并协助企业更好地使用在产品或过程开发的早期阶段收集的信息(Bargelis和Baltrusaitis, 2013)。虚拟现实技术可以解决装配训练中的高设备成本、空间占用、以及实际装配过程中的危险等问题。这对降低成本、提高效率具有重要意义(Hu and Jiang, 2014)。虽然VR技术应用范围广，潜力巨大，但仍有许多未解决的理论问题和技术障碍，特别是实体建模和实时交互技术对一个虚拟现实系统的成功与否起着决定性作用 (HaiJian和WenYao, 2014)。

在航空领域，采用虚拟现实技术节省资金一般有两种显著的方式。首先，利用先进技术辅助工程设计的好处是时间和成本节约的重要来源，允许尽早发现错误。其次，将数字技术扩展到设计过程中，使其能够更充分地与产品开发的“生产”方面相结合(Stone等.， 2011)。在VR的帮助下，可以对数据流和信息进行控制与融合，尤其是在大型项目上，能减少由于信息不正确而产生的不良设计。

虚拟样机和虚拟装配是虚拟现实技术在制造领域的两大应用。该研究还在其他的制造领域进行，如布局规划、加工、维护、人体工程学等。研究表明， VR在产品开发周期中提供了许多好处。它涵盖了几乎所有的产品开发阶段，比如从设计到维护。半沉浸式环境保留了使用者的存在感，对于那些在完全沉浸式系统有不适感(Kiryu和So, 2007)的人来说，这是一种有效的解决方案。

8、结论与展望

目前，虚拟现实设计技术是一种高科技的设计方法。它不仅可以大大缩短产品开发周期，提高设计质量，降低测试和开发成本，还可以降低开发风险。虚拟装配技术正在迅速发展。从CAD模型的开发到产品装配这一过程启发我们基于虚拟现实的装配仿真可以作为一个使用工具集成到广为人知的CAD/CAM环境中。

本文介绍了基于虚拟现实软件的虚拟装配概念。本文完整地描述了一种飞机涡轮发动机的虚拟装配，并讨论了虚拟现实设计系统的优点。此外，在半沉浸式虚拟现实环境中构建涡轮发动机的虚拟样机，带给用户一种虚拟世界的存在感。

基于虚拟现实技术的装配对于装配训练非常实用，当涉及到诸如航空航天和海洋工业等非常大的设备与部件时，虚拟现实技术为装配训练和验证提供了一种节省成本和节省时间的解决方案。

我们即将进行一项基于用户的研究，以评估开发的虚拟现实环境。此外，它还将用于装配训练的目的。

9、声明

这项工作得到了沙特阿拉伯王国NSTIP战略技术项目编号(12-INF2573-02)的支持。在此感谢高级制造学院，沙特国王大学提供的资源以协助我们完成这项工作。

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