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IFAC-PapersOnLine 48-3（2015）1726-1731
飞机涡轮发动机的虚拟装配
Ali AHMAD*. Abdulrahman M. AL-AHMARI **. Muhammad USMAN ASLAM **
Mustufa H. ABIDI **. Saber DARMOUL ***
*美国西北州立大学工程技术系，美国洛杉矶纳基托什（电子邮件：ahmada@nsula.edu）
**沙特国王大学工程学院先进制造学院，沙特阿拉伯利雅得（电子邮件：alahmari@ksu.edu.sa，usman.aslam123@gmail.com，mabidi@ksu.edu.sa）
***沙特阿拉伯利雅得沙特国王大学工程学院工业工程系（电子邮件：sdarmoul@ksu.edu.sa）
摘要：摘要：本文介绍了飞机涡轮发动机的虚拟装配，讨论了虚拟现实模型在装配过程验证中的优势。 解释了使用虚拟现实设计系统的装配零件和装配顺序。 近年来，虚拟样机已经走过了一段很长的路，当前的环境可以实现立体视觉效果，环绕声以及与生成的模型的充分互动。 在使用VR软件构建的虚拟现实环境中，开发涡轮发动机的虚拟样机，并进行零件运动的模拟以说明装配工艺规划。
copy;2015，IFAC（国际自动控制联合会）由Elsevier有限公司主办，保留所有权利。
关键词：虚拟现实，原型设计，装配操作，飞机涡轮发动机
- 介绍
Wang G.（2002）描述了在传统的机械设计和制造过程中，首先要完成程序设计和计划演示的概念，然后进行产品设计。 今天，飞机制造业努力成为市场上最具成本效益和效率的产品。 生产成本需要保持在低水平以面对世界市场的竞争，实现这一目标的主要原因是技术。 减少产品开发周期时间和成本一直是战略重点领域（Burdea G.，2000）。
物理原型的开发和组装，拆卸和维护任务的验证至关重要。 因此，重要的是虚拟现实和数字制造技术应用于产品开发过程中的严格时间限制，并为员工进行培训练习（Prem，2005）。
通过分析产品的整体性能，虚拟现实（VR）技术可以克服传统设计和制造过程中的缺点（Burdea G.，2003）。 在虚拟现实的环境中，工程师直接应用CAD系统中提供的各种组件的几何信息和物理信息，在计算机中建立三维数字模型的整个产品逼真图像。 这种三维数字模型被称为数字模型（Huang YJ，2004）。 通过使用立体眼镜，游戏手柄，头戴式显示器，手套，三维鼠标和鸟群跟踪器等各种外围设备，可以实现用户与模型之间的交互。
另外，修改计算机中的设计缺陷相对容易，并且节省时间。 设计图可以修改和改进，直到达到最佳设计。 此外，将创建视觉，听觉和其他反馈信息。 作为一种先进的设计理念，虚拟现实技术是机械设计和制造领域的一种实用手段（Yosh，1996）。
在20世纪60年代初期，莫顿海利格发明了VR的现代概念，并获得了题为“Sensorama模拟器”的商业设计专利。 这个新兴的虚拟现实视频街机展台提前展示了多重感官刺激，试图将用户完全沉浸在虚拟世界中，这在的海利格的情况下是摩托车骑行（McLeod，2001）。
随着技术的进步，超级计算机与大型180°影院屏幕相结合，用于参与增强虚拟世界的感觉。 图像可以人为生成，然后通过人机界面进行控制。 在二十世纪八十年代末和九十年代初，带有运动探测器的耳机成为显示图像的首选媒体。 这些使用户能够在模拟世界中四处走动并与虚拟对象交互（McLeod，2001）。 这种方法也证明了对于当时更广泛的商业市场来说是缓慢的，繁重的和昂贵的，但最近的发展已经为更广泛的开发开辟了VR（Ong和Nee，2004）。
允许虚拟装配评估和分析的技术尚未得到行业的充分利用。 虽然这种新兴技术在商业行业的应用方面还没有完全理解，但整体而言，技术被认为是可行的和有价值的。 本文的目标是开发一个VR支持的交互式沉浸式装配系统，该系统可用于装配培训和验证。 本文演示了使用虚拟现实工具创建有价值的设计平台的可行性。 演示了飞机涡轮发动机的装配部件及其使用沉浸式虚拟现实设计平台的装配顺序。
- 背景
虚拟现实是Jaron Larnier于1989年创造的一个术语，这两个词由它们的同义词和外延形成鲜明对比，但它仍然是实时计算机图形世界中最可接受的术语。 虚拟现实有几种定义，但最全面的描述是由Burdea等人提供的。 （2003）指出：“虚拟现实是一种高端的用户 - 计算机接口，它涉及通过多个感知通道进行实时模拟和交互，这些感知形式是视觉，听觉，触觉，嗅觉和味觉。”（2002）Amundarain等人描述了飞机发动机可维护性的虚拟现实。 他们工作的主要结论是，基于低成本硬件的基于力反馈的虚拟现实系统可以直接应用于行业，这些系统可能会导致成本的显着降低。
Regenbrecht等人（2005）选择了十个增强现实（AR）项目，并在过去实施，以检查面临的主要挑战并分享一些经验教训。 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。 在实地应用AR之前，有许多技术和组织问题需要解决。 除了所涉及的应用特定问题之外，一些通用指导方针也从他们获得的经验中得出。
Christiand等人 （2007）介绍了利用触觉设备开发智能组装/拆卸（A / D）系统。 相信触觉，优化序列算法和智能路径规划的组合将提高整个飞机部件维护过程的效率。
Brough等人（2007）讨论了虚拟培训工作室（VTS）的发展，这是一个虚拟的基于环境的培训系统，允许培训主管制定培训指导，并允许学员在虚拟环境中学习装配操作。 他们的系统主要侧重于培训的认知方面，以便学员能够学习识别零件，记住装配顺序，并在装配操作过程中正确定位零件。 另外，他们的测试结果表明该系统能够支持广泛的应用各种培训偏好，并能很好地支持组装操作培训。
Stone等人（2011）讨论了与英国和俄罗斯航空航天研究，开发，教育和培训相关的一系列近期VR和严肃游戏应用的开发和测试的其他发现; 并寻求界定那些需要紧急考虑的问题。 此外，研究工作讨论了在典型航空航天应用中使用虚拟环境和/或严肃游戏的一些实际方法，并为今后的发展提出了一些有用的建议。
根据文献，可以得出结论，在过去的二十年里，在虚拟装配领域已经做了大量的工作。 但是，还存在一些问题，如CAD模型与VR软件的集成; VR环境中的图形应该像真实的图形一样，并且跟踪和触觉设备的集成可以给出感官反馈。 这些所有问题主要需要VR软件的解决方案，应该能够应对所有这些挑战。
- 虚拟原型的优点
对VP工具的调查表明，该技术具有使新产品和新制造工艺发展现代化的潜力（Schmitz，1998）。 然而，正在发表的案例研究详细介绍了工业组织在VP工具上的实施，开发和成功，对于启动其他工业企业寻求早期技术采用者所取得的显着业务和流程优势产生了重大影响。
在试图建立与采用VP工具相关的机会和好处时，重要的是首先了解该技术和方法提供的优势和能力，以及这些组织通常运营的业务和供应链压力。 通过对VP工具的评估，通过经验，已发表的学术研究和一些行业领先的案例研究，突出显示了许多优势。 这些优点如下（Norton，2001）：
- 缩短上市时间。
- 允许早期测试。
- 可以进行昂贵或不可能的测试。
- 减少对物理原型的需求。
- 提高操作员的安全性和舒适性。
- 删除地理边界。
- 提供通用的设计标准和语言。
- 保护利润率。
- 提高公司敏捷性。
- 降低开发成本。
- 减少工程变更的范围和规模。
- Engenders是一个右第一次的态度。
- 揭开设计的复杂性。
- 使所有相关方都能够充分参与产品开发过程。
- 虚拟现实系统描述
为了创建飞机涡轮发动机的虚拟环境，已经使用了半沉浸式虚拟现实套件，如图1所示。它包括一个大屏幕（3.1mx2.1米），一台科视Christie Mirage后投影高分辨率投影仪制造身临其境的三维（3-D）环境，用于立体观看的主动式快门眼镜和配备2.33 GHz Intel Xeon处理器和1.5 GB Nvidia FX5800图形卡的Dell Precision T5400工作站。 惯性追踪系统（即Intersense IS900）可动态，实时地测量使用者头部和手部的位置和方向。
图1.虚拟现实系统。
- 飞机涡轮发动机原理
燃气轮机是一种使用空气作为工作流体的内燃机。 发动机从燃料中提取化学能并利用工作流体（空气）的气体能量将其转化为机械能，以驱动发动机和螺旋桨，从而推动飞机。
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- 风扇系统
风扇吸入并压缩发动机前部的大量空气。 大量的空气绕过发动机核心并从冷排气喷嘴排出，造成发动机推力的最大部分。
大型风扇比推进效率和噪音更好，但却带来了重量和阻力等问题（Rolls-Royce plc，2007）。
图2.风扇系统。
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- 压缩机
压缩机向燃烧室输送高压空气。 空气被压缩得越多，涡轮机内的功率就越多。 部分压缩空气用于辅助任务，例如冷却热部件。
图3.压缩机组件零件。
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- 燃烧室
燃烧器用来自压缩机的空气燃烧燃料。 燃烧器必须产生大量能量以驱动涡轮机。 面临的挑战是以最低的排放量从最小量的燃料中产生最大量的热量。
图4.燃烧室与压缩机。
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- 涡轮
涡轮机从燃烧器提供的热气流中提取能量。 这种动力用于驱动风扇和压缩机。 涡轮叶片面临的挑战是在高温和大离心负荷的极其恶劣的环境中运行（Rolls-Royce plc，2007）。
图5.涡轮组件零件。
- 涡轮组装步骤
飞机发动机涡轮涉及的各个步骤如下：
步骤1：首先，将轴作为基座部件。
步骤2：将涡轮机与轴一起固定。
步骤3：组装压缩机1部件。
步骤4：主压缩机部件的组装。
步骤5：固定轴承部件。
步骤6：组装压缩机2部件。
步骤7：组装稳定器齿轮。
步骤8：固定传动盖。
步骤9：组装燃烧室。
步骤10：固定涡轮发动机的主体。
步骤11：固定燃烧器插头。
步骤12：风扇系统的组装。
图6显示了飞机发动机的组装结构
图6.涡轮组装树
图7显示了飞机发动机涡轮的渲染模型。 它显示了飞机涡轮发动机中完整的装配部件及其位置。 另外，可以看到轴是一个底座部件，所有其他部件将根据其装配顺序安装在轴上。
图7.带套管的完整组装部件。
半沉浸式环境给用户在数字环境中的存在感。 它可以帮助用户像真实环境中一样分析设计和组装。 诸如碰撞检测之类的特征可用于验证组件，如干扰。 运动模拟为用户提供组装顺序。 图8显示了飞机涡轮发动机的半沉浸式VR环境。 在交互式虚拟手的帮助下（如图所示），人们可以在数字拟真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。
- 使用虚拟现实工具学习的挑战和经验
航空工业一直是探索使用新技术来简化和标准化设计过程及其相关通信要求的关键追随者
（McLeod，2001）。 为了回应实用价值：虚拟现实技术的集成增强了制造商实施各种技术解决方案的可能性，并使此过程更快。 它有助于将获得的知识转移到流程和产品中，并为产品或流程开发早期阶段收集到的信息提供更好的机会（Bargelis and Baltrusaitis，2013）。 虚拟现实技术可以解决装配培训中存在的问题，如设备成本高，占地面积大，实际装配时风险大等。 这对降低成本和提高效率具有重要意义（胡和江，2014）。 尽管VR技术应用范围广泛，潜力巨大，但仍存在诸多未解决的理论问题和技术障碍，尤其是实体建模和实时交互将决定虚拟现实系统的成功与否（海建和文姚， 2014）。
在航空航天领域，通过采用虚拟现实技术实现的节约显然有两个重要方面。 首先，使用先进技术来协助工程设计的好处是节省时间和成本的重要来源，可以尽早发现错误。 其次，将数字技术扩展到设计过程中，可以使其与产品开发的“生产”方面更加完全结合（Stone等人，2011年）。 在VR的帮助下，精简和控制数据和信息交换，特别是在大型项目中，可减少由于信息不正确而导致设计不良的范围。
虚拟样机和虚拟装配是制造业VR应用最广泛的两个领域。 该研究也正在其他制造领域进行，如布局规划，加工，维护，人体工程学等。基于研究工作，可以说，
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