基于增强现实的航空发动机机匣数字孪生测调系统

doi:10.7527/S1000-6893.2023.29462

航空发动机数字孪生专栏

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基于增强现实的航空发动机机匣数字孪生测调系统

梅英杰¹^,², 王大伟¹^,², 孙传智¹^,², 袁腊梅³, 王晓明¹^,², 刘永猛¹^,²()

^1.哈尔滨工业大学仪器科学与工程学院超精密光电仪器工程研究所，哈尔滨 150080
^2.哈尔滨工业大学超精密仪器技术及智能化工信部重点实验室，哈尔滨 150080
^3.哈尔滨工业大学数学学院，哈尔滨 150080

收稿日期:2023-08-18 修回日期:2023-09-12 接受日期:2023-10-09 出版日期:2023-11-23 发布日期:2023-11-22
通讯作者: 刘永猛 E-mail:lym@hit.edu.cn
基金资助:
国家重点研发计划(2021YFF0603200);国家自然科学基金重大研究项目(91960109);国家自然科学基金(52205560);中国博士后科学基金(2021T140164);黑龙江省自然科学基金(LH2020E042);黑龙江省重点研发项目(2022ZX03A03);黑龙江省博士后基金(LBH-TZ2112);中央高校基本科研业务费专项资金(2022FRFK060025)

A digital twin testing and adjusting system for aero-engine casings based on augmented reality

Yingjie MEI¹^,², Dawei WANG¹^,², Chuanzhi SUN¹^,², Lamei YUAN³, Xiaoming WANG¹^,², Yongmeng LIU¹^,²()

^1.Center of Ultra-Precision Optoelectronic Instrument Engineering，School of Instrumentation Science and Engineering，Harbin Institute of Technology，Harbin 150080，China
^2.Key Lab of Ultra-Precision Intelligent Instrumentation Engineering，Ministry of Industry and Information Technology，Harbin Institute of Technology，Harbin 150080，China
^3.School of Mathematics，Harbin Institute of Technology，Harbin 150080，China

Received:2023-08-18 Revised:2023-09-12 Accepted:2023-10-09 Online:2023-11-23 Published:2023-11-22
Contact: Yongmeng LIU E-mail:lym@hit.edu.cn
Supported by:
National Key R&D Program of China(2021YFF0603200);National Natural Science Foundation Major Research Projects of China(91960109);National Natural Science Foundation of China(52205560);China Postdoctoral Science Foundation(2021T140164);Natural Science Foundation of Heilongjiang Province of China(LH2020E042);Key R&D Project of Heilongjiang Province(2022ZX03A03);Heilongjiang Postdoctoral Fund(LBH-TZ2112);The Fundamental Research Funds for the Central Universities(2022FRFK060025)

摘要/Abstract

摘要：

为了提高航空发动机机匣装配精度和效率，提出基于增强现实的航空发动机机匣数字孪生测调系统。利用增强现实设备的高保真交互特性，对航空发动机多级机匣装配进行实时可视化引导装配。建立了航空发动机多级机匣装配数学模型，实现了多级机匣装配同轴度精准预测。将装配数学模型和可视化模型相结合，实现航空发动机机匣数字孪生模型映射。基于模拟的航空发动机多级机匣进行数字孪生装配实验，实验结果表明，提出的数字孪生装配系统的同轴度预测误差为0.6 μm，增强现实可视化交互的平均延时为11 ms，平均帧率为45 fps，装配消耗时间减少了5 h，有效提高了航空发动机机匣装配精度和效率。

关键词: 航空发动机, 机匣装配, 数字孪生, 增强现实, 装配数学模型, 可视化模型

Abstract:

In order to improve the assembly accuracy and efficiency of aero-engine casings， this paper proposes a digital twin testing and adjusting system for aero-engine casings based on augmented reality. Utilizing the high fidelity interactive characteristics of augmented reality device， real-time visualization guided assembly of multi-stage aero-engine casings is carried out. Furthermore， this paper establishes a mathematical model for the assembly of aero-engine multi-stage casings to achieve accurate prediction of coaxiality of multi-stage casing assembly. Combining the assembly mathematical model with visual models， this paper conducts digital twin assembly experiments based on simulated multi-stage aero-engine casings， to achieve digital twin model mapping for aero-engine casings. The experimental results show that the coaxiality prediction error of the digital twin assembly system proposed in this paper is 0.6 μm， the average latency of augmented reality visualization interaction is 11 ms， the average frame rate is 45 fps， and the assembly consumption time is reduced by 5 h， effectively improving the accuracy and efficiency of aero-engine casing assembly.

Key words: aero-engine, assembly of casings, digital twin, augmented reality, assembly mathematical model, visualization mode

中图分类号:

V235.1

梅英杰, 王大伟, 孙传智, 袁腊梅, 王晓明, 刘永猛. 基于增强现实的航空发动机机匣数字孪生测调系统[J]. 航空学报, 2024, 45(21): 629462.

Yingjie MEI, Dawei WANG, Chuanzhi SUN, Lamei YUAN, Xiaoming WANG, Yongmeng LIU. A digital twin testing and adjusting system for aero-engine casings based on augmented reality[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2024, 45(21): 629462.

图/表 14

图 1

图 2

图 3

图 4

图 5

图 6

图 7

表 1

图 8

表 2

图 9

图 10

图 11

图 12

参考文献 27

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主管单位：中国科学技术协会主办单位：中国航空学会北京航空航天大学

机匣测量参数	中介机匣	涡轮机匣	末端轴承座
高度/mm	90	125	106
直径/mm	170	255	180
偏心/μm	2.8	4.4	16.4
偏心角/（°）	171	259	109
垂直度/μm	4.9	3.9	8.8
最低点角度/（°）	192	130	79

装配参数	数值
中介机匣装配相位/（°）	0
涡轮机匣装配相位/（°）	1
末端轴承座装配相位/（°）	179
本文模型同轴度最优值/μm	11.6
DIM模型同轴度最优值/μm	12.3
VP模型同轴度最优值/μm	13.7
同轴度实测值/μm	11.0
传统装配消耗时间/h	18
本文模型消耗时间/h	13
传统装配消耗成本/元	5 000
本文模型消耗成本/元	1 000

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