基于數(shù)字孿生的航空發(fā)動(dòng)機(jī)低壓渦輪單元體對(duì)接技術(shù)研究

(中國(guó)航發(fā)商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司，上海 200241)

0 引言

航空發(fā)動(dòng)機(jī)是典型的復(fù)雜結(jié)構(gòu)產(chǎn)品，其裝配過(guò)程由數(shù)萬(wàn)個(gè)零件形成組件、部件、單元體和整機(jī)。其中，總裝裝配是按照設(shè)計(jì)總圖樣和技術(shù)規(guī)程，把主單元體及成、附件進(jìn)行組合，形成發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)的裝配過(guò)程。總裝裝配是航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造過(guò)程中最為重要的環(huán)節(jié)之一，其技術(shù)水平和裝配質(zhì)量直接影響航空發(fā)動(dòng)機(jī)的工況特性，決定著發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程的可靠性、壽命及主要性能參數(shù)[1-3]。目前，國(guó)內(nèi)航空發(fā)動(dòng)機(jī)總裝裝配多年來(lái)依然采用傳統(tǒng)裝配方法，以關(guān)鍵工藝環(huán)節(jié)為例，低壓渦輪單元體對(duì)接過(guò)程主要使用手工方式裝配，通過(guò)人工目視檢查對(duì)接裝配質(zhì)量，裝配質(zhì)量不穩(wěn)定，裝配效率偏低，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大，裝配作業(yè)過(guò)程管理困難，與國(guó)際先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)總裝裝配技術(shù)差距巨大，已成為制約我國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸之一。為此，針對(duì)商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵工藝環(huán)節(jié)，發(fā)展數(shù)字化、自動(dòng)化技術(shù)，對(duì)于提高發(fā)動(dòng)機(jī)裝配過(guò)程質(zhì)量一致性、穩(wěn)定性及效率具有重要意義。

數(shù)字孿生(Digital Twin)通過(guò)數(shù)字化方式構(gòu)建物理實(shí)體與其虛擬模型之間的關(guān)聯(lián)，在數(shù)字環(huán)境中借助數(shù)據(jù)模型與物理實(shí)體之間的數(shù)據(jù)交互，并通過(guò)融合分析及決策迭代優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)面向產(chǎn)品全生命周期過(guò)程的模型、數(shù)據(jù)、智能技術(shù)的集成[4]，支持產(chǎn)品研發(fā)、生產(chǎn)及業(yè)務(wù)管理過(guò)程科學(xué)、可靠、有效的分析和決策，達(dá)成更為準(zhǔn)確的企業(yè)生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)指標(biāo)[5]。

本文選取商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)總裝裝配關(guān)鍵工藝低壓渦輪單元體對(duì)接過(guò)程為研究對(duì)象，通過(guò)數(shù)字孿生技術(shù)，將真實(shí)裝配工藝過(guò)程與3D虛擬仿真通過(guò)過(guò)程數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和驅(qū)動(dòng)，達(dá)到物理融合、模型融合、數(shù)據(jù)融合和服務(wù)融合，實(shí)現(xiàn)真實(shí)對(duì)接過(guò)程與虛擬仿真的交互與協(xié)同，提高裝配效率及裝配過(guò)程一致性。

1 數(shù)字孿生技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用

1.1 概念

“數(shù)字孿生”又稱(chēng)為“數(shù)字化雙胞胎”，2003年，由密歇根大學(xué)的Michael Grieves教授在其產(chǎn)品全生命周期管理課程上提出了概念雛形，將產(chǎn)品數(shù)字化雙胞胎定義為“與物理產(chǎn)品等價(jià)的虛擬數(shù)字化表達(dá)”。2011年之后，數(shù)字雙胞胎概念由美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室提出并得到了進(jìn)一步發(fā)展，并逐步在2016年之后由波音、羅羅、西門(mén)子、達(dá)索、洛克希德馬丁等公司及組織開(kāi)展應(yīng)用[6]。數(shù)字孿生(數(shù)字化雙胞胎)的基本概念是指，針對(duì)產(chǎn)品、生產(chǎn)或管理過(guò)程中的具體問(wèn)題，通過(guò)仿真建模手段，實(shí)現(xiàn)對(duì)具體問(wèn)題對(duì)象的數(shù)字化模型表達(dá)，并在數(shù)字化模型中模擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的行為，進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，通過(guò)數(shù)據(jù)分析、預(yù)測(cè)等手段，解決具體問(wèn)題的一種技術(shù)手段，其核心是模型和數(shù)據(jù)。

1.2 數(shù)字孿生的應(yīng)用及準(zhǔn)則要求

按照?qǐng)D1所示的產(chǎn)品研制生態(tài)系統(tǒng)基本原理，產(chǎn)品研制系統(tǒng)可分為由產(chǎn)品、生產(chǎn)和業(yè)務(wù)3個(gè)維度構(gòu)成[7]，據(jù)此基于模型的數(shù)字孿生技術(shù)也包括“產(chǎn)品數(shù)字孿生”、“生產(chǎn)數(shù)字孿生”和“業(yè)務(wù)管理數(shù)字孿生”，通過(guò)三者的有機(jī)結(jié)合，改善傳統(tǒng)產(chǎn)品研制過(guò)程主要依靠生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的試制、調(diào)試和整改過(guò)程，避免問(wèn)題不能及時(shí)暴露、批量生產(chǎn)質(zhì)量問(wèn)題多及生產(chǎn)成本浪費(fèi)等情況。數(shù)字孿生的具體應(yīng)用場(chǎng)景如下：

圖1 產(chǎn)品研制生態(tài)系統(tǒng)

1)產(chǎn)品數(shù)字孿生：產(chǎn)品數(shù)字孿生指基于模型與數(shù)字樣機(jī)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程，按照航空產(chǎn)品研制過(guò)程分析，主要包括需求分析、概念設(shè)計(jì)、方案設(shè)計(jì)、虛擬驗(yàn)證等階段，在設(shè)計(jì)階段，通過(guò)模型、數(shù)字樣機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品尺寸公差分析，評(píng)估對(duì)應(yīng)零部件、工裝是否滿(mǎn)足既定設(shè)計(jì)目標(biāo)，通過(guò)明確對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量有重要影響的產(chǎn)品特征(如孔、面、線(xiàn)等)，來(lái)模擬分析和評(píng)估產(chǎn)品設(shè)計(jì)和未來(lái)制造過(guò)程中的關(guān)鍵特征，從而在設(shè)計(jì)研發(fā)階段為產(chǎn)品質(zhì)量改善提供改進(jìn)建議；

2)生產(chǎn)數(shù)字孿生：生產(chǎn)數(shù)字孿生主要通過(guò)生產(chǎn)過(guò)程虛實(shí)模型的對(duì)應(yīng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)工藝及生產(chǎn)過(guò)程的優(yōu)化分析與評(píng)估。以裝配過(guò)程為例，數(shù)字孿生環(huán)境下，首先需要對(duì)裝配工藝規(guī)程進(jìn)行基于模型的驗(yàn)證與評(píng)價(jià)，確保裝配制造過(guò)程和裝配制造方法的有效性。具體實(shí)施過(guò)程中，通過(guò)把產(chǎn)品，資源和工藝操作結(jié)合起來(lái)分析產(chǎn)品裝配的順序和工序的流程，并在裝配制造模型下進(jìn)行裝配工裝的驗(yàn)證、仿真夾具的動(dòng)作、仿真產(chǎn)品的裝配流程、驗(yàn)證產(chǎn)品裝配的工藝性，達(dá)到盡早發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，解決問(wèn)題的目的。同時(shí)，考慮典型航空產(chǎn)品生產(chǎn)環(huán)境中人機(jī)協(xié)同的重要性，進(jìn)行人機(jī)工程分析，分析人體的可視、可達(dá)及操作姿態(tài)、疲勞等方面，了解裝配的可行性和局限性，從而確定最佳操作順序。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，通過(guò)實(shí)時(shí)獲取現(xiàn)場(chǎng)的裝配過(guò)程人機(jī)料法環(huán)測(cè)相關(guān)數(shù)據(jù)，確保與模型要求的一致性，可確認(rèn)航空產(chǎn)品的裝配狀態(tài)，同步展示，在異常情況下及時(shí)報(bào)警提示，糾正過(guò)程錯(cuò)誤，從而保障生產(chǎn)過(guò)程的一致性要求；

3)業(yè)務(wù)管理數(shù)字孿生：業(yè)務(wù)管理數(shù)字孿生主要通過(guò)構(gòu)建當(dāng)前或未來(lái)工廠(chǎng)的虛擬模型，結(jié)合訂單、產(chǎn)品、物流供應(yīng)啦那、布局、人員、資源等的具體數(shù)據(jù)，對(duì)工廠(chǎng)及供應(yīng)鏈全局的業(yè)務(wù)運(yùn)行過(guò)程進(jìn)行分析及優(yōu)化的過(guò)程，目前的基于模型的工廠(chǎng)規(guī)劃，即屬于業(yè)務(wù)管理領(lǐng)域的數(shù)字孿生模型。

通過(guò)對(duì)產(chǎn)品研制生態(tài)系統(tǒng)的數(shù)字孿生業(yè)務(wù)場(chǎng)景進(jìn)行分析，三個(gè)維度通過(guò)相互影響形成產(chǎn)品的全生命周期數(shù)字孿生過(guò)程，以發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品為例，其涵蓋產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造、使用、維護(hù)和退役全生命周期。數(shù)字孿生得以有效發(fā)揮作用，其基本應(yīng)用準(zhǔn)則應(yīng)包括：實(shí)現(xiàn)數(shù)字化模型與物理實(shí)體的有效信息融合，并以業(yè)務(wù)過(guò)程模型為基礎(chǔ)，基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)業(yè)務(wù)過(guò)程模型運(yùn)行分析，通過(guò)多重?cái)?shù)據(jù)的交互與過(guò)程優(yōu)化，最終實(shí)現(xiàn)服務(wù)更加高效、優(yōu)質(zhì)的業(yè)務(wù)過(guò)程的目標(biāo)。這一過(guò)程中，實(shí)時(shí)性越高，優(yōu)化分析迭代的頻率越高，具體需要根據(jù)產(chǎn)品的特點(diǎn)及業(yè)務(wù)運(yùn)行的要求來(lái)進(jìn)行設(shè)定。

2 航空發(fā)動(dòng)機(jī)低壓渦輪單元體對(duì)接安裝需求

以某型商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)為對(duì)象，其低壓渦輪單元體對(duì)接安裝的典型特點(diǎn)及難點(diǎn)在于：

1)安裝過(guò)程行程長(zhǎng)，低壓渦輪軸長(zhǎng)約2 m，裝配行程至少2.2 m；

2)裝配重量大，低壓渦輪單元體總重超過(guò)800 kg；

3)裝配精度高，低壓渦輪軸與與風(fēng)扇單元體為過(guò)渡配合，配合精度要求0～0.057 mm；

4)裝配環(huán)境可視性差，不易直接觀(guān)察，對(duì)接安裝過(guò)程屬于盲裝過(guò)程。

由于低壓渦輪單元體對(duì)接過(guò)程屬于典型的盲裝過(guò)程，可視性差，導(dǎo)致安裝過(guò)程極易出現(xiàn)磕碰的質(zhì)量問(wèn)題。為此，迫切需要通過(guò)數(shù)字孿生技術(shù)，對(duì)低壓渦輪單元體對(duì)接過(guò)程中產(chǎn)生的各種數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，并通過(guò)建立3D虛擬仿真平臺(tái)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與3D虛擬仿真平臺(tái)模型交互，實(shí)現(xiàn)真實(shí)單元體的對(duì)接過(guò)程在3D環(huán)境下的實(shí)時(shí)監(jiān)控和預(yù)測(cè)，可提高對(duì)接效率及裝配過(guò)程一致性[8-9]。

3 航空發(fā)動(dòng)機(jī)低壓渦輪單元體數(shù)字孿生體技術(shù)

3.1 航空發(fā)動(dòng)機(jī)低壓渦輪單元體數(shù)字孿生體內(nèi)涵

為了構(gòu)建航空發(fā)動(dòng)機(jī)低壓渦輪單元體自動(dòng)對(duì)接過(guò)程的生產(chǎn)數(shù)字孿生，需要建立與某型低壓渦輪單元體等價(jià)的虛擬數(shù)字化模型表達(dá)，通過(guò)對(duì)接相關(guān)特征的有效定義，以此為基礎(chǔ)進(jìn)行真實(shí)條件或模擬條件下的測(cè)試。

首先，需要構(gòu)建航空發(fā)動(dòng)機(jī)低壓渦輪單元體的數(shù)字孿生體，該數(shù)字孿生體概念模型包括下面三個(gè)部分：

1)物理空間的航空發(fā)動(dòng)機(jī)低壓渦輪單元體實(shí)體；

2)虛擬空間的虛擬航空發(fā)動(dòng)機(jī)低壓渦輪單元體；

3)物理空間和虛擬空間之間的數(shù)據(jù)和信息交互接口；

航空發(fā)動(dòng)機(jī)低壓渦輪單元體數(shù)字孿生體是在整個(gè)產(chǎn)品生命周期的一致性模型和計(jì)算模型，它的參數(shù)設(shè)置過(guò)程中與未來(lái)裝配和維護(hù)產(chǎn)品所用的材料、制造規(guī)范及流程相關(guān)聯(lián)。所以航空發(fā)動(dòng)機(jī)低壓渦輪單元體數(shù)字孿生體應(yīng)具有多種特性，具體來(lái)說(shuō)，對(duì)于數(shù)字模型，應(yīng)具有多尺度、可繼承、可計(jì)算特性；對(duì)于實(shí)物模型，具有可連接性、唯一性、可控制特性。

綜上所述，構(gòu)建航空發(fā)動(dòng)機(jī)低壓渦輪單元體數(shù)字孿生體的基本內(nèi)涵包括以下幾個(gè)方面：

1)針對(duì)低壓渦輪單元體的物理實(shí)體與數(shù)據(jù)模型，要具備可連接性和集成性特征；

2)針對(duì)低壓渦輪單元體，要具備寫(xiě)實(shí)性，包括單元體集合模型、數(shù)據(jù)獲取過(guò)程的多敏感信息融合和多處理模型、對(duì)接過(guò)程的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)及物料傳輸系統(tǒng)物理模型等；

3)數(shù)字孿生體要具備廣泛性，適應(yīng)包括整個(gè)單元體對(duì)接裝配全過(guò)程，并從設(shè)計(jì)階段延伸至后續(xù)的維修服務(wù)階段；

4)數(shù)字孿生體要具備可計(jì)算性，確保低壓渦輪單元體可以通過(guò)虛擬仿真和分析來(lái)實(shí)時(shí)反映對(duì)應(yīng)實(shí)體的真實(shí)狀態(tài)。

3.2 航空發(fā)動(dòng)機(jī)低壓渦輪單元體數(shù)字孿生體數(shù)據(jù)組成

航空發(fā)動(dòng)機(jī)低壓渦輪單元體數(shù)字孿生體除了表達(dá)低壓渦輪單元體的幾何特征信息和材質(zhì)等參數(shù)信息外，還包括了裝配工藝過(guò)程的參數(shù)數(shù)據(jù)描述，因此，低壓渦輪單元體對(duì)接裝配生產(chǎn)數(shù)字孿生體是一個(gè)過(guò)程模型和動(dòng)態(tài)模型，會(huì)隨著低壓渦輪單元體對(duì)接過(guò)程的實(shí)施而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的產(chǎn)生、增加和不斷的演化。組成航空發(fā)動(dòng)機(jī)低壓渦輪單元體的數(shù)字孿生體的數(shù)據(jù)主要包括：設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、工藝過(guò)程數(shù)據(jù)、制造過(guò)程數(shù)據(jù)和裝配過(guò)程數(shù)據(jù)，如圖2所示。

1)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)：包括某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)低壓渦輪單元體三維模型數(shù)據(jù)(表達(dá)幾何形狀信息幾何數(shù)據(jù))、屬性數(shù)據(jù)(表達(dá)低壓渦輪單元體相關(guān)的材料、規(guī)范、分析數(shù)據(jù)、測(cè)試需求的數(shù)據(jù))、三維標(biāo)注數(shù)據(jù)(表達(dá)低壓渦輪對(duì)接尺寸與公差)，包含裝配對(duì)接關(guān)系的設(shè)計(jì)BOM，以及設(shè)計(jì)文檔。

2)工藝設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)：包括低壓渦輪單元體對(duì)接裝配工藝裝備模型信息(包括對(duì)接設(shè)備、設(shè)施、工裝工具的工序模型)、工序設(shè)計(jì)要求數(shù)據(jù)(資源特征信息、對(duì)接方法、對(duì)接工藝控制參數(shù)等)、質(zhì)量控制要求數(shù)據(jù)(對(duì)接檢驗(yàn)/測(cè)量要求、關(guān)鍵/重要工序質(zhì)量控制要求信息)、仿真評(píng)估數(shù)據(jù)(幾何仿真、物理仿真、對(duì)接過(guò)程仿真)，工裝工具設(shè)計(jì)要求數(shù)據(jù)、控制過(guò)程要求數(shù)據(jù)。

3)制造過(guò)程中數(shù)據(jù)：包括低壓渦輪單元體、風(fēng)扇單元體制造BOM信息、檢測(cè)過(guò)程實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)、技術(shù)狀態(tài)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)、生產(chǎn)環(huán)境實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)、工藝裝備實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)等。

4)裝配過(guò)程中數(shù)據(jù)：包括低壓渦輪軸與風(fēng)扇單元體的選配數(shù)據(jù)、對(duì)接過(guò)程操作動(dòng)作數(shù)據(jù)、過(guò)程狀態(tài)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)、預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)、多傳感器采集和分析數(shù)據(jù)等。此部分為動(dòng)態(tài)模型數(shù)據(jù)。

3.3 基于數(shù)字孿生的航空發(fā)動(dòng)機(jī)低壓渦輪單元體自動(dòng)對(duì)接

基于數(shù)字孿生的航空發(fā)動(dòng)機(jī)低壓渦輪單元體自動(dòng)對(duì)接，分為真實(shí)實(shí)體對(duì)接過(guò)程和虛擬仿真對(duì)接過(guò)程，兩個(gè)過(guò)程并行進(jìn)行，實(shí)時(shí)進(jìn)行信息交互，通過(guò)虛擬對(duì)接過(guò)程，可對(duì)真實(shí)對(duì)接過(guò)程進(jìn)行過(guò)程監(jiān)控、預(yù)測(cè)和指導(dǎo)，保證對(duì)接過(guò)程的順利進(jìn)行[10]。

基于數(shù)字孿生的航空發(fā)動(dòng)機(jī)低壓渦輪單體自動(dòng)對(duì)接過(guò)程如圖3所示。為了提高低壓渦輪單元體裝配過(guò)程的可視化程度，在此基礎(chǔ)上，對(duì)重要的過(guò)程數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控、預(yù)測(cè)并隨時(shí)對(duì)過(guò)程進(jìn)行調(diào)整，提高生產(chǎn)過(guò)程效率及質(zhì)量水平。數(shù)字孿生通過(guò)如下過(guò)程提高自動(dòng)對(duì)接過(guò)程的效率及質(zhì)量水平。

圖2 航空發(fā)動(dòng)機(jī)低壓渦輪單元體數(shù)字孿生技術(shù)對(duì)接裝配流程圖

1)自動(dòng)運(yùn)輸及上下料過(guò)程數(shù)字孿生。此過(guò)程通過(guò)大負(fù)載自動(dòng)運(yùn)輸AGV小車(chē)將低壓渦輪單元體自低壓渦輪區(qū)運(yùn)輸至對(duì)接安裝區(qū)域，使用絲杠機(jī)構(gòu)的自動(dòng)上下料裝置將低壓渦輪單元體自動(dòng)放置于智能裝配平臺(tái)上。運(yùn)輸AGV小車(chē)運(yùn)載低壓渦輪單元體時(shí)，需對(duì)低壓渦輪軸與風(fēng)扇單元體數(shù)據(jù)進(jìn)行選配。為了準(zhǔn)確獲取低壓渦輪軸選配信息、單元體運(yùn)輸及放置信息，建立仿真環(huán)境，包含低壓渦輪單元體、風(fēng)扇核心機(jī)單元體、AGV運(yùn)輸小車(chē)、自動(dòng)上下料裝置等實(shí)體模型，并通過(guò)數(shù)據(jù)采集實(shí)現(xiàn)模型數(shù)據(jù)與實(shí)體數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)映射。此過(guò)程完成低壓渦輪單元體與風(fēng)扇單元體選配、低壓渦輪單元體運(yùn)輸過(guò)程及低壓渦輪單元體上料過(guò)程準(zhǔn)確跟蹤。

2)多自由度自動(dòng)對(duì)接過(guò)程數(shù)字孿生。由多自由度位移與姿態(tài)調(diào)整平臺(tái)組成，包括X、Y、Z方向的移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)以及裝配過(guò)程中所需的2個(gè)局部自由度，同時(shí)建立多自由度位移與姿態(tài)調(diào)整平臺(tái)的數(shù)字模型。物理實(shí)體與數(shù)字模型通過(guò)多傳感器建立數(shù)據(jù)融合關(guān)系，實(shí)現(xiàn)對(duì)接過(guò)程可視化及實(shí)時(shí)位姿調(diào)整。多傳感器數(shù)據(jù)采集包括相對(duì)位姿通過(guò)定制的激光跟蹤與引導(dǎo)測(cè)量系統(tǒng)、高精度激光測(cè)距系統(tǒng)、高精度超聲測(cè)距系統(tǒng)和力傳感系統(tǒng)等。通過(guò)將測(cè)量數(shù)據(jù)反饋至控制系統(tǒng)，進(jìn)行位姿調(diào)整，實(shí)現(xiàn)無(wú)磕碰、平滑對(duì)接。通過(guò)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，將單元體的位置、距離等信息實(shí)時(shí)傳輸?shù)教摂M仿真平臺(tái)，平臺(tái)中模型根據(jù)輸入信息進(jìn)行隨動(dòng)，根據(jù)采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，可對(duì)對(duì)接過(guò)程進(jìn)行預(yù)測(cè)，操作人員可根據(jù)預(yù)測(cè)信息，進(jìn)行隨時(shí)的分析、調(diào)整和單機(jī)模擬，保障對(duì)接成功。

3)螺母擰緊過(guò)程數(shù)字孿生。分為主螺母和邊螺母擰緊兩部分。對(duì)主螺母擰緊過(guò)程采用自動(dòng)方式擰緊，建立其數(shù)字化模型，通過(guò)激光測(cè)距、視覺(jué)檢測(cè)、電動(dòng)扳手等設(shè)備及檢測(cè)裝置獲取數(shù)據(jù)。將視覺(jué)引導(dǎo)機(jī)器人采集的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送的虛擬仿真平臺(tái)，進(jìn)行實(shí)時(shí)模擬和檢測(cè)。邊螺母通過(guò)視覺(jué)引導(dǎo)方式進(jìn)行對(duì)中，由于空間限制，采用人工方式進(jìn)行擰緊。

4 關(guān)鍵技術(shù)

4.1 3D虛擬仿真平臺(tái)構(gòu)建技術(shù)

低壓渦輪單元體對(duì)接生產(chǎn)數(shù)字孿生的主要展示方式為三維虛擬展示，基于數(shù)字孿生的虛擬對(duì)接平臺(tái)需要滿(mǎn)足下面4個(gè)技術(shù)要求：

1)低壓渦輪單元體模型數(shù)據(jù)基礎(chǔ)處理。要求對(duì)虛擬場(chǎng)景中的低壓渦輪單元體三維模型關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)模型，具體包括低壓渦輪單元體對(duì)接裝配裝配的空間數(shù)據(jù)：如位置、形狀、尺寸、比例等；環(huán)境屬性數(shù)據(jù)：對(duì)對(duì)接空間中不同角度的環(huán)境屬性通過(guò)材質(zhì)設(shè)定或圖片形式進(jìn)行模擬。

2)低壓渦輪單元體模型虛擬場(chǎng)景三維建模，在虛擬場(chǎng)景中，低壓渦輪軸、風(fēng)扇單元體、對(duì)接設(shè)備、物料配送設(shè)備的虛擬對(duì)象是主體，這些主體通過(guò)建模來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)復(fù)現(xiàn)的。對(duì)象建模過(guò)程中，首先要對(duì)基本的幾何建模及配合公差進(jìn)行檢查，確保一致性。

3)低壓渦輪單元體對(duì)接裝配過(guò)程三維優(yōu)化，對(duì)于對(duì)接模型模擬擬仿真過(guò)程中，需要嚴(yán)格考慮硬件設(shè)備的制約情況，設(shè)定虛擬場(chǎng)景環(huán)境下的交互過(guò)程涉及的關(guān)鍵參數(shù)數(shù)據(jù)，通過(guò)在數(shù)據(jù)環(huán)節(jié)中連接實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)虛實(shí)模型的融合互聯(lián)。

4)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的低壓渦輪單元體仿真，通過(guò)設(shè)計(jì)對(duì)接參數(shù)變量，可從傳感器實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)或模擬器發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行變量賦值，平臺(tái)通過(guò)模型綁定的變量與預(yù)設(shè)的動(dòng)作進(jìn)行關(guān)聯(lián)，進(jìn)行互動(dòng)仿真操作。

3D虛擬仿真平臺(tái)通過(guò)構(gòu)建低壓渦輪單元體物理實(shí)體的數(shù)字模型，通過(guò)在數(shù)字化方式下實(shí)時(shí)展示對(duì)接裝配過(guò)程的進(jìn)展?fàn)顟B(tài)數(shù)據(jù)，可以大大改善傳統(tǒng)裝配方式中裝配過(guò)程可視化程度差的問(wèn)題，預(yù)防磕碰質(zhì)量問(wèn)題產(chǎn)生。

4.2 基于多線(xiàn)程的數(shù)據(jù)采集技術(shù)

在低壓渦輪單元體對(duì)接生產(chǎn)數(shù)字孿生過(guò)程中，數(shù)據(jù)的連接與綁定是達(dá)成孿生及過(guò)程可視化展示與提前預(yù)警的基礎(chǔ)，在建立的低壓渦輪單元體數(shù)字孿生平臺(tái)中，需要對(duì)真實(shí)環(huán)境中所應(yīng)用的位置、距離、力傳感數(shù)據(jù)進(jìn)行變量關(guān)聯(lián)，通過(guò)獨(dú)立的線(xiàn)程進(jìn)行單獨(dú)接收、存儲(chǔ)和計(jì)算，驅(qū)動(dòng)場(chǎng)景中的三維模型進(jìn)行映射調(diào)資，從而實(shí)現(xiàn)將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的讀取與處理數(shù)據(jù)的界面操作交給不同的線(xiàn)程并發(fā)執(zhí)行,解決實(shí)時(shí)性的問(wèn)題。

低壓渦輪單元體對(duì)接裝配仿真平臺(tái)中，每個(gè)控制程序以線(xiàn)程為最小的獨(dú)立運(yùn)行單位進(jìn)行控制。在協(xié)同并行工作中，每一個(gè)線(xiàn)程都有自己的堆棧，并獨(dú)立于應(yīng)用程序內(nèi)的其他線(xiàn)程而運(yùn)行，多個(gè)線(xiàn)程可以同時(shí)運(yùn)行。利用多線(xiàn)程機(jī)制可以實(shí)現(xiàn)進(jìn)程內(nèi)的各個(gè)子任務(wù)并行執(zhí)行，從而提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)響應(yīng)性能，提高生產(chǎn)過(guò)程問(wèn)題處理效率。

4.3 基于激光導(dǎo)航與傳感的物料自動(dòng)運(yùn)輸技術(shù)

為了實(shí)現(xiàn)低壓渦輪單元體自動(dòng)運(yùn)輸及運(yùn)輸過(guò)程數(shù)據(jù)自動(dòng)采集，采用激光反射原理，在自動(dòng)運(yùn)輸小車(chē)AGV行走路徑周?chē)惭b位置精確的激光反射板，AGV通過(guò)發(fā)射激光束，來(lái)確定其當(dāng)前的位置和方向，計(jì)算相對(duì)位置，通過(guò)幾何運(yùn)算實(shí)現(xiàn)路徑導(dǎo)航。

低壓渦輪單元體運(yùn)輸AGV小車(chē)負(fù)載運(yùn)行過(guò)程中，負(fù)荷大，運(yùn)動(dòng)速度控制小于20 m/min，考慮裝配車(chē)間人員行駛路徑與AGV行駛路徑，為保證人員安全，設(shè)置激光防撞儀及急停裝置，安全控制結(jié)構(gòu)如圖4所示。在數(shù)字孿生體中，數(shù)字模型獲取實(shí)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，通過(guò)安全防護(hù)裝置實(shí)現(xiàn)自動(dòng)運(yùn)輸過(guò)程可視化自動(dòng)防護(hù)，逐步形成自動(dòng)運(yùn)輸過(guò)程的現(xiàn)場(chǎng)管理規(guī)范及規(guī)則。

圖4 物料自動(dòng)運(yùn)輸安全防護(hù)

4.4 對(duì)接過(guò)程激光跟蹤與位姿測(cè)量技術(shù)

考慮商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)對(duì)接過(guò)程安裝精度要求高，考慮數(shù)據(jù)采集及控制過(guò)程中，為了準(zhǔn)確獲取數(shù)據(jù)并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)對(duì)接過(guò)程的有效控制，采用激光跟蹤與引導(dǎo)系統(tǒng)、高精度激光測(cè)量傳感器、高精度超聲測(cè)量傳感器等有效測(cè)量及控制低壓渦輪和風(fēng)扇核心機(jī)單元體的相對(duì)姿態(tài)[11]。

圖5 定制的激光跟蹤與引導(dǎo)測(cè)量工作原理

通過(guò)圖5所示的定制的激光跟蹤及引導(dǎo)測(cè)量裝置，并與3D虛擬仿真平臺(tái)中的數(shù)字化模型進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，在虛擬平臺(tái)中顯示低壓渦輪與風(fēng)扇單元體核心機(jī)相對(duì)姿態(tài)，當(dāng)目標(biāo)移動(dòng)時(shí)，激光跟蹤頭保證跟蹤兩組激光，同時(shí)準(zhǔn)確測(cè)量低壓渦輪與風(fēng)扇單元體核心機(jī)后端的相對(duì)姿態(tài)，從而得出低壓渦輪和風(fēng)扇核心機(jī)單元體前端之間的相對(duì)偏差。為多自由度裝配平臺(tái)提供控制輸入，形成虛實(shí)融合控制。提高控制精度及可視化程度。

5 結(jié)束語(yǔ)

基于數(shù)字孿生的低壓渦輪單元體對(duì)接技術(shù)研究通過(guò)建立低壓渦輪單元體對(duì)接過(guò)程數(shù)字孿生體，形成低壓渦輪單元體、對(duì)接過(guò)程、對(duì)接環(huán)境的數(shù)字化虛擬仿真平臺(tái)，并通過(guò)多傳感器建立數(shù)字化虛擬模型與實(shí)物模型之間的映射關(guān)系，采用多線(xiàn)程數(shù)據(jù)采集技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)接過(guò)程中虛擬仿真平臺(tái)與實(shí)物的準(zhǔn)確映射，對(duì)對(duì)接過(guò)程實(shí)時(shí)進(jìn)行監(jiān)視與控制，從而有效提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)接裝配的精度和效率，是未來(lái)滿(mǎn)足快速研制生產(chǎn)和批產(chǎn)的必由之路。為了將該技術(shù)成功應(yīng)用于我國(guó)的商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)批產(chǎn)生產(chǎn)過(guò)程中，需要更進(jìn)一步納入整個(gè)企業(yè)信息管理，如逐步分層建立部件級(jí)數(shù)字孿生模型，完善3D虛擬仿真平臺(tái)，提高數(shù)據(jù)采集手段，為后續(xù)建立柔性裝配生產(chǎn)線(xiàn)奠定基礎(chǔ)，從根本上提升我國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制水平。