數(shù)字孿生在航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造工藝中的應(yīng)用探索

■ 朱宇 李海寧 曹志濤 闞鑫禹 魏錢鋅 / 中國(guó)航發(fā)研究院

數(shù)字孿生技術(shù)不僅可利用人類已有理論和知識(shí)建立虛擬模型，而且可利用虛擬模型的仿真技術(shù)，探討和預(yù)測(cè)未知世界，以發(fā)現(xiàn)和尋找更好的方法和途徑、不斷激發(fā)人類的創(chuàng)新思維、不斷追求優(yōu)化進(jìn)步。因此，數(shù)字孿生技術(shù)為當(dāng)前航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造業(yè)的創(chuàng)新和發(fā)展提供了新的理念和工具。

近年來，在大力推進(jìn)智能制造的進(jìn)程中，數(shù)字孿生的概念和技術(shù)逐漸得到研究與運(yùn)用，成為世界范圍內(nèi)的研究熱點(diǎn)，獲得了廣泛和高度的關(guān)注。在生產(chǎn)制造領(lǐng)域，研究人員將更多的注意力集中在生產(chǎn)車間系統(tǒng)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)調(diào)度、資源管控、物流配送、可視化監(jiān)控等方面，開展了數(shù)字孿生理論研究和技術(shù)應(yīng)用（如圖1所示）。 數(shù)字孿生在生產(chǎn)制造領(lǐng)域的應(yīng)用探索主要集中在智能車間、生產(chǎn)線設(shè)計(jì)與管控等方向，但在落地應(yīng)用過程中缺乏相應(yīng)的理論和技術(shù)支撐，特別是如何將數(shù)字孿生技術(shù)與具體制造工藝過程相結(jié)合，開展數(shù)字孿生與制造工藝過程的融合應(yīng)用探索，充分發(fā)揮數(shù)字孿生在實(shí)現(xiàn)物理對(duì)象與虛擬模型實(shí)時(shí)雙向映射中的巨大優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)高效、低成本、高質(zhì)量制造。

圖1 數(shù)字孿生虛實(shí)融合示意圖

經(jīng)過幾十年的努力，我國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造技術(shù)和制造裝備取得了重大進(jìn)展，但在制造技術(shù)發(fā)展過程中存在較多技術(shù)瓶頸和短板問題，特別是在航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字化與智能制造的應(yīng)用和推進(jìn)過程中，面臨制造技術(shù)、配套裝備基礎(chǔ)能力薄弱，信息技術(shù)融合不足等問題，制約了發(fā)動(dòng)機(jī)的研制和發(fā)展。推動(dòng)航空發(fā)動(dòng)機(jī)先進(jìn)制造技術(shù)與新一代信息技術(shù)融合應(yīng)用，提升航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字化、智能化制造整體水平，有利于突破我國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造技術(shù)體系面臨的瓶頸，顯著提高制造技術(shù)成熟度、增強(qiáng)核心能力，是實(shí)現(xiàn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)高質(zhì)量發(fā)展的重要支撐，也是推動(dòng)航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)和跨越發(fā)展的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

制造工藝數(shù)字孿生應(yīng)用模型框架

為使數(shù)字孿生進(jìn)一步在具體制造工藝研究中實(shí)現(xiàn)落地應(yīng)用，參考數(shù)字孿生五維模型的通用模型[1]，本文提出了一個(gè)結(jié)合具體制造工藝過程的數(shù)字孿生應(yīng)用模型（如圖2所示）。

制造工藝過程（物理實(shí)體）

制造工藝過程是數(shù)字孿生模型的構(gòu)成基礎(chǔ)，主要包括制造工藝過程涉及的設(shè)備、原材料、輔助工裝夾具等子系統(tǒng)以及部署的傳感器。各個(gè)子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)不同功能，共同支持物理實(shí)體即整個(gè)制造工藝過程的監(jiān)測(cè)、控制與優(yōu)化過程。

制造過程模型（虛擬實(shí)體）

制造過程模型包括制造工藝過程涉及的幾何模型、物理模型、行為模型、規(guī)則模型等，是在功能與結(jié)構(gòu)上的集成，這些模型從多時(shí)間尺度、多空間尺度對(duì)制造工藝過程進(jìn)行描述，形成與制造工藝過程物理實(shí)體對(duì)應(yīng)的完整映射[1-2]。幾何模型為描述形狀、尺寸、位置等幾何參數(shù)與關(guān)系的三維模型。物理模型在幾何模型的基礎(chǔ)上增加了物理屬性、約束及特征等信息，通?？捎肁nsys、Abaqus 等軟件工具從宏觀及微觀尺度進(jìn)行動(dòng)態(tài)的數(shù)學(xué)近似模擬與描述，如結(jié)構(gòu)、流體、電場(chǎng)、磁場(chǎng)建模仿真分析等。行為模型描述了物理實(shí)體受外部環(huán)境與干擾，以及內(nèi)部運(yùn)行機(jī)制共同作用下產(chǎn)生的實(shí)時(shí)響應(yīng)及行為，行為模型的創(chuàng)建涉及問題模型、評(píng)估模型、決策模型等多種模型的構(gòu)建，可利用馬爾可夫鏈、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等建模方法創(chuàng)建。規(guī)則模型包括基于歷史關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)的規(guī)律、基于隱性知識(shí)總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)，以及相關(guān)領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)與準(zhǔn)則等，這些規(guī)則隨著時(shí)間的推移自增長(zhǎng)、自學(xué)習(xí)、自演化，具備實(shí)時(shí)的判斷、評(píng)估、優(yōu)化及預(yù)測(cè)的能力，不僅能對(duì)物理實(shí)體進(jìn)行控制與運(yùn)行指導(dǎo)，還能對(duì)虛擬實(shí)體進(jìn)行校正與一致性分析，可通過集成已有的知識(shí)獲得，也可利用機(jī)器學(xué)習(xí)算法不斷挖掘產(chǎn)生。

圖2 制造工藝過程的數(shù)字孿生應(yīng)用模型

應(yīng)用系統(tǒng)（服務(wù)）

對(duì)數(shù)字孿生應(yīng)用過程中所需各類數(shù)據(jù)、模型、算法、仿真、結(jié)果進(jìn)行封裝，以工具組件、中間件、模塊引擎等形式支撐數(shù)字孿生內(nèi)部功能運(yùn)行與實(shí)現(xiàn)，并以應(yīng)用系統(tǒng)（或平臺(tái)）等形式滿足不同用戶的不同業(yè)務(wù)需求，包括物理實(shí)體全生命周期各個(gè)階段的優(yōu)化，以及虛擬模型的測(cè)試、校正，使其忠實(shí)映射物理實(shí)體。

制造過程孿生數(shù)據(jù)

制造過程孿生數(shù)據(jù)受制造工藝過程、制造過程模型、應(yīng)用系統(tǒng)運(yùn)行的驅(qū)動(dòng)，主要包括制造工藝過程數(shù)據(jù)、制造過程模型數(shù)據(jù)、應(yīng)用系統(tǒng)數(shù)據(jù)、知識(shí)數(shù)據(jù)及融合衍生數(shù)據(jù)等[1-2]。制造工藝過程數(shù)據(jù)主要包括體現(xiàn)制造過程規(guī)格、功能、性能、關(guān)系等的物理要素屬性數(shù)據(jù)，與反映制造過程運(yùn)行狀況、實(shí)時(shí)性能、環(huán)境參數(shù)、突發(fā)擾動(dòng)等的動(dòng)態(tài)過程數(shù)據(jù)，可通過傳感器、嵌入式系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集卡等進(jìn)行采集；制造過程模型數(shù)據(jù)，主要包括幾何模型、物理模型、行為模型、規(guī)則模型相關(guān)數(shù)據(jù)以及基于上述模型開展的過程仿真、行為仿真、過程驗(yàn)證、評(píng)估、分析、預(yù)測(cè)等的仿真數(shù)據(jù)；應(yīng)用系統(tǒng)數(shù)據(jù)主要包括算法、模型、數(shù)據(jù)處理方法等相關(guān)數(shù)據(jù)；知識(shí)數(shù)據(jù)主要包括專家知識(shí)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)則約束、推理推論、常用算法庫與模型庫等；融合衍生數(shù)據(jù)則是對(duì)上述幾種類型數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后得到的衍生數(shù)據(jù)和信息物理融合數(shù)據(jù)，從而反映更加全面與準(zhǔn)確的信息，并實(shí)現(xiàn)信息的共享與增值[1]。

連接

通過連接實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生各組成部分的互聯(lián)互通，使制造工藝過程、制造過程模型、應(yīng)用系統(tǒng)在運(yùn)行中保持交互，一致與同步；連接使制造工藝過程、制造過程模型、應(yīng)用系統(tǒng)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)存入孿生數(shù)據(jù)，并使孿生數(shù)據(jù)能驅(qū)動(dòng)三者的運(yùn)行。以制造工藝過程與孿生數(shù)據(jù)之間的連接為例，可利用各種傳感器、嵌入式系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集卡等對(duì)制造工藝過程數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，通過控制過程的“對(duì)象鏈接和嵌入- 統(tǒng)一架構(gòu)”（OPC-UA）等協(xié)議規(guī)范傳輸至孿生數(shù)據(jù)，經(jīng)過處理后的數(shù)據(jù)或指令也可通過OPC-UA等協(xié)議規(guī)范傳輸反饋給制造工藝過程并實(shí)現(xiàn)其運(yùn)行優(yōu)化。

圖3 智能加工示意圖

基于數(shù)字孿生的復(fù)雜構(gòu)件智能加工應(yīng)用

在制造工藝數(shù)字孿生應(yīng)用模型框架的基礎(chǔ)上，結(jié)合航空發(fā)動(dòng)機(jī)零部件制造的特點(diǎn)，本文對(duì)基于數(shù)字孿生的復(fù)雜構(gòu)件的智能加工的基本概念和關(guān)鍵技術(shù)加以闡釋。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)整體葉盤、機(jī)匣等復(fù)雜構(gòu)件的數(shù)控加工是一個(gè)高度非線性、難以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)的過程，加工過程并非一直處于理想狀態(tài)，而是伴隨著材料的去除出現(xiàn)多種復(fù)雜的物理現(xiàn)象，如熱變形、彈性變形以及系統(tǒng)振動(dòng)等，導(dǎo)致加工過程中依據(jù)零件理論模型編程得到的“正確”程序，并不一定能夠加工出合格、優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品。正是由于上述各種復(fù)雜的物理現(xiàn)象，加工后的構(gòu)件表面完整性差，導(dǎo)致加工及熱處理后的顯著變形以及服役過程中的應(yīng)力集中，甚至降低航空發(fā)動(dòng)機(jī)的服役性能和壽命，并威脅飛行安全。產(chǎn)生上述問題的原因在于，常規(guī)數(shù)控加工經(jīng)常只考慮數(shù)控機(jī)床或者加工過程本身，缺乏對(duì)加工過程實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集處理，對(duì)工況及時(shí)的感知和預(yù)測(cè)以及對(duì)加工過程的有效監(jiān)控和加工參數(shù)的實(shí)時(shí)調(diào)整優(yōu)化。

圖4 葉片葉盆面與葉背面開展智能加工前后誤差分布對(duì)比

基于數(shù)字孿生的智能加工技術(shù)結(jié)合現(xiàn)代傳感、5G通信等新一代信息技術(shù)，通過標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)接口實(shí)現(xiàn)加工過程實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與傳輸，通過在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)建立數(shù)字孿生模型并實(shí)現(xiàn)加工過程的數(shù)字化與實(shí)時(shí)虛擬可視化，通過在機(jī)檢測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)加工品質(zhì)的在機(jī)快速評(píng)定，進(jìn)行智能加工控制系統(tǒng)與加工設(shè)備的動(dòng)態(tài)集成，實(shí)現(xiàn)制造過程物理世界和信息世界的深度融合與集成應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)每個(gè)試件的高性能制造（如圖3所示）。

相對(duì)于傳統(tǒng)的數(shù)控加工，智能加工技術(shù)以數(shù)字孿生為核心、以加工過程大數(shù)據(jù)及其挖掘方法為支撐，采用無擾嵌入式多源感知和圖形處理器（GPU）高性能技術(shù)相結(jié)合的方法建立關(guān)鍵構(gòu)件加工過程的數(shù)字孿生模型，形成人工經(jīng)驗(yàn)知識(shí)的數(shù)字化集成途徑，有望帶動(dòng)關(guān)鍵構(gòu)件加工領(lǐng)域人類知識(shí)與機(jī)器知識(shí)的高度融合以及機(jī)器知識(shí)的爆發(fā)式增長(zhǎng)，從而實(shí)現(xiàn)復(fù)雜關(guān)鍵構(gòu)件制造品質(zhì)的跨越式提升。圖4顯示了葉片葉盆面與葉背面開展智能加工前后誤差分布對(duì)比情況。

實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)的智能加工技術(shù)，構(gòu)建復(fù)雜構(gòu)件制造過程的虛實(shí)融合系統(tǒng)，亟待突破以下技術(shù)問題。

一是智能加工技術(shù)體系構(gòu)建。以復(fù)雜構(gòu)件的高性能制造為牽引，研究實(shí)時(shí)物理空間與數(shù)字孿生虛擬空間的全要素融合理論，建立基于數(shù)字孿生的涵蓋仿真、物聯(lián)、數(shù)據(jù)、控制等要素的智能加工技術(shù)體系架構(gòu)。

二是現(xiàn)場(chǎng)多源數(shù)據(jù)無擾感知與處理。加工過程是一個(gè)高度非線性、難以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)的過程，基于智能傳感、5G等新技術(shù)，建立加工過程的多源無擾感知方法，進(jìn)行低延時(shí)閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜構(gòu)件加工狀態(tài)、設(shè)備狀況等信息的在線感知。

三是數(shù)字孿生工藝模型構(gòu)建。建立加工過程的數(shù)字孿生模型，研究數(shù)字孿生行為仿真、可靠驗(yàn)證、運(yùn)行狀態(tài)可視化分析等，形成人- 機(jī)知識(shí)融合及機(jī)器知識(shí)的積累機(jī)制。

四是數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的加工過程調(diào)控與自主進(jìn)化。通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)加工數(shù)據(jù)的采集、分析、判斷，建立加工過程狀態(tài)數(shù)據(jù)與加工品質(zhì)之間的映射關(guān)系，實(shí)現(xiàn)加工過程的調(diào)控和自主優(yōu)化，并建立數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的加工過程自主診斷與自主進(jìn)化機(jī)制，實(shí)現(xiàn)加工過程機(jī)器知識(shí)的積累。

整體葉盤制造過程的具體應(yīng)用

新型航空發(fā)動(dòng)機(jī)整體葉盤設(shè)計(jì)中的薄壁和高扭曲葉片需要極其穩(wěn)定的銑削工藝和高度復(fù)雜的工藝設(shè)計(jì)與規(guī)劃，以避免在銑削過程中葉片振動(dòng)而產(chǎn)生不可接受的表面缺陷，這使切削加工成為整體葉盤制造中關(guān)鍵的工藝流程之一。由于切削加工過程變化瞬息萬變，實(shí)時(shí)高質(zhì)量監(jiān)測(cè)難度極大，這意味著在切削完成之前無法預(yù)測(cè)最終結(jié)果。目前整體葉盤的銑削過程可以持續(xù)一整天甚至能夠達(dá)到100h或更長(zhǎng)時(shí)間，并且返工率通?？筛哌_(dá)25%以上，工時(shí)成本大。而且，未來的整體葉盤設(shè)計(jì)仍在不斷向輕量化和更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)方向發(fā)展，甚至很快將超出目前制造工藝和設(shè)備的能力范圍。因此，通過建立整體葉盤的數(shù)字孿生模型，實(shí)時(shí)監(jiān)控并及時(shí)發(fā)現(xiàn)加工過程中的異常振動(dòng)等問題，將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)用于即時(shí)優(yōu)化銑削過程，實(shí)現(xiàn)加工過程的調(diào)控和自主優(yōu)化，有利于提升產(chǎn)品質(zhì)量、提高加工效率、減少返工次數(shù)、顯著降低加工成本，對(duì)實(shí)現(xiàn)整體葉盤的高性能制造具有重要的意義。

德國(guó)的弗勞恩霍夫研究所在2019年與愛立信公司合作開展了數(shù)字孿生在整體葉盤制造過程中的應(yīng)用探索[3-6]，應(yīng)用數(shù)字孿生結(jié)合5G、人工智能等新技術(shù)，提出了整體葉盤高性能加工的技術(shù)解決方案，實(shí)現(xiàn)了整體葉盤生產(chǎn)過程的自動(dòng)化監(jiān)控和實(shí)時(shí)控制。

現(xiàn)場(chǎng)多源數(shù)據(jù)收集和處理

整體葉盤切削加工過程處于高度非線性狀態(tài)，存在熱變形、彈性變形、殘余應(yīng)力以及系統(tǒng)振動(dòng)等多種復(fù)雜的物理現(xiàn)象，獲得現(xiàn)場(chǎng)多源數(shù)據(jù)、實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量監(jiān)測(cè)的難度很大。5G技術(shù)的主要優(yōu)勢(shì)是可以提供非常低、穩(wěn)定和可預(yù)測(cè)的延遲，并通過提供這種低延遲功能來實(shí)現(xiàn)控制閉環(huán)，滿足實(shí)時(shí)控制需要在1ms內(nèi)完成處理傳感器信息的要求。通過微型傳感器和5G通信模塊可以實(shí)現(xiàn)無線數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)傳輸，以及更嚴(yán)格控制的監(jiān)控功能。將使用5G的傳感器放置在試件或工具上，實(shí)現(xiàn)當(dāng)前故障的實(shí)時(shí)檢測(cè)，并將錯(cuò)誤率降低至15%。為了監(jiān)控銑削過程，試件配備了一個(gè)無線智能傳感器，可以檢測(cè)當(dāng)前的過程穩(wěn)定狀態(tài)，該智能傳感器使用直接連接到試件表面的微型加速度傳感器捕獲整個(gè)銑削過程的試件振動(dòng)（如圖5所示）。傳感器系統(tǒng)將頻率范圍高達(dá)10kHz的振動(dòng)信號(hào)傳輸?shù)綑C(jī)器外部的接收器系統(tǒng)，以進(jìn)行后續(xù)數(shù)據(jù)分析和確定過程穩(wěn)定性。

數(shù)字孿生模型構(gòu)建

傳統(tǒng)工藝設(shè)計(jì)基于試錯(cuò)法，低效、耗時(shí)并依賴于人的經(jīng)驗(yàn)，使得該階段的成本和時(shí)間不可預(yù)測(cè)。為了解決上述問題，基于從智能傳感器和機(jī)器控制系統(tǒng)收集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，針對(duì)整體葉盤加工過程和物理設(shè)備從多時(shí)空尺度建立模型，實(shí)施多物理場(chǎng)和多尺度的模擬仿真分析，形成人-機(jī)知識(shí)融合具備實(shí)時(shí)的判斷、評(píng)估、優(yōu)化及預(yù)測(cè)能力，從而形成整體葉盤制造過程的數(shù)字孿生模型，實(shí)現(xiàn)虛實(shí)雙向連接與交互等（如圖6所示）。

圖5 試件局部放置智能傳感器

圖6 整體葉盤加工過程的數(shù)字孿生模型

圖7 自適應(yīng)控制過程

加工過程調(diào)控與自主進(jìn)化

開展實(shí)時(shí)監(jiān)控，防止缺陷零件進(jìn)一步加工，并定位和描述缺陷以及啟動(dòng)返工；進(jìn)一步對(duì)加工過程實(shí)時(shí)控制，調(diào)整優(yōu)化加工工藝，例如改變銑刀旋轉(zhuǎn)速度等，實(shí)施自適應(yīng)柔性加工。

以葉片振動(dòng)狀態(tài)的自診斷、自決策、自進(jìn)化過程為例（如圖7所示）。從控制系統(tǒng)連續(xù)提取刀頭坐標(biāo)數(shù)據(jù)、傳感器數(shù)據(jù)并與工件表面上的工作位置相互關(guān)聯(lián)，結(jié)合葉片的模擬數(shù)據(jù)，確定精確的控制策略；以傳感器數(shù)據(jù)、機(jī)床控制的刀具位置和模擬數(shù)據(jù)作為輸入，計(jì)算基于實(shí)際工況及其動(dòng)態(tài)變化的最佳主軸速度，并將此信息反饋給控制系統(tǒng)最終形成閉環(huán)，有效避免過大振動(dòng)（甚至是共振）發(fā)生導(dǎo)致加工中斷和試件報(bào)廢。

結(jié)束語

數(shù)字孿生為實(shí)現(xiàn)物理世界與信息世界的交互與共融提供了清晰的思路、方法和實(shí)施途徑，為當(dāng)前制造業(yè)的創(chuàng)新和發(fā)展提供了新的理念和工具。航空發(fā)動(dòng)機(jī)作為體現(xiàn)國(guó)家綜合實(shí)力的戰(zhàn)略性高科技產(chǎn)業(yè)，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量和可持續(xù)發(fā)展成為未來目標(biāo)。推動(dòng)數(shù)字孿生技術(shù)與航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造過程的應(yīng)用融合，為新一代航空發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵構(gòu)件加工過程的仿真、優(yōu)化與高性能制造奠定基礎(chǔ)，對(duì)提升航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字化、智能化制造整體水平，增強(qiáng)核心技術(shù)能力具有重要的意義。