數(shù)字孿生技術(shù)在航空發(fā)動機智能生產(chǎn)線中的應(yīng)用

崔一輝 ，楊濱濤，方 義 ，徐 新

（1.中國航空發(fā)動機集團有限公司，北京100097；2.中國航發(fā)貴州黎陽航空動力有限公司，貴陽550014）

0 引言

隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和人工智能等新一代信息技術(shù)的廣泛應(yīng)用，傳統(tǒng)制造業(yè)的運營、生產(chǎn)和商業(yè)模式都在發(fā)生快速轉(zhuǎn)變，催生了眾創(chuàng)眾包、協(xié)同設(shè)計、智能制造及預(yù)測式服務(wù)等多種新制造業(yè)態(tài)。以波音和GE為代表的國外先進航空制造企業(yè)先后啟動了數(shù)字化工程，將基于模型的定義（Model Based Definition，MBD）、數(shù)字孿生、物聯(lián)網(wǎng)及大數(shù)據(jù)等技術(shù)融入產(chǎn)品研制全生命周期[1]，為實現(xiàn)產(chǎn)品創(chuàng)新發(fā)展和全球化的資源優(yōu)化配置提供了基礎(chǔ)保障。

國外航空制造企業(yè)在工業(yè)化、自動化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化循序發(fā)展過程中已經(jīng)具備了堅實的工業(yè)基礎(chǔ)和綜合發(fā)展優(yōu)勢，技術(shù)跨越相對平滑。與國外同行相比，國內(nèi)航空發(fā)動機產(chǎn)業(yè)正處于關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)、數(shù)字化深化應(yīng)用、網(wǎng)絡(luò)化和智能化起步等3期疊加突破時期，技術(shù)“補課”與技術(shù)“探索”同等重要。在現(xiàn)有數(shù)字化基礎(chǔ)條件下，航空發(fā)動機研制各關(guān)鍵環(huán)節(jié)的數(shù)字化應(yīng)用已經(jīng)初見成效[2]，正在向流程和數(shù)據(jù)驅(qū)動的產(chǎn)品協(xié)同研發(fā)模式轉(zhuǎn)型升級，數(shù)字孿生技術(shù)逐漸成為研究和應(yīng)用的熱點。

本文從數(shù)字孿生的概念內(nèi)涵入手，分析了航空發(fā)動機研制各階段的典型應(yīng)用場景，通過應(yīng)用實例驗證了數(shù)字孿生技術(shù)在智能生產(chǎn)線上的實現(xiàn)途徑。

1 數(shù)字孿生概念及內(nèi)涵

2012年，美國NASA發(fā)布“建模、仿真、信息技術(shù)和處理”路線圖，首次明確定義了數(shù)字孿生（Digital Twin）的概念，作為對美國空軍研究實驗室開展數(shù)字化服務(wù)實踐的階段性總結(jié)。之后，數(shù)字孿生的概念迅速受到高度關(guān)注，達索、GE、西門子等公司將其納入工業(yè)軟件產(chǎn)品的構(gòu)建理念加以大力推廣，并被Gartner公司列為十大戰(zhàn)略科技發(fā)展趨勢之一。國內(nèi)學(xué)術(shù)界和工業(yè)界對數(shù)字孿生等技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用進行了長期跟蹤[3-7]，對不同的概念定義進行歸納和提煉，基本達成了共識：數(shù)字孿生是充分利用物理模型、傳感器更新、運行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學(xué)科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程，在虛擬空間中完成映射，從而反映相對應(yīng)的實體裝備全生命周期過程。

從上述數(shù)字孿生的概念可知，其本質(zhì)是基于數(shù)據(jù)的、高置信度的復(fù)雜仿真過程，同時，具備虛實交互和優(yōu)化擴展的能力，其內(nèi)涵可以概括為：

（1）虛實2個空間的孿生體在研究范圍內(nèi)是高度一致的，虛擬系統(tǒng)能夠有效反映實體系統(tǒng)的真實構(gòu)成及狀態(tài)。

（2）實體系統(tǒng)能夠被量化，可通過穩(wěn)定、可靠的模型和算法復(fù)現(xiàn)。

（3）虛實2個空間的交互是通過狀態(tài)感知和數(shù)據(jù)傳遞來實現(xiàn)的，實體系統(tǒng)具有異構(gòu)數(shù)據(jù)的集成和融合處理能力。

（4）虛擬系統(tǒng)存在潛在的價值增值，能夠驗證、預(yù)測和優(yōu)化實體系統(tǒng)。

數(shù)字孿生技術(shù)實現(xiàn)的關(guān)鍵在于模型和算法，能夠影響虛實2個孿生體之間的映射關(guān)系和可控性，目前在數(shù)字孿生建模、異構(gòu)數(shù)據(jù)融合和實時交互等方面技術(shù)難度較大，限制了數(shù)字孿生技術(shù)的擴展應(yīng)用，只能在有限的領(lǐng)域開展應(yīng)用。隨著物聯(lián)網(wǎng)、虛擬現(xiàn)實、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)的逐漸成熟，數(shù)字孿生技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

2 數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用場景

航空發(fā)動機是典型的復(fù)雜產(chǎn)品，需要在高溫、高壓、高轉(zhuǎn)速環(huán)境下長期反復(fù)使用，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、技術(shù)難度大、研發(fā)周期長。長期以來，航空發(fā)動機的設(shè)計主要是依賴于各種物理試驗，使得航空發(fā)動機的研制周期長、耗資多、風險高[8]。數(shù)字孿生技術(shù)在產(chǎn)品設(shè)計、試驗驗證、生產(chǎn)制造和運行保障環(huán)節(jié)的應(yīng)用，能夠有效提高產(chǎn)品研制效率，減少物理樣機數(shù)量及試驗時數(shù)，節(jié)約研發(fā)成本和縮短研發(fā)周期，對推動航空發(fā)動機研制和產(chǎn)品創(chuàng)新具有重要作用。

在產(chǎn)品設(shè)計階段，數(shù)字樣機和設(shè)計需求形成1對虛實孿生體。通過各種仿真軟件對整機、子系統(tǒng)和零件的設(shè)計模型進行結(jié)構(gòu)強度和性能分析[9-12]，包含產(chǎn)品外形、功能、特性、可加工性、可裝配性、可維護性等內(nèi)容，分析結(jié)果與設(shè)計需求的功能和性能指標進行比對，驗證設(shè)計方案的合理性，進而進行設(shè)計方案比選和優(yōu)化迭代，縮短設(shè)計周期。

在試驗驗證階段，物理試驗和虛擬試驗是對應(yīng)的1對虛實孿生體。物理試驗比較直觀、結(jié)果相對確定，但試驗成本比較高、準備周期長，受到傳感器數(shù)量和安裝位置的限制，能夠獲取的試驗信息有限。通過虛擬試驗，能夠?qū)Ω鞣N應(yīng)用工況進行試驗驗證，避免過試驗或欠試驗問題，獲取更全面的測量信息，彌補物理試驗技術(shù)缺點和局限。物理試驗和虛擬試驗相互驗證，能夠迭代提升虛擬試驗的置信度，有效減少物理試驗數(shù)量和試驗費用。

在生產(chǎn)制造階段，物理車間和虛擬車間是1對虛實孿生體。目前能夠?qū)ιa(chǎn)線的布局設(shè)計、生產(chǎn)節(jié)拍、生產(chǎn)工藝、裝配工藝等關(guān)鍵參數(shù)進行實時動態(tài)模擬與分析，并將物理車間的實際運行狀態(tài)傳遞到虛擬車間系統(tǒng)[13-15]。二者相互結(jié)合，能夠開展生產(chǎn)線規(guī)劃設(shè)計，對生產(chǎn)線現(xiàn)場進行資源合理配置、優(yōu)化生產(chǎn)結(jié)構(gòu)和業(yè)務(wù)流程，為車間運行決策和動態(tài)調(diào)整提供決策建議。

在運行保障階段，航空發(fā)動機物理產(chǎn)品和虛擬產(chǎn)品是1對虛實孿生體。國外航空發(fā)動機企業(yè)通過傳感器數(shù)據(jù)對航空發(fā)動機的實時運行狀態(tài)進行監(jiān)控和分析，并根據(jù)航空發(fā)動機的歷史維護記錄及相關(guān)使用數(shù)據(jù)，不斷預(yù)測產(chǎn)品的健康狀況和剩余使用壽命，為故障診斷和預(yù)測性維修提供數(shù)據(jù)支持。

3 智能生產(chǎn)線數(shù)字孿生技術(shù)實踐

自動化和數(shù)字化是實現(xiàn)智能制造的重要基礎(chǔ)。在傳統(tǒng)工藝下，某航空發(fā)動機零組件有64道機械加工工序，采用數(shù)控機床和普通機床混合加工模式，精加工工序通過數(shù)控設(shè)備的精度和工人現(xiàn)場編程保障；生產(chǎn)過程不透明，規(guī)范性差，產(chǎn)能計算不準確；生產(chǎn)現(xiàn)場尚未建立工控網(wǎng)和數(shù)據(jù)采集設(shè)備，依據(jù)人工經(jīng)驗對生產(chǎn)過程進行控制，問題發(fā)現(xiàn)不及時，且誤檢問題嚴重；質(zhì)量數(shù)據(jù)無法及時采集和分析，可追溯性差。

為提升生產(chǎn)現(xiàn)場的數(shù)字化協(xié)同和智能管控能力，提高產(chǎn)品機械加工質(zhì)量，縮短生產(chǎn)周期，某制造廠對生產(chǎn)線進行數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化改造，通過數(shù)字孿生技術(shù)對工藝設(shè)計過程和生產(chǎn)制造過程進行優(yōu)化改進，取得了很好的應(yīng)用效果。

3.1 數(shù)字孿生系統(tǒng)組成

模型是數(shù)字孿生的基礎(chǔ)，為反映實際智能生產(chǎn)線的物理狀態(tài)，搭建了智能生產(chǎn)線的虛擬系統(tǒng)和物理系統(tǒng)，如圖1所示。其中，虛擬系統(tǒng)中包含了產(chǎn)品和生產(chǎn)線數(shù)字孿生。產(chǎn)品數(shù)字孿生以設(shè)計3維模型為單一數(shù)據(jù)源，通過工藝設(shè)計和工藝仿真軟件對零組件的機械加工過程進行分析，確定工藝技術(shù)路線和工藝操作要求。智能生產(chǎn)線的虛擬分析引入可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）虛擬調(diào)試、虛擬現(xiàn)實、數(shù)據(jù)交互等技術(shù)手段，對制造過程進行動態(tài)分析和調(diào)整，滿足柔性生產(chǎn)的需求。虛擬系統(tǒng)與物理系統(tǒng)之間通過數(shù)據(jù)集成的方式實時交互。

圖1 智能生產(chǎn)線數(shù)字孿生系統(tǒng)組成

3.2 技術(shù)實現(xiàn)途徑

產(chǎn)品數(shù)字孿生主要通過產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理和3維設(shè)計軟件來實現(xiàn)，在設(shè)計3維模型的基礎(chǔ)上，進行了物料清單轉(zhuǎn)換、工藝路線設(shè)計、工藝模型定義、工藝仿真等工藝活動，如圖2所示，形成生產(chǎn)現(xiàn)場的制造執(zhí)行數(shù)據(jù)，發(fā)布到制造執(zhí)行系統(tǒng)，推送到車間加工工位。

整個設(shè)計、工藝、制造信息流以3維模型為媒介，實現(xiàn)了從設(shè)計、工藝、制造三者之間的無縫銜接。產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)傳遞到生產(chǎn)現(xiàn)場，與加工完成后采集的實作數(shù)據(jù)進行對比，形成產(chǎn)品質(zhì)量信息，通過條碼技術(shù)的應(yīng)用，可實現(xiàn)全生命周期范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)追溯。

生產(chǎn)線數(shù)字孿生的意義在于對制造現(xiàn)場的實時監(jiān)控和快速調(diào)試。在智能生產(chǎn)線的基礎(chǔ)上，增加虛擬調(diào)試平臺（Virtual Commissioning，VC）、（Virtual Reality，VR）系統(tǒng)、工廠仿真軟件等工藝設(shè)備，如圖3所示。通過工廠仿真軟件從幾何、物理、行為及規(guī)則等多維度對生產(chǎn)線建模，完成物理生產(chǎn)線到虛擬生產(chǎn)線的真實完整映射。生產(chǎn)線實際運行動作通過PLC傳遞到虛擬調(diào)試平臺，從而實現(xiàn)與虛擬生產(chǎn)線的數(shù)據(jù)交互。

圖2 主要工藝過程流程

VC虛擬調(diào)試平臺的系統(tǒng)架構(gòu)如圖4所示。該平臺集成了生產(chǎn)線控制單元、人機交互界面（Human Machine Interface，HMI）、安全光幕、I/O 模塊等，通過基于TCP/IP協(xié)議的以太網(wǎng)絡(luò)將硬件系統(tǒng)與虛擬調(diào)試平臺連接，通過平臺內(nèi)部的用于過程控制的對象連接與嵌入技術(shù)（Object linking and embedding for Process Control，OPC）軟件服務(wù)器實現(xiàn)與工廠仿真軟件的信息交換。通過平臺集成的HMI界面，能夠快速采集現(xiàn)場設(shè)備作業(yè)信息，反饋信號驅(qū)動虛擬生產(chǎn)線數(shù)字模型同步展示設(shè)備動作，實現(xiàn)與物理生產(chǎn)線的動作同步。

圖3 基于數(shù)字孿生的生產(chǎn)線現(xiàn)場

圖4 虛擬調(diào)試平臺的系統(tǒng)架構(gòu)

虛擬現(xiàn)實展示系統(tǒng)與VC虛擬調(diào)試系統(tǒng)集成，并與工廠仿真軟件連接，可通過VR眼鏡沉浸式觀看虛擬生產(chǎn)線狀態(tài)，對虛擬生產(chǎn)線進行設(shè)備移動、測距和移動機器人關(guān)節(jié)等操作，從而直觀感受和評價工藝方案的合理性。

3.3 應(yīng)用效果

通過智能生產(chǎn)線建設(shè)和數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用，實現(xiàn)了某組合零件的柔性化和數(shù)字化生產(chǎn)。加工過程無人值守，使工序減少到原來的1/10，產(chǎn)能提升到原來的2倍，產(chǎn)品合格率達到98%以上。通過應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)，形成最優(yōu)布局及最佳產(chǎn)能節(jié)拍，大大縮短了物理生產(chǎn)線的建設(shè)和調(diào)試周期，保證了生產(chǎn)線的建設(shè)質(zhì)量。在制造過程中應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)，實現(xiàn)了在物理生產(chǎn)線正常運行的情況下，對新產(chǎn)品的制造過程進行工藝分析和生產(chǎn)調(diào)試，虛擬生產(chǎn)線設(shè)備的運行時間準確度大于85%，虛擬生產(chǎn)線和物理生產(chǎn)線機器人的動作延遲小于1 s，大大縮短新產(chǎn)品的上線周期。

4 結(jié)束語

數(shù)字孿生技術(shù)是實現(xiàn)智能制造的核心技術(shù)，與MBD建模、數(shù)字線索、虛擬仿真、數(shù)據(jù)融合等技術(shù)緊密關(guān)聯(lián)。數(shù)字孿生技術(shù)在制造業(yè)中深入應(yīng)用，能夠評估制造工藝的合理性，統(tǒng)籌規(guī)劃制造資源和生產(chǎn)計劃；基于虛擬模型仿真和驗證物理生產(chǎn)系統(tǒng)中各組成部分的數(shù)據(jù)交互及運行情況，對生產(chǎn)過程進行準實時控制，減少傳統(tǒng)試錯法帶來的返工和資源浪費，有利于提高產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量和生產(chǎn)效率，達到進一步降低工程成本、風險和能耗的目的。