機(jī)加零件的數(shù)字孿生模型構(gòu)建方法

鄒 琦，侯志霞，王明陽(yáng)

（1.中國(guó)航空制造技術(shù)研究院，北京 100024；2.復(fù)雜構(gòu)件數(shù)控加工工藝及裝備北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100024；3.數(shù)字化制造技術(shù)航空重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100024）

隨著通信水平和信息技術(shù)的飛速發(fā)展，將工業(yè)產(chǎn)品制造的各階段形成的物理實(shí)體數(shù)字化表達(dá)已是智能制造的大勢(shì)所趨?，F(xiàn)階段的MBD（Model Based Definition，基于模型的定義）模型能按照數(shù)字量反映設(shè)計(jì)模型的設(shè)計(jì)尺寸和設(shè)計(jì)要求，并在此基礎(chǔ)上，增加三維標(biāo)記和工程注釋部分[1]。一些學(xué)者通過(guò)構(gòu)建不同的機(jī)械加工階段的零件模型來(lái)解決加工過(guò)程的諸多問(wèn)題。田富君等[2]提出了工藝MBD 模型的概念及其構(gòu)建方法，將工藝MBD 模型分為“實(shí)體層–擴(kuò)展層–應(yīng)用層”的三級(jí)結(jié)構(gòu)，并提取了加工特征的標(biāo)注信息和工藝屬性信息。胡權(quán)威等[3]基于產(chǎn)品制造階段的工序環(huán)節(jié)提出工序MBD 模型的管理辦法和應(yīng)用。劉金峰等[4]提出了含有工藝輔助特征的三維工藝模型的建模方法，以提高工藝規(guī)劃的效率。模型技術(shù)在產(chǎn)品“設(shè)計(jì)–制造–檢測(cè)”研制過(guò)程中得以廣泛應(yīng)用，大幅提升了產(chǎn)品的制造效率和質(zhì)量。單純以理論模型為依據(jù)的制造不能適應(yīng)復(fù)雜產(chǎn)品制造過(guò)程工藝和環(huán)境不確定性帶來(lái)的變化，新一代飛機(jī)大量采用難加工材料和一體化結(jié)構(gòu)，加工工藝復(fù)雜、變形控制難，加工過(guò)程大量不確定因素的存在對(duì)基于理論模型的產(chǎn)品制造模式提出了挑戰(zhàn)。

隨著傳感器技術(shù)和各種面向不同機(jī)加工藝的數(shù)字化設(shè)備的發(fā)展，在零件機(jī)械加工階段可以獲取到例如刀具的轉(zhuǎn)速、受力和磨損值等設(shè)備的加工數(shù)據(jù)和質(zhì)量檢驗(yàn)數(shù)據(jù)，目前這些數(shù)據(jù)沒(méi)有被充分挖掘與利用，沒(méi)有實(shí)現(xiàn)與設(shè)計(jì)模型和工藝模型的關(guān)聯(lián)，不能有效支持產(chǎn)品制造工藝的優(yōu)化和持續(xù)改進(jìn)，尚未形成理論模型與實(shí)物制造過(guò)程的模型閉環(huán)，面向制造過(guò)程的工藝和制造指令的迭代優(yōu)化模式?jīng)]有形成，需要將模型技術(shù)延展到實(shí)物制造過(guò)程。

數(shù)字孿生是指利用數(shù)字技術(shù)描述和建模一個(gè)與物理實(shí)體的特性、行為和性能一致的過(guò)程或方法，也叫作數(shù)字孿生技術(shù)[5]，其最早由美國(guó)密西根大學(xué)教授GRIEVES 在講授產(chǎn)品全生命周期管理的課程中提出。2015年，美國(guó)的通用電氣公司構(gòu)建了發(fā)動(dòng)機(jī)的數(shù)字孿生模型，該模型可用于監(jiān)控發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)、實(shí)時(shí)檢查發(fā)動(dòng)機(jī)的性能并根據(jù)其運(yùn)行狀態(tài)給出維護(hù)、保養(yǎng)建議等[6]。從工業(yè)應(yīng)用的角度講，數(shù)字孿生技術(shù)也得到了大量的研究和突破。陳振等[7]提出了構(gòu)建飛機(jī)數(shù)字孿生裝配車(chē)間的構(gòu)想，該車(chē)間可實(shí)時(shí)采集飛機(jī)裝配過(guò)程的各種數(shù)據(jù)、實(shí)現(xiàn)飛機(jī)裝配過(guò)程的虛擬仿真并依據(jù)采集的數(shù)據(jù)管控飛機(jī)的裝配過(guò)程等，實(shí)現(xiàn)飛機(jī)裝配過(guò)程的智能化。于勇等[8]則把數(shù)字孿生模型應(yīng)用于產(chǎn)品構(gòu)型管理，提出用本體技術(shù)構(gòu)建產(chǎn)品數(shù)字孿生模型來(lái)表達(dá)產(chǎn)品構(gòu)型信息，該方案可用于解決全三維研制模型下的產(chǎn)品構(gòu)型管理問(wèn)題。生產(chǎn)車(chē)間制造物聯(lián)[9]和數(shù)據(jù)集成技術(shù)屬于數(shù)字孿生研究的方向。北京航空航天大學(xué)陶飛等[10]利用數(shù)字孿生技術(shù)解決了車(chē)間海量數(shù)據(jù)的融合問(wèn)題和多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的融合問(wèn)題；南京航空航天大學(xué)黃少華等[11]，研究了構(gòu)建離散車(chē)間制造物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)；Schroeder 等[12]提出了利用AutomationML 建模構(gòu)建數(shù)字孿生屬性來(lái)實(shí)現(xiàn)面向未來(lái)制造系統(tǒng)和產(chǎn)品服務(wù)系統(tǒng)的集成CPS（Cyber Physical System，信息物理系統(tǒng)）并給出工業(yè)應(yīng)用實(shí)例。目前，數(shù)字孿生技術(shù)主要應(yīng)用于加工設(shè)備、產(chǎn)線(xiàn)和車(chē)間，面向工藝優(yōu)化的數(shù)字孿生模型的研究處于空白。

為此，論文提出了在實(shí)物制造階段構(gòu)建機(jī)械加工零件數(shù)字孿生模型以解決提到的問(wèn)題?；诹慵?shù)字孿生模型的產(chǎn)品研制和質(zhì)量控制模式（圖1）具有如下特點(diǎn)：

（1）機(jī)加零件的各類(lèi)理論和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)模型化管理得到充分挖掘與利用，提升設(shè)計(jì)和工藝質(zhì)量；

（2）零件加工過(guò)程與測(cè)量緊密融合，制造工藝動(dòng)態(tài)優(yōu)化，設(shè)備、工裝、零部件的變形等得到較為充分的測(cè)量與控制；

（3）基于模型產(chǎn)生的制造指令的執(zhí)行過(guò)程用模型的方式實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，可進(jìn)行評(píng)估和預(yù)測(cè)。

基于關(guān)鍵特征的零件數(shù)字孿生模型構(gòu)建方法

零件數(shù)字孿生模型提供了一種數(shù)字化地反映機(jī)械加工過(guò)程中零件物理實(shí)體的狀態(tài)的方法。事實(shí)上每個(gè)零件的每一個(gè)機(jī)械加工的工藝階段都對(duì)應(yīng)著一個(gè)產(chǎn)品物理實(shí)體，同時(shí)對(duì)應(yīng)著一個(gè)數(shù)字孿生模型，每一個(gè)數(shù)字孿生模型應(yīng)包含能夠表達(dá)零件真實(shí)物理狀態(tài)的全部信息。

對(duì)于機(jī)械加工的數(shù)字孿生模型來(lái)說(shuō)，需要描述真實(shí)零件的信息包括工藝信息、加工信息、檢測(cè)信息、形狀和材料信息等，但完整地記錄表達(dá)零件的每個(gè)特征的數(shù)據(jù)和真實(shí)幾何模型會(huì)極大降低建模效率，不僅如此，龐大的工程數(shù)據(jù)量對(duì)于計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)也是個(gè)非常大的挑戰(zhàn)。為此，本文提出了一種基于關(guān)鍵特征的零件數(shù)字孿生模型結(jié)構(gòu)。這里的關(guān)鍵特征指的是在零件機(jī)械加工中精度控制難度較大或者是對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量和性能有較大影響的典型結(jié)構(gòu)和部位。其中包括設(shè)計(jì)關(guān)鍵特征（如設(shè)計(jì)分離面、承力軸面等）、制造關(guān)鍵特征（如加工基準(zhǔn)面、定位孔等）、檢驗(yàn)關(guān)鍵特征3 部分。將這些需要表達(dá)的信息按照關(guān)鍵特征進(jìn)行梳理和組織是有效、合理的建模方法。基于關(guān)鍵特征進(jìn)行數(shù)字孿生模型構(gòu)建，本質(zhì)上體現(xiàn)了一種面向需求的數(shù)字孿生模型建模理念，這種方法不追求模型的大而全，適當(dāng)?shù)胤艞壱恍C(jī)械加工階段不需要重點(diǎn)關(guān)注的數(shù)據(jù)，形成一套科學(xué)的、系統(tǒng)的以關(guān)鍵特征為載體的數(shù)字孿生模型結(jié)構(gòu)，對(duì)于記錄真實(shí)機(jī)械加工零件的狀態(tài)是有效并且合理的。

面向需求的數(shù)字孿生模型建模方法將模型包含的數(shù)據(jù)內(nèi)容和結(jié)構(gòu)與應(yīng)用需求緊密結(jié)合，以工藝和指令優(yōu)化為目的的工藝數(shù)字孿生模型不僅需要包含實(shí)測(cè)關(guān)鍵特征的加工信息，還需要與理論模型實(shí)現(xiàn)緊密關(guān)聯(lián)。本文提出的數(shù)字孿生模型包含零件實(shí)體在該狀態(tài)下的理論模型和實(shí)際模型兩個(gè)部分。數(shù)字孿生模型的理論模型部分所表達(dá)的理論數(shù)據(jù)須按照既定的關(guān)鍵特征進(jìn)行組織，理論模型的幾何建?？梢?xún)H針對(duì)關(guān)鍵特征進(jìn)行。一個(gè)零件在一個(gè)工藝階段下只存在一個(gè)數(shù)字孿生理論模型，卻存在一系列隨此零件批次變化或檢測(cè)數(shù)據(jù)變化得到的多個(gè)數(shù)字孿生實(shí)測(cè)模型。這樣的一個(gè)理論模型和一個(gè)實(shí)測(cè)模型共同構(gòu)成了某個(gè)實(shí)際加工零件的數(shù)字孿生模型，如圖2 所示。而由一個(gè)理論模型和多個(gè)實(shí)測(cè)模型共同組成了機(jī)械加工零件的數(shù)字孿生模型庫(kù)。

圖1 數(shù)字孿生模型下的產(chǎn)品研制與質(zhì)量控制模式Fig.1 Product development and quality control mode under digital twin model

1 數(shù)字孿生模型的3 層結(jié)構(gòu)

機(jī)械加工零件的數(shù)字孿生建模可以從3 個(gè)層次展開(kāi)，所得到的模型是具有3 層結(jié)構(gòu)的模型（圖3）。第1 層為幾何層，主要針對(duì)關(guān)鍵特征的幾何實(shí)體進(jìn)行創(chuàng)建重構(gòu)，得到的是具有價(jià)值的零件實(shí)體模型或三角面片等通用格式化的幾何實(shí)體。其目的在于提供給工藝人員相應(yīng)的基于特征進(jìn)行加工仿真和工藝參數(shù)優(yōu)化的幾何實(shí)體。第2 層為數(shù)據(jù)層，其針對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)和制造加工數(shù)據(jù)填寫(xiě)加工特征屬性，形成以特征為載體的數(shù)字孿生實(shí)測(cè)模型信息表達(dá)。其目的在于在線(xiàn)跟蹤加工參數(shù)，以及離線(xiàn)進(jìn)行加工質(zhì)量的分析。第3 層為孿生模型層，實(shí)現(xiàn)理論模型與實(shí)測(cè)模型的關(guān)聯(lián)，并分別按照零件、工藝、批次等類(lèi)別對(duì)數(shù)字孿生模型進(jìn)行存儲(chǔ)調(diào)用，如圖4 所示。其提供給工藝人員基于零件或工藝流程的大數(shù)據(jù)分析的數(shù)據(jù)源和平臺(tái)。

在數(shù)字孿生模型中需要建立模型與理論幾何實(shí)體的關(guān)系，理論模型中的幾何實(shí)體作為數(shù)字孿生中的“虛”；而每個(gè)真實(shí)產(chǎn)品上關(guān)鍵特征通過(guò)點(diǎn)云擬合或參數(shù)化重構(gòu)得到的幾何實(shí)體作為“實(shí)”；關(guān)鍵特征屬性中，理論實(shí)體中的值作為“虛”；每件真實(shí)產(chǎn)品中通過(guò)實(shí)測(cè)得到的值作為“實(shí)”。這樣就實(shí)現(xiàn)了理論模型和實(shí)測(cè)模型的“虛實(shí)”映射。

2 數(shù)字孿生模型建模流程

選定機(jī)械加工產(chǎn)品建立數(shù)字孿生模型的流程分為4 部分：第1 步是對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行關(guān)鍵特征的定義，并為每個(gè)關(guān)鍵特征定義相應(yīng)的屬性和特征重構(gòu)的方式，這一步可以確定好模型幾何層和數(shù)據(jù)層的內(nèi)容；第2 步是導(dǎo)入理論模型并對(duì)關(guān)鍵特征的屬性理論值進(jìn)行標(biāo)定；第3 步，當(dāng)零件實(shí)體檢測(cè)數(shù)據(jù)和在線(xiàn)采集數(shù)據(jù)到來(lái)之時(shí)，針對(duì)關(guān)鍵特征的屬性值的實(shí)測(cè)值進(jìn)行計(jì)算和確定，并針對(duì)需要重構(gòu)的關(guān)鍵特征進(jìn)行幾何部分的重構(gòu)，將得到的模型組織成整體發(fā)布，形成一個(gè)數(shù)字孿生模型；第4步是將多個(gè)數(shù)字孿生模型按照零件和工藝的標(biāo)準(zhǔn)分別進(jìn)行組織管理，為后續(xù)模型調(diào)用提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。其建模流程如圖5 所示。

圖2 機(jī)械加工零件數(shù)字孿生模型的內(nèi)容Fig.2 Content of digital twin model of machined parts

圖3 數(shù)字孿生模型三級(jí)結(jié)構(gòu)Fig.3 Three-layer structure of DTM (digital twin model)

圖4 數(shù)字孿生模型庫(kù)Fig.4 Library of DTM

從使用的角度講，數(shù)字孿生建模工具開(kāi)放兩個(gè)界面提供兩部分人員操作。對(duì)于設(shè)計(jì)人員、檢驗(yàn)人員和工藝人員，提供修改關(guān)鍵特征（屬性）庫(kù)，在零件或組件CAD 模型下定義關(guān)鍵特征，發(fā)布理論模型文件，導(dǎo)入實(shí)測(cè)模型文件以及面向任務(wù)型輸出等功能。設(shè)計(jì)人員和工藝人員可基于理論模型和實(shí)測(cè)模型針對(duì)幾何或?qū)傩灾笜?biāo)進(jìn)行優(yōu)化分析。而對(duì)于機(jī)械加工的工藝人員，提供數(shù)據(jù)錄入操作界面，對(duì)于自動(dòng)化拾取的數(shù)據(jù)編寫(xiě)導(dǎo)入接口，非結(jié)構(gòu)性數(shù)據(jù)采取人工錄入。

數(shù)字孿生建模關(guān)鍵技術(shù)

數(shù)字孿生模型中的關(guān)鍵特征作為零件實(shí)體數(shù)據(jù)的載體，其類(lèi)型需要進(jìn)行嚴(yán)格的篩選和確定。各類(lèi)關(guān)鍵特征所包含的數(shù)據(jù)項(xiàng)，也叫作關(guān)鍵特征的屬性，也需要進(jìn)行嚴(yán)格的范式和定義。其篩選和定義須適應(yīng)加工工藝的現(xiàn)狀和數(shù)字孿生模型的應(yīng)用方法。此外，數(shù)字孿生模型中的特征幾何實(shí)體的構(gòu)建也存在很多方法，本節(jié)針對(duì)數(shù)據(jù)層特征和特征屬性構(gòu)成的關(guān)鍵特征庫(kù)以及幾何層建模方法進(jìn)行論述，最后闡述數(shù)字孿生數(shù)據(jù)庫(kù)的構(gòu)建方法。

1 關(guān)鍵特征庫(kù)

通過(guò)對(duì)復(fù)雜零件加工工藝和檢測(cè)工藝的調(diào)研，將制造關(guān)鍵特征定義在幾何特征的基礎(chǔ)之上，例如部件貼合的平面，較高精度要求的機(jī)加軸和孔，數(shù)控銑加工產(chǎn)生的易變形、易產(chǎn)生劃痕的表面等，均作為關(guān)鍵特征在數(shù)字孿生模型中予以構(gòu)建。在建立每個(gè)真實(shí)零件的數(shù)字孿生模型之前需要先定義關(guān)鍵特征庫(kù)，即關(guān)鍵特征的種類(lèi)和特征下包含的屬性信息。對(duì)于不同的機(jī)械加工工藝，預(yù)先對(duì)于工藝方法、工藝檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)和工藝知識(shí)圖譜進(jìn)行深入調(diào)研，然后對(duì)關(guān)鍵特征的種類(lèi)和信息進(jìn)行全面的定義。

關(guān)鍵特征所包含的屬性之中，一類(lèi)是特征的幾何信息，例如孔直徑、面法向、凸臺(tái)高度等尺寸信息；平面度、粗糙度、垂直度、平面間隙等精度信息；以及工藝人員根據(jù)工藝需求自定義的幾何參數(shù)，這里把它稱(chēng)為備用特征參數(shù)，如孔中心點(diǎn)、軸最小直徑、預(yù)定義裝配點(diǎn)位置和特征掃描點(diǎn)云等。本文根據(jù)某戰(zhàn)斗機(jī)翼盒加工工藝知識(shí)圖譜，抽象了5 種關(guān)鍵特征，并定義了相關(guān)屬性，如表1 所示。另一類(lèi)是特征的非幾何信息，包括加工條件、工藝文件以及機(jī)床加工產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)。本文將加工信息抽象成圖6 中所量化的屬性予以建模存儲(chǔ)。

2 關(guān)鍵特征幾何實(shí)體構(gòu)建

關(guān)鍵特征的屬性無(wú)法真實(shí)地表達(dá)關(guān)鍵特征的形狀和確切位置，許多仿真優(yōu)化工作必須依托模型幾何實(shí)體而進(jìn)行。因此在理論模型中定義關(guān)鍵特征的同時(shí)，應(yīng)該同時(shí)進(jìn)行特征幾何要素的提取和關(guān)聯(lián)。例如孔特征，在定義其精度參數(shù)、幾何參數(shù)、加工參數(shù)和備用特征參數(shù)的同時(shí)，需要在理論的三維幾何實(shí)體上提取到孔的上下表面、內(nèi)壁圓柱面和圓角等幾何要素予以關(guān)聯(lián)。而在實(shí)測(cè)模型中，則需要根據(jù)用戶(hù)選擇的方式進(jìn)行特征的重構(gòu)，然后將重構(gòu)的實(shí)體與關(guān)鍵特征的各類(lèi)參數(shù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)。特征重構(gòu)主要有兩種方式，其一是進(jìn)行三角面片的重構(gòu)，其二是進(jìn)行特征實(shí)體的重構(gòu)。兩種重構(gòu)方式的流程如圖7 所示。其中使用逆向工程建模的方法能夠更精準(zhǔn)地保留測(cè)量特征的真實(shí)狀態(tài)，圖7 的特征重構(gòu)的方式，將特征的重構(gòu)方式轉(zhuǎn)化為對(duì)曲面的重構(gòu)之后的拼接裁剪。為了簡(jiǎn)化各類(lèi)曲面（包括平面、圓柱面、圓錐面和NURBS 曲面等）的重構(gòu)步驟，本文將所有的曲面均轉(zhuǎn)化為三維計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)建模軟件中較為通用的NURBS 曲面進(jìn)行重構(gòu)，即使用NURBS 曲面表示法[13]來(lái)擬合實(shí)際加工曲面。

實(shí)現(xiàn)NURBS 曲面的重構(gòu)，須按照實(shí)際測(cè)量點(diǎn)在理論模型的基礎(chǔ)上調(diào)整控制頂點(diǎn)、權(quán)因子和節(jié)點(diǎn)矢量的值，達(dá)到曲面重構(gòu)的目的。本文采用基于約束優(yōu)化的控制點(diǎn)調(diào)整法來(lái)完成曲面重構(gòu)[14]，具體步驟如圖8 所示。

根據(jù)工藝人員對(duì)模型進(jìn)行機(jī)械加工過(guò)程仿真和計(jì)算的需要，選擇特征重構(gòu)的方式，得到的真實(shí)幾何模型是數(shù)字孿生模型的幾何層。這樣得到的幾何模型所包含的幾何體只是零件內(nèi)部的關(guān)鍵特征。這一層的工作可以借助Geomagic、Polyworks、Catia 等工具實(shí)現(xiàn)。

3 數(shù)字孿生模型數(shù)據(jù)管理

針對(duì)數(shù)字孿生模型的數(shù)據(jù)管理主要分為3 類(lèi)。第1 類(lèi)是關(guān)鍵特征庫(kù)，包含幾種關(guān)鍵特征對(duì)應(yīng)包含的屬性字段和類(lèi)型（圖9）；第2類(lèi)是按照樹(shù)形結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)（零件–特征–屬性）信息，做到可以按照零件號(hào)、批次號(hào)、特征號(hào)、屬性號(hào)查找對(duì)應(yīng)的值（圖10）；第3 類(lèi)是模型文件信息，其中包含文件的時(shí)間信息、文件類(lèi)型等。第1 類(lèi)信息存儲(chǔ)既定好的關(guān)鍵特征屬性表，并預(yù)留字段為后續(xù)模型使用人員自定義特征屬性，如表2 所示；第2 類(lèi)樹(shù)形結(jié)構(gòu)可以設(shè)計(jì)為理論特征表和實(shí)際特征表，這些表內(nèi)容是由關(guān)鍵特征定義人員通過(guò)交互界面定義后存入數(shù)據(jù)庫(kù)，代表著每個(gè)定義特征關(guān)心的屬性，如表3 所示；第3類(lèi)要存儲(chǔ)的文件信息包括理論模型、實(shí)測(cè)模型和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)文件包，其中數(shù)據(jù)文件以路徑的形式掛在特征屬性字段下，為理論模型和實(shí)測(cè)模型建立數(shù)據(jù)（表4）。

圖5 數(shù)字孿生模型建模數(shù)據(jù)流Fig.5 Modeling data stream of DTM

基于CATIA二次開(kāi)發(fā)航空產(chǎn)品數(shù)字孿生建模工具

產(chǎn)品數(shù)字孿生建模工具以關(guān)鍵特征為單位，在CATIA 環(huán)境下提供給用戶(hù)兩個(gè)功能。第1 個(gè)功能是創(chuàng)建關(guān)鍵特征并依據(jù)關(guān)鍵特征庫(kù)選擇關(guān)注的屬性、模型重構(gòu)的方式；創(chuàng)建的同時(shí)，通過(guò)對(duì)理論模型的信息讀取，在CATIA 的特征結(jié)構(gòu)樹(shù)上生成關(guān)鍵特征集，每個(gè)特征幾何圖形集下掛上關(guān)注的屬性的理論值、重構(gòu)的方式以及特征創(chuàng)建的時(shí)間，如果只有理論值的特征屬性則不掛參數(shù)數(shù)值；當(dāng)所有特征全部創(chuàng)建完成后，可以點(diǎn)擊發(fā)布指令將關(guān)鍵特征數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和CATPart 文件發(fā)布至數(shù)據(jù)庫(kù)維持?jǐn)?shù)據(jù)的持久化；這一過(guò)程得到了數(shù)字孿生模型中的理論模型。第2 個(gè)功能是按照零件號(hào)、批次號(hào)和時(shí)間號(hào)導(dǎo)入零件的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，將真實(shí)的特征屬性反映在特征幾何圖形集下，并依據(jù)之前設(shè)置的重構(gòu)方式，使用特征的點(diǎn)云文件重構(gòu)特征。一部分機(jī)加特征屬性需要結(jié)合幾何模型進(jìn)行計(jì)算，然后掛在CATIA 結(jié)構(gòu)樹(shù)幾何圖形集下；創(chuàng)建完成后將新生成的CATPart 文件導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫(kù)；這一過(guò)程得到了數(shù)字孿生模型中的實(shí)測(cè)模型。

表1 關(guān)鍵特征類(lèi)型Table 1 Types of key features

圖6 數(shù)字孿生模型攜帶的加工信息Fig.6 Processing information of DTM

圖7 特征重構(gòu)的流程Fig.7 Process of feature reconstruction

產(chǎn)品數(shù)字孿生建模工具在數(shù)據(jù)庫(kù)中提供給用戶(hù)3 個(gè)功能。其一在于提供了關(guān)鍵特征庫(kù)的操作，包括用戶(hù)添加新的關(guān)鍵特征屬性、刪除某些屬性等操作。這一功能旨在幫助數(shù)字孿生模型適配更多的工藝，為各種工藝提供其關(guān)注的屬性。其二在于提供實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)導(dǎo)入操作，提供給檢驗(yàn)和工藝人員實(shí)測(cè)產(chǎn)品數(shù)據(jù)導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫(kù)的接口。其三在于提供關(guān)鍵特征因素分析模塊。針對(duì)同一零件的關(guān)鍵特征按不同批次、不同時(shí)間等信息，針對(duì)加工工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

1 CATIA二次開(kāi)發(fā)

為了以關(guān)鍵特征為單位對(duì)信息關(guān)聯(lián)、提取和操作，可以利用CATIA 軟件進(jìn)行顯示、重構(gòu)和分析計(jì)算。CATIA 開(kāi)放了二次開(kāi)發(fā)編程的組件接口CAA，可以使用組件中的特征、輸入輸出、交互和結(jié)構(gòu)等模塊進(jìn)行編程以實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生建模工具開(kāi)發(fā)。

交互界面操作采用CATDialog模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)出修改關(guān)鍵特征庫(kù)、創(chuàng)建特征、發(fā)布理論模型和導(dǎo)入實(shí)測(cè)模型數(shù)據(jù)的操作界面。使用CATMechanicalRootFactory 模塊對(duì)關(guān)鍵特征及其屬性建立和編輯幾何圖形集；使用CATIParameterEditor對(duì)屬性參數(shù)進(jìn)行創(chuàng)建和編輯（圖11）；使用CATICGMFactory 模塊根據(jù)理論模型進(jìn)行拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的提取和構(gòu)建；使用CATIGSMFactory模塊對(duì)特征點(diǎn)云進(jìn)行重構(gòu)（圖12）；使 用CATIDocument 模 塊和標(biāo)準(zhǔn)模板類(lèi)std，對(duì)文件輸入輸出進(jìn)行編程；使用MySQL 模塊進(jìn)行程序?qū)?shù)據(jù)庫(kù)的讀寫(xiě)；使用CATITPSDDocument 模塊對(duì)特征進(jìn)行標(biāo)注。

圖8 依測(cè)量點(diǎn)重構(gòu)曲面方法Fig.8 Method of Reconstructing surface according to measurement points

圖9 關(guān)鍵特征定義界面Fig.9 Interface of key feature definition

圖10 加工信息導(dǎo)入界面Fig.10 Importing interface of processing information

表2 關(guān)鍵特征屬性Table 2 Attributes of key features

表3 數(shù)字孿生模型實(shí)例表Table 3 Entities table of DTM

表4 數(shù)字孿生模型文件表Table 4 Document table of DTM

理論與實(shí)測(cè)特征數(shù)據(jù)依據(jù)特征標(biāo)識(shí)號(hào)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，掛在同一個(gè)CATIA結(jié)構(gòu)樹(shù)下（圖13）。

圖11 獲取幾何圖形集創(chuàng)建參數(shù)方法Fig.11 Method to get geometry set parameters

圖12 依導(dǎo)入點(diǎn)云進(jìn)行特征重構(gòu)Fig.12 Feature reconstruction based on imported point cloud

圖13 依實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)構(gòu)建數(shù)字孿生模型實(shí)例Fig.13 Digital twin model based on measured data

2 構(gòu)建數(shù)字孿生模型數(shù)據(jù)庫(kù)

基于MySQL 構(gòu)建數(shù)字孿生模型數(shù)據(jù)庫(kù)，提供給工藝人員錄入檢測(cè)測(cè)量數(shù)據(jù)的接口，同時(shí)存儲(chǔ)數(shù)字孿生模型的全部信息（圖14）。

圖14 數(shù)字孿生模型數(shù)據(jù)庫(kù)的使用界面Fig.14 Interface of digital twin model data base

結(jié)論

本文介紹了一種機(jī)械加工零件的數(shù)字孿生模型，能夠有效對(duì)機(jī)械加工過(guò)程中真實(shí)產(chǎn)品的狀態(tài)進(jìn)行建模，得到數(shù)字量虛擬模型應(yīng)用在各工藝環(huán)節(jié)。為精簡(jiǎn)制造數(shù)據(jù)、規(guī)范模型范式并提升建模效率，本文提出了關(guān)鍵特征的概念并分析了關(guān)鍵特征包含的屬性，將關(guān)鍵特征作為制造信息的載體，并闡述了關(guān)鍵特征信息的存儲(chǔ)方法和其幾何重構(gòu)的方法。本文詳細(xì)闡釋了數(shù)字孿生模型的3 級(jí)結(jié)構(gòu)并簡(jiǎn)要分析了應(yīng)用方法。數(shù)字孿生模型將加工過(guò)程中的信息進(jìn)行了集成和整合，它面向零件機(jī)械加工的工藝流程，應(yīng)用理論模型和實(shí)測(cè)模型可以進(jìn)行工藝參數(shù)的分析和優(yōu)化。

最后介紹了使用CATIA 二次開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的數(shù)字孿生建模工具的實(shí)例，基本達(dá)到了預(yù)期目的，其工程應(yīng)用價(jià)值仍有待開(kāi)發(fā)。面對(duì)智能制造的大環(huán)境，仍需繼續(xù)探索制造過(guò)程中的數(shù)據(jù)與工藝的關(guān)系，豐富數(shù)字孿生模型，將模型應(yīng)用在生產(chǎn)中不斷改進(jìn)、創(chuàng)新。