數(shù)字孿生在工程機(jī)械產(chǎn)品裝配領(lǐng)域的應(yīng)用

張 琪

（長安大學(xué)工程機(jī)械學(xué)院，陜西 西安 710064）

1 工程機(jī)械產(chǎn)品裝配的發(fā)展趨勢

復(fù)雜產(chǎn)品性能優(yōu)劣與裝配質(zhì)量息息相關(guān)。 在工程機(jī)械當(dāng)中，裝配工序是產(chǎn)品生產(chǎn)制造過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[1]，它是將零件按規(guī)定的技術(shù)要求組裝起來，并經(jīng)過調(diào)試、檢驗(yàn)使之成為合格產(chǎn)品。 據(jù)統(tǒng)計(jì)，在現(xiàn)代制造中裝配工作量占整個(gè)產(chǎn)品研制工作量的20%～70%，平均為45%，裝配時(shí)間占整個(gè)制造時(shí)間的40%～60%[2]。

隨著機(jī)械產(chǎn)品裝配智能化、 輕量化和精密化的不斷發(fā)展，現(xiàn)有的裝配技術(shù)難以滿足要求，裝配精度要求越來越高、裝調(diào)難度越來越大，產(chǎn)品裝配性能保障也越來越困難。 在實(shí)際裝配階段，由于產(chǎn)品物理特性及現(xiàn)實(shí)原因，使得產(chǎn)品的實(shí)際裝配狀態(tài)與理論數(shù)值之間存在差異，裝配質(zhì)量無法滿足現(xiàn)代復(fù)雜產(chǎn)品高性能、 高精度與長壽命等制造與使用要求。 對(duì)于大型工程機(jī)械，其內(nèi)部包含較多零部件，并且零件的材料和形式也有所不同。 這在一定程度上提升了裝配難度，導(dǎo)致現(xiàn)有方式的裝配效率不是很高。與此同時(shí)，工程機(jī)械行業(yè)正處于轉(zhuǎn)型換代的關(guān)鍵時(shí)期，現(xiàn)代化的工程機(jī)械裝配工藝發(fā)展尤為重要。

計(jì)算機(jī)和數(shù)字化技術(shù)的出現(xiàn)極大地促進(jìn)了裝配技術(shù)的發(fā)展。 傳統(tǒng)裝配技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和管理科學(xué)的交叉融合形成了數(shù)字化裝配技術(shù)。 數(shù)字孿生的核心是通過構(gòu)建與實(shí)際物理現(xiàn)場完全一致的數(shù)字空間，利用虛擬仿真技術(shù)來模擬產(chǎn)品的實(shí)際生產(chǎn)過程。 對(duì)于當(dāng)前裝配工藝研究現(xiàn)狀，基于數(shù)字孿生的復(fù)雜機(jī)械產(chǎn)品裝配必然成為裝配技術(shù)的重要發(fā)展趨勢。

2 數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)的工程機(jī)械產(chǎn)品裝配技術(shù)概述

數(shù)字孿生仿真是將眾多生產(chǎn)工藝單元組合成連續(xù)的過程用數(shù)學(xué)模型來表現(xiàn)，用計(jì)算機(jī)求解整個(gè)生產(chǎn)過程的數(shù)學(xué)模型，得到有關(guān)過程性能信息[3]。 在數(shù)字孿生技術(shù)的不斷探索下，學(xué)術(shù)界針對(duì)數(shù)字孿生體框架和應(yīng)用準(zhǔn)則做出了相關(guān)研究。 數(shù)字孿生體的內(nèi)容包含虛擬建模、信息物理融合、人機(jī)交互與協(xié)同和拓展服務(wù)應(yīng)用四個(gè)方面，這些是構(gòu)成數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)的必要部分；應(yīng)用準(zhǔn)則規(guī)定了以上各部分的在多維虛擬環(huán)境下的幾何、物理、行為、規(guī)則等內(nèi)容。 數(shù)字孿生的核心內(nèi)容是模型和數(shù)據(jù)，通過智能感知、模型構(gòu)建、數(shù)據(jù)融合等技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造、應(yīng)用服務(wù)真正意義上的互通。

在工程機(jī)械產(chǎn)品裝配領(lǐng)域，一套完整的裝配技術(shù)組成可分為五個(gè)部分：1)產(chǎn)品設(shè)計(jì)模型決定可裝配性和裝配性能；2)工藝是指導(dǎo)裝配的技術(shù)文件；3)工藝裝備是實(shí)現(xiàn)裝配的支撐工具；4) 檢測是保證裝配質(zhì)量的重要手段；5)科學(xué)管理是實(shí)現(xiàn)高效裝配的重要部分。 在實(shí)際生產(chǎn)過程中，機(jī)械產(chǎn)品的裝配質(zhì)量又會(huì)受到零件數(shù)量、技術(shù)要求、裝配形式等眾多現(xiàn)實(shí)因素的影響，導(dǎo)致其過程十分復(fù)雜。 數(shù)字孿生的提出與應(yīng)用為以上難題提供了技術(shù)思路。 針對(duì)以上研究目標(biāo)，基于數(shù)字孿生技術(shù)構(gòu)建工程機(jī)械產(chǎn)品裝配流程的多要素、多層次框架，實(shí)現(xiàn)智能化裝配。

對(duì)于具體的工程機(jī)械產(chǎn)品裝配，可以在虛擬環(huán)境下建立與真實(shí)物理模型一致的數(shù)字孿生模型，并將裝配過程所需要的模型信息和工藝文件信息集成在統(tǒng)一的物聯(lián)網(wǎng)中，實(shí)現(xiàn)物理世界與信息世界的深度融合，對(duì)復(fù)雜產(chǎn)品的裝配過程進(jìn)行高效的自響應(yīng)、自組織管控。 以上過程可以用流程圖1 形象表達(dá)。

圖1 數(shù)字孿生下的工程機(jī)械產(chǎn)品裝配流程

3 工程機(jī)械產(chǎn)品裝配數(shù)字孿生體的構(gòu)建流程

數(shù)字孿生是以數(shù)字化的形式建立物理實(shí)體的多維、多時(shí)空尺度、多學(xué)科、多物理量的動(dòng)態(tài)虛擬模型。 數(shù)字孿生體在用戶需求階段建立的虛擬空間和模型稱為需求數(shù)字孿生體，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段建立的虛擬空間和模型稱為設(shè)計(jì)數(shù)字孿生體，主要體現(xiàn)為產(chǎn)品虛擬樣機(jī)[4]。 一般來說，數(shù)字孿生體的主要構(gòu)建要素包括物理實(shí)體空間、 虛擬數(shù)字空間和數(shù)據(jù)互聯(lián)模塊。

圖2 工程機(jī)械產(chǎn)品裝配的數(shù)字孿生體框架

在該結(jié)構(gòu)下建立多層次的立體縱向模型，反應(yīng)實(shí)際物理系統(tǒng)在真實(shí)環(huán)境下的行為、狀態(tài)和性能[5]。 通過以上不同階段信息源的內(nèi)在交互，融合設(shè)計(jì)模型、虛擬樣機(jī)和實(shí)際生產(chǎn)裝配過程，提取數(shù)字孿生體全生命周期信息，構(gòu)建完整的數(shù)字孿生體模型框架如圖2 所示。

4 數(shù)字孿生環(huán)境下虛擬仿真模型的構(gòu)建

數(shù)字孿生技術(shù)下的產(chǎn)線設(shè)計(jì)與生產(chǎn)仿真模塊主要基于離散事件仿真平臺(tái)Plant Simulation，通過在軟件內(nèi)部建立生產(chǎn)線模型與仿真系統(tǒng)模擬實(shí)際生產(chǎn)過程。 該系統(tǒng)用于實(shí)現(xiàn)三維車間生產(chǎn)工藝過程建模、 生產(chǎn)過程仿真分析，為管理決策提供可靠的量化數(shù)據(jù)依據(jù)。

基于虛擬模型對(duì)數(shù)字化車間布局、工藝、物流方案、資源配置方案等進(jìn)行綜合分析、驗(yàn)證和優(yōu)化；為生產(chǎn)線精益規(guī)劃及生產(chǎn)有關(guān)的決策提供支持，找出瓶頸并提出可行性優(yōu)化解決方案，系統(tǒng)總體業(yè)務(wù)流程如下：

1) 構(gòu)建裝配過程所需的待加工零件、加工裝備、工藝人員等；主要對(duì)車間布局、加工流程、物流配送方案進(jìn)行合理的流程設(shè)置，如圖3 所示。

圖3 工程機(jī)械產(chǎn)品裝配設(shè)備建模

2) 待裝配零件通過產(chǎn)品編號(hào)、ID、RFID 傳感器、執(zhí)行器、嵌入式終端等形式為其配置智能核心，用于采集設(shè)備工況數(shù)據(jù)、環(huán)境數(shù)據(jù)，來實(shí)現(xiàn)裝配過程的自動(dòng)化執(zhí)行和控制，具體模型如圖4 所示。

圖4 裝配模型的邏輯互聯(lián)

3) 對(duì)產(chǎn)線的物流路徑、物流配送量等進(jìn)行虛擬仿真，對(duì)產(chǎn)線各工位狀態(tài)等進(jìn)行動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控，如圖5 所示。

圖5 工程機(jī)械產(chǎn)品裝配模型框架

以上建立的生產(chǎn)線物流仿真及可視化仿真模型，模擬加工設(shè)備、物料緩存區(qū)、物流設(shè)備等的運(yùn)作狀態(tài)，分析與發(fā)現(xiàn)物料阻塞、節(jié)拍不平衡、設(shè)備等待等問題，實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)線方案、物流方案的綜合評(píng)估與優(yōu)化。

5 結(jié)論

本文研究了數(shù)字孿生技術(shù)在工程機(jī)械產(chǎn)品裝配領(lǐng)域的應(yīng)用，分析了傳統(tǒng)工程機(jī)械裝配的不足。 通過構(gòu)建工程機(jī)械產(chǎn)品全生命周期的數(shù)字孿生模型，在虛擬制造空間動(dòng)態(tài)模擬產(chǎn)品工藝、裝配等相關(guān)過程。 基于以上過程中的數(shù)據(jù)融合和處理，實(shí)現(xiàn)物理空間和虛擬空間的互聯(lián)，在產(chǎn)品生產(chǎn)制造過程中預(yù)測加工質(zhì)量和技術(shù)指標(biāo)，提高生產(chǎn)裝配的主動(dòng)性、智能性。