數(shù)字孿生車間在復(fù)雜產(chǎn)品裝配過(guò)程中的應(yīng)用探索*

（中國(guó)工程物理研究院機(jī)械制造工藝研究所，綿陽(yáng) 621900）

復(fù)雜產(chǎn)品組成結(jié)構(gòu)復(fù)雜且產(chǎn)品種類多，其裝配存在著技術(shù)復(fù)雜且可靠性要求高、過(guò)程復(fù)雜且交付周期短等一系列困難，隨著用戶需求的發(fā)展變化，傳統(tǒng)以手工操作為主的裝配過(guò)程愈發(fā)暴露出其弱點(diǎn)。仿真技術(shù)雖然在一定程度上幫助人們規(guī)避了復(fù)雜產(chǎn)品裝配制造中的一些缺陷和風(fēng)險(xiǎn)，優(yōu)化了部分流程，但目前的仿真行為在準(zhǔn)確模擬裝配生產(chǎn)過(guò)程中各種因素的耦合作用方面存在一定困難。為使復(fù)雜產(chǎn)品的最終質(zhì)量滿足新的要求，復(fù)雜產(chǎn)品的裝配過(guò)程應(yīng)向數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的智能制造模式轉(zhuǎn)變。

實(shí)現(xiàn)智能制造的一大瓶頸是物理世界和信息世界的互聯(lián)互通，數(shù)字孿生作為全新的理論工具，其包含的數(shù)字孿生技術(shù)能夠?qū)?fù)雜產(chǎn)品全生命周期活動(dòng)中產(chǎn)生的多源異構(gòu)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效融合和管理，數(shù)字孿生可被看作構(gòu)建與實(shí)現(xiàn)CPS（Cyber-physical systems）的必要基礎(chǔ)[1]。借助數(shù)字孿生的思想、理論和技術(shù)，重新定義復(fù)雜產(chǎn)品裝配過(guò)程，為實(shí)現(xiàn)智能化的裝配過(guò)程提供了新的思路。

由于車間是復(fù)雜產(chǎn)品裝配制造的具體實(shí)施單位，因此實(shí)現(xiàn)車間物理空間和虛擬空間的融合具有重要意義。數(shù)字孿生車間分別從物理空間和虛擬空間中提出異構(gòu)要素融合、多維模型融合、物理信息數(shù)據(jù)融合以及服務(wù)應(yīng)用融合4個(gè)方面的融合，提供了對(duì)裝配車間內(nèi)所有要素全面分析和管控，以及打通制造鏈、信息鏈的平臺(tái)和手段。本文在分析當(dāng)前復(fù)雜產(chǎn)品裝配特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合數(shù)字孿生車間概念，提出了基于數(shù)字孿生的復(fù)雜產(chǎn)品裝配車間框架，該框架能夠?yàn)閺?fù)雜產(chǎn)品數(shù)字孿生裝配車間的設(shè)計(jì)提供一定的參考。

1 數(shù)字孿生技術(shù)的發(fā)展

1.1 從數(shù)字孿生體到數(shù)字孿生車間

Grieves 博士[2]于2003年提出“鏡像空間模型”，并將其定義為“與物理產(chǎn)品等價(jià)的虛擬數(shù)字表示”，該模型可以被認(rèn)為是數(shù)字孿生體概念的雛形。后來(lái)，美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）針對(duì)運(yùn)行中的空間飛行器，利用其數(shù)字孿生體進(jìn)行仿真分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)空間飛行器飛行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)，為地面控制人員正確做出決策提供幫助。2011年Grieves[3]引用了John Vickers 所建議的“數(shù)字孿生體（Digital Twin）”這一名詞，作為其鏡像空間模型的別名。2012年，NASA 和美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室提出數(shù)字孿生體是一個(gè)集成了多物理場(chǎng)、多尺度以及概率仿真的數(shù)字飛行器或系統(tǒng)，能通過(guò)超寫(xiě)實(shí)的物理模型、實(shí)時(shí)傳感器數(shù)據(jù)和運(yùn)行歷史數(shù)據(jù)等反映出對(duì)應(yīng)于該模型的實(shí)體飛行器的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)[4]，從此數(shù)字孿生真正引起了學(xué)界的聚焦和關(guān)注。2016年Grieves 等[5]提出數(shù)字孿生體是一組能夠在微觀到宏觀的尺度范圍內(nèi)全面描述實(shí)際或潛在的物理制成品的虛擬信息結(jié)構(gòu)。理想情況下，任何物理制成品的實(shí)測(cè)信息都可以通過(guò)其數(shù)字孿生體獲得。2019年ISO 將數(shù)字孿生體定義為現(xiàn)實(shí)事物（或過(guò)程）具有特定目的的數(shù)字化表達(dá)，并通過(guò)適當(dāng)速率的同步使物理實(shí)例與數(shù)字實(shí)例趨于一致[6]。

從以上數(shù)字孿生體的定義可以看出，數(shù)字孿生是實(shí)現(xiàn)物理與信息交互融合的重要且有效的手段，為打通車間物理空間與信息空間的交互與融合的瓶頸，北航陶飛等[7]提出了一種基于數(shù)字孿生的數(shù)字孿生車間（Digital twin workshop,DTW）的新概念，指出DTW是一種受新一代信息和生產(chǎn)技術(shù)的推動(dòng)，以生產(chǎn)車間在物理空間和虛擬空間中的雙向完整映射與實(shí)時(shí)交互為橋梁，集成并融合物理車間、虛擬車間以及車間服務(wù)系統(tǒng)中的全要素在全制造周期產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，并且以孿生數(shù)據(jù)作為驅(qū)動(dòng)，在物理車間、虛擬車間及車間服務(wù)系統(tǒng)三者之間實(shí)現(xiàn)車間生產(chǎn)計(jì)劃、管理等活動(dòng)的迭代運(yùn)行，從而使車間生產(chǎn)和管控過(guò)程在特定目標(biāo)及限制條件下達(dá)到最優(yōu)的全新車間運(yùn)行模式。數(shù)字孿生車間包括虛擬車間和數(shù)字化物理車間兩個(gè)部分，它能夠有效地將兩者進(jìn)行結(jié)合，從而解決車間內(nèi)信息/物理空間之間存在的數(shù)據(jù)融合問(wèn)題[8]。

1.2 數(shù)字孿生車間架構(gòu)

數(shù)字孿生車間首要目的是解決車間內(nèi)物理空間和信息空間交互融合的問(wèn)題，因此其最基本的應(yīng)包括三大組成部分：物理車間、虛擬車間以及兩者之間的連接。物理車間指車間內(nèi)客觀存在的實(shí)體要素的集合，如廠房設(shè)備、原料產(chǎn)品、測(cè)量?jī)x器、總線網(wǎng)絡(luò)、操作人員、能源環(huán)境等；虛擬車間是物理車間在虛擬空間的完全數(shù)字化的超寫(xiě)實(shí)映射；連接是指物理車間和虛擬車間在信息交流方面的互聯(lián)互通，包括硬件上的連接傳輸以及軟件上的通信交互。陶飛團(tuán)隊(duì)[9-10]設(shè)計(jì)構(gòu)建了包括物理車間、虛擬車間、車間服務(wù)系統(tǒng)以及車間孿生數(shù)據(jù)的參考架構(gòu)，并進(jìn)一步對(duì)此總體架構(gòu)進(jìn)行了分層和細(xì)化，提出了自下而上由物理層、模型層、數(shù)據(jù)層、服務(wù)層及應(yīng)用層構(gòu)成的數(shù)字孿生車間參考系統(tǒng)架構(gòu)。陳振等[11]提出了包含物理裝配車間、虛擬裝配車間、車間服務(wù)應(yīng)用平臺(tái)以及車間數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理平臺(tái)的基于數(shù)字孿生的飛機(jī)裝配車間生產(chǎn)管控框架。Zhang 等[12]搭建了基于物理本體數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)物理模型和數(shù)字仿真模型關(guān)聯(lián)的數(shù)字孿生車間模型，該模型由物理模型、對(duì)應(yīng)的Flexsim 仿真模型及數(shù)字描述模型組成。Zhang 等[13]提出了基于數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)的智能車間五層體系結(jié)構(gòu)，該體系結(jié)構(gòu)具體包括了物理車間層、車間網(wǎng)絡(luò)層、車間數(shù)據(jù)層、信息車間層以及車間應(yīng)用層。郭東升等[14]針對(duì)航天結(jié)構(gòu)件的制造車間，將數(shù)字孿生的車間模型分為物理層、模型層、信息層與系統(tǒng)層四層。柳林燕等[15]提出了由物理實(shí)體層、孿生模型層以及功能層組成的車間生產(chǎn)過(guò)程數(shù)字孿生體系架構(gòu)。綜合分析上述研究可以看出，關(guān)于數(shù)字孿生車間系統(tǒng)框架的研究目前仍處在探索和成型階段。

2 復(fù)雜產(chǎn)品裝配過(guò)程分析

所謂復(fù)雜產(chǎn)品是一類具有復(fù)雜的用戶需求、產(chǎn)品構(gòu)成、產(chǎn)品技術(shù)、制造過(guò)程、項(xiàng)目管理等特點(diǎn)的產(chǎn)品的統(tǒng)稱，例如復(fù)雜機(jī)電產(chǎn)品、汽車、航天器、飛行器、武器系統(tǒng)等[16]。當(dāng)前復(fù)雜產(chǎn)品的裝配具有明顯的離散型裝配特征，其裝配作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)，以手工操作為主、涉及學(xué)科廣泛，參與單位眾多，除汽車等少數(shù)具有規(guī)?；a(chǎn)需求的產(chǎn)品外，大多只進(jìn)行單件或小批量生產(chǎn)。在復(fù)雜產(chǎn)品生產(chǎn)中，因?yàn)槿肆ξ锪ω?cái)力的充足供應(yīng)，單個(gè)零件或部件的設(shè)計(jì)、制造與管理已實(shí)現(xiàn)相當(dāng)程度的自動(dòng)化，與之相比，復(fù)雜產(chǎn)品的裝配過(guò)程依然相對(duì)傳統(tǒng)，即便在較為成熟的汽車行業(yè)，絕大多數(shù)的發(fā)動(dòng)機(jī)組裝、整車組裝等仍舊離不開(kāi)大量的人力參與。

2.1 復(fù)雜產(chǎn)品裝配的問(wèn)題

復(fù)雜產(chǎn)品涉及的零部件數(shù)量龐大且相互約束關(guān)系復(fù)雜，裝配結(jié)構(gòu)關(guān)系主要由靜態(tài)裝配數(shù)據(jù)呈現(xiàn)，缺少裝配過(guò)程的動(dòng)態(tài)演變模型，數(shù)據(jù)管理與過(guò)程管理脫鉤，在裝配過(guò)程中極易發(fā)生錯(cuò)裝漏裝的情況。并且由于其高精度的特點(diǎn)，裝配質(zhì)量對(duì)裝配過(guò)程中的誤差、干擾等極為敏感，且極其注重產(chǎn)品零部件表面質(zhì)量，杜絕出現(xiàn)污漬、劃痕等損傷。同時(shí)因?yàn)檠b配工序多、操作復(fù)雜、資源調(diào)配頻繁和對(duì)設(shè)備狀態(tài)、人員素質(zhì)、生產(chǎn)環(huán)境等的高要求等特點(diǎn)，導(dǎo)致產(chǎn)品裝配精度的影響因素繁雜，各因素之間相互關(guān)聯(lián)耦合且難以解耦。在按照一定的工藝路線裝配時(shí)，路線上的質(zhì)量控制點(diǎn)之間復(fù)雜的、動(dòng)態(tài)的、非線性的相關(guān)性使得質(zhì)量控制極為復(fù)雜，上游工序產(chǎn)生的非最優(yōu)裝配狀態(tài)中的偏差會(huì)以在制品為載體傳遞到下游工序，并且累積和放大，導(dǎo)致裝配完成后的產(chǎn)品整體性能在零部件均檢測(cè)合格的條件下仍無(wú)法達(dá)到指標(biāo)要求。另外，傳統(tǒng)的在裝配完成后再綜合評(píng)價(jià)產(chǎn)品性能的方式，缺乏對(duì)裝配中間過(guò)程的管控，給及時(shí)識(shí)別和定位產(chǎn)生質(zhì)量問(wèn)題的原因帶來(lái)困難[17-18]。并且由于大量的信息傳遞與資源協(xié)調(diào)活動(dòng)進(jìn)行，尤其當(dāng)產(chǎn)品處于研制階段時(shí)，反復(fù)的設(shè)計(jì)更改與頻繁的生產(chǎn)擾動(dòng)給生產(chǎn)調(diào)度工作造成了極大的復(fù)雜性和困難性。

2.2 復(fù)雜產(chǎn)品裝配的一般要求

2.2.1 復(fù)雜產(chǎn)品裝配的高可靠性要求

一般來(lái)說(shuō)，復(fù)雜產(chǎn)品多以大量的殼體零件、高精度曲面類零件、精密儀器、非標(biāo)準(zhǔn)件及電線電纜組成，工件尺寸大，形狀不規(guī)則，重量大且重心通常不在幾何中心，抓取、定位困難，裝配約束關(guān)系復(fù)雜，裝配過(guò)程工序繁多且工藝復(fù)雜，因而其可靠性控制難度很大。但是，由于復(fù)雜產(chǎn)品對(duì)使用性能（特別是在惡劣工況下的可靠性、維修性、保障性、安全性、經(jīng)濟(jì)性、環(huán)境適應(yīng)性指標(biāo)）的要求極為苛刻，所以對(duì)其裝配過(guò)程中可靠性的把控顯得至關(guān)重要。復(fù)雜產(chǎn)品裝配過(guò)程的可靠性可分為兩個(gè)方面：一是裝配設(shè)備的可靠性，包括裝配裝置、吊具夾具、儀器儀表、軟件系統(tǒng)以及其他裝配車間內(nèi)的輔助設(shè)備，包括環(huán)境設(shè)備、能源設(shè)備、通信設(shè)備等的長(zhǎng)期健康穩(wěn)定運(yùn)行；二是裝配產(chǎn)品的可靠性，包括裝配精度、裝配應(yīng)力、裝配變形、表面質(zhì)量、潤(rùn)滑密封等嚴(yán)格滿足設(shè)計(jì)要求。

2.2.2 復(fù)雜產(chǎn)品裝配的高一致性要求

復(fù)雜產(chǎn)品由于使用工況復(fù)雜，為保證使用過(guò)程的安全性和穩(wěn)定性，對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量一致性的要求極高。復(fù)雜產(chǎn)品的不確定性來(lái)自于各個(gè)子系統(tǒng)和零件的不確定性以及它們裝配關(guān)系的不確定性[19]，通常受工廠的人（Man）、機(jī)（Machine）、料（Material）、法（Method）、測(cè)（Measurement）、環(huán)（Environment）（即5M1E 要 素）6個(gè)因素的影響。具體而言，在以手工操作為主的裝配過(guò)程中，由于裝配人員操作、設(shè)備狀態(tài)、零部件質(zhì)量、上游工序裝配結(jié)果、測(cè)量方法與測(cè)量誤差、環(huán)境參數(shù)等不確定性因素的影響，將會(huì)產(chǎn)生一系列的裝配誤差。這些誤差具有隨機(jī)性、不可重復(fù)性，難以補(bǔ)償消除，共同影響著復(fù)雜產(chǎn)品裝配過(guò)程的一致性，特別是手工操作主要依靠操作者的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)，其帶來(lái)的不確定性在很大程度上會(huì)導(dǎo)致同一批次產(chǎn)品的最終質(zhì)量也無(wú)法保持很高的一致性。

2.2.3 復(fù)雜產(chǎn)品裝配的柔性化要求

復(fù)雜產(chǎn)品裝配大多具有多型號(hào)、小批量的生產(chǎn)特征，若采用傳統(tǒng)的裝配方式，對(duì)于不同產(chǎn)品更換不同設(shè)備、工裝、量具等，將帶來(lái)大量的人力、物力與時(shí)間資源的不必要消耗。同時(shí)，復(fù)雜產(chǎn)品裝配過(guò)程必須及時(shí)對(duì)用戶需求的變化、裝配工藝的更改及裝配過(guò)程中的干擾因素做出響應(yīng)。這些特征要求復(fù)雜產(chǎn)品裝配向柔性化的方式轉(zhuǎn)變。

復(fù)雜產(chǎn)品裝配的柔性化趨勢(shì)體現(xiàn)在以下5個(gè)方面。

（1）資源柔性。一機(jī)多能，一人多能，即同一臺(tái)設(shè)備或同一個(gè)裝配人員需要具備完成不同型號(hào)、系列產(chǎn)品的裝配的能力，從而提高設(shè)備利用率，增強(qiáng)響應(yīng)能力，縮短裝配周期，節(jié)省裝配成本。

（2）物流柔性。針對(duì)不同的產(chǎn)品裝配任務(wù)調(diào)整物流方案，包括物料清單、物流線路、物流節(jié)拍等，且能跟蹤裝配進(jìn)程，滿足多任務(wù)同時(shí)裝配的物流要求。

（3）車間布局柔性。裝配車間能夠針對(duì)不同類型的產(chǎn)品裝配快速地調(diào)整，良好的節(jié)拍控制能支持在不同工位的多種類型產(chǎn)品的同時(shí)裝配。

（4）工藝柔性。針對(duì)一組裝配任務(wù)，工藝路線是可以隨時(shí)動(dòng)態(tài)尋優(yōu)的，一方面可以根據(jù)零件實(shí)測(cè)尺寸或?qū)崪y(cè)裝配狀態(tài)調(diào)整下一步的裝配工藝，另一方面在某一工位被占用或設(shè)備故障時(shí)，能夠?qū)崟r(shí)實(shí)施動(dòng)態(tài)調(diào)度，尋找替代工位。

（5）需求柔性。裝配車間在僅少量增加設(shè)備設(shè)施的條件下，能夠快速滿足新型號(hào)產(chǎn)品的裝配需求，能跟蹤、分析、預(yù)測(cè)用戶需求。

2.2.4 復(fù)雜產(chǎn)品裝配的協(xié)同化要求

由于復(fù)雜產(chǎn)品研制生產(chǎn)具有承研單位眾多、地域分布廣泛、設(shè)計(jì)制造分離等特點(diǎn)，一家單位通常只負(fù)責(zé)提供某些特定的模塊或子系統(tǒng)，而這些模塊和子系統(tǒng)一般會(huì)涉及到核心的商業(yè)秘密或國(guó)家秘密，因而裝配單位難以全面獲取這些模塊或子系統(tǒng)的特性以獨(dú)立開(kāi)展裝配工藝設(shè)計(jì)和操作。同時(shí)，圍繞全制造鏈協(xié)同共享的復(fù)雜產(chǎn)品信息溯源體系也具有重要意義。與傳統(tǒng)形式的離散制造車間相比，復(fù)雜產(chǎn)品裝配車間更加需要在制造方面實(shí)現(xiàn)橫向、縱向以及端到端的集成，因而呈現(xiàn)出更為迫切的協(xié)同性需求。

在復(fù)雜產(chǎn)品裝配的過(guò)程中，會(huì)有大量數(shù)據(jù)的交互以及各方人員的協(xié)同配合，主要包括：

（1）與合作配套單位、上級(jí)單位、供應(yīng)商及用戶之間的溝通和交流，有助于準(zhǔn)確貫徹執(zhí)行上級(jí)單位下發(fā)的生產(chǎn)任務(wù)，詳細(xì)了解并分解用戶需求，掌握各模塊和子系統(tǒng)的接口要求及裝配注意事項(xiàng)，在某些需多家單位共同參與的裝配工序中同時(shí)且高質(zhì)量地達(dá)到多方要求；

（2）調(diào)度部門(mén)對(duì)車間現(xiàn)場(chǎng)的任務(wù)指派及車間現(xiàn)場(chǎng)對(duì)調(diào)度部門(mén)的進(jìn)程反饋，有助于對(duì)車間調(diào)度行為做出較好規(guī)劃；

（3）設(shè)計(jì)、工藝部門(mén)對(duì)車間現(xiàn)場(chǎng)的工藝信息傳達(dá)及車間現(xiàn)場(chǎng)對(duì)設(shè)計(jì)、工藝部門(mén)的生產(chǎn)問(wèn)題反饋，有助于形成生產(chǎn)過(guò)程的迭代尋優(yōu)，提高設(shè)計(jì)制造水平；

（4）車間現(xiàn)場(chǎng)對(duì)質(zhì)量部門(mén)的裝配情況報(bào)告及質(zhì)量部門(mén)對(duì)車間現(xiàn)場(chǎng)的檢測(cè)質(zhì)量反饋，有助于及時(shí)發(fā)現(xiàn)并消除裝配缺陷，增強(qiáng)裝配過(guò)程的可控性。

3 基于數(shù)字孿生的復(fù)雜產(chǎn)品裝配車間框架設(shè)計(jì)

3.1 復(fù)雜產(chǎn)品的實(shí)作裝配體模型

復(fù)雜產(chǎn)品的數(shù)字孿生裝配體與通常的產(chǎn)品數(shù)字孿生體一樣，具有包括唯一性、虛擬性、超寫(xiě)實(shí)性（數(shù)字孿生體在外觀、內(nèi)容與性質(zhì)等方面對(duì)物理產(chǎn)品的擬實(shí)度高，可以準(zhǔn)確描述其真實(shí)狀態(tài)）、多物理性、動(dòng)態(tài)性、集成性、多尺度多層次性、可計(jì)算性、概率性及多學(xué)科性等在內(nèi)的多種綜合特性[20]。通常而言，利用設(shè)計(jì)參數(shù)及理想模型構(gòu)建的數(shù)字孿生裝配體可稱為理想孿生裝配體模型（Ideal digital-twin assembly model），理論上這個(gè)模型可對(duì)物理裝配體包含的所有信息和知識(shí)從幾何、物理、行為、規(guī)則等方面進(jìn)行全面描述，如圖1所示。然而由于加工誤差、測(cè)量誤差、殼體變形、零件磨損、環(huán)境因素以及操作不規(guī)范而引起的誤差，理想孿生裝配體模型并不是物理裝配體完全忠實(shí)的超寫(xiě)實(shí)鏡像模型，它與生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際產(chǎn)品是存在差異的。如果按照理想孿生裝配體模型來(lái)指導(dǎo)后續(xù)裝配工序，將導(dǎo)致這些差異被忽略和積累。由于以實(shí)映虛的過(guò)程不能保證高忠實(shí)度，模型融合時(shí)往往無(wú)法識(shí)別和補(bǔ)償誤差，甚至?xí)⒄`差放大，從而使以虛控實(shí)的過(guò)程難以實(shí)現(xiàn)。

為準(zhǔn)確映射物理空間中的物理裝配體，可在虛擬空間建立一個(gè)反映和記錄產(chǎn)品實(shí)時(shí)裝配狀態(tài)和裝配過(guò)程的數(shù)據(jù)集合，稱之為實(shí)作裝配體模型（As-built assembly model）。實(shí)作裝配體模型是根據(jù)裝配過(guò)程中的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)建立的，主要包括裝配定位數(shù)據(jù)、裝配應(yīng)力數(shù)據(jù)、裝配表面質(zhì)量數(shù)據(jù)以及裝配形變數(shù)據(jù)等，并隨產(chǎn)品裝配過(guò)程動(dòng)態(tài)更新和迭代，因而實(shí)作裝配體模型的建立是以檢測(cè)為基礎(chǔ)的，檢測(cè)應(yīng)貫穿整個(gè)裝配過(guò)程。

圖1 實(shí)作裝配體模型Fig.1 As-built assembly model

實(shí)作裝配體模型繼承了產(chǎn)品數(shù)字孿生體的所有特性，它的超寫(xiě)實(shí)性反映的是物理裝配體的真實(shí)狀態(tài)，不僅描述了物理裝配體宏觀尺度上的狀態(tài)，如尺寸、形狀、位置、裝配關(guān)系，而且描述了產(chǎn)品的表面質(zhì)量、應(yīng)力、應(yīng)變等微觀尺度上的狀態(tài)；從層次性上可將實(shí)作裝配模型劃分為實(shí)作零件模型、實(shí)作組件模型、實(shí)作部裝模型、實(shí)作總裝模型等層級(jí)，并且由于其數(shù)據(jù)集的本質(zhì)屬性，包含了多物理場(chǎng)景、多學(xué)科類型的實(shí)際數(shù)據(jù)。可以說(shuō)，實(shí)作裝配體模型是產(chǎn)品數(shù)字孿生裝配體在裝配過(guò)程中的實(shí)例化[21]。另外，實(shí)作裝配體模型還具有以下特點(diǎn)：

（1）隨動(dòng)性。實(shí)作裝配體模型總是隨著物理裝配體的更新而更新，如擰緊連接螺釘后，實(shí)作裝配體模型中才會(huì)增加該螺釘?shù)奈恢眉邦A(yù)緊力等數(shù)據(jù)，以保證超寫(xiě)實(shí)性要求；同時(shí)，隨動(dòng)性特點(diǎn)還體現(xiàn)在響應(yīng)快，物理裝配體一旦更新，即產(chǎn)生新的狀態(tài)下的實(shí)作裝配體模型，在時(shí)間上實(shí)作裝配體模型的更新與物理裝配體的變化趨于同步，保證了模型的時(shí)效性。

（2）隨機(jī)性。實(shí)作裝配體模型描述了物理裝配體的真實(shí)狀態(tài)，物理裝配體中的誤差將會(huì)反映到實(shí)作裝配體模型中，這些誤差大多都是隨機(jī)性的，所以實(shí)作裝配體模型具有隨機(jī)性；在隨機(jī)性的影響下，產(chǎn)品在任一裝配工序下的實(shí)作裝配體模型都是唯一的，不同產(chǎn)品在同一裝配工序下的實(shí)作裝配體模型也不可能完全相同；

（3）依賴性。實(shí)作裝配體模型極大地依賴對(duì)裝配過(guò)程參數(shù)實(shí)時(shí)全面的監(jiān)測(cè)和采集，要求裝配及檢驗(yàn)設(shè)備高度集成。

3.2 復(fù)雜產(chǎn)品裝配的數(shù)字孿生車間整體框架

復(fù)雜產(chǎn)品裝配作為完成產(chǎn)品功能和性能構(gòu)建的關(guān)鍵最終環(huán)節(jié)，對(duì)復(fù)雜產(chǎn)品研發(fā)品質(zhì)的高低與使用性能的優(yōu)劣起著重要作用，復(fù)雜產(chǎn)品的最終質(zhì)量技術(shù)指標(biāo)深受其裝配質(zhì)量的影響[22]。所以實(shí)作裝配體模型以其更高的超寫(xiě)實(shí)性，要求數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)的裝配過(guò)程應(yīng)從理想孿生裝配體模型指導(dǎo)裝配向?qū)嵶餮b配體模型指導(dǎo)裝配轉(zhuǎn)變。由于復(fù)雜產(chǎn)品裝配過(guò)程具有的可靠性、一致性、柔性及協(xié)同性要求，數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)的裝配過(guò)程將不限于物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，而是要向體現(xiàn)了“智慧化制造技術(shù)特征”的，以及制造資源與制造能力的物聯(lián)化、虛擬化、服務(wù)化、協(xié)同化、智能化[23]的云制造平臺(tái)發(fā)展。

復(fù)雜產(chǎn)品裝配的數(shù)字孿生車間包括裝配產(chǎn)品數(shù)字孿生、裝配流程數(shù)字孿生和裝檢設(shè)備數(shù)字孿生3個(gè)層面，整體框架如圖2所示，由物理實(shí)體層、模型數(shù)據(jù)層、迭代分析層、協(xié)同服務(wù)層組成。

3.2.1 物理實(shí)體層

圖2 復(fù)雜產(chǎn)品裝配的數(shù)字孿生車間整體框架Fig.2 Digital twin workshop framework for complex product assembly

物理實(shí)體層是指裝配車間內(nèi)人、機(jī)、料、環(huán)及其他如傳感裝置、總線網(wǎng)絡(luò)、工裝夾具等在內(nèi)的所有生產(chǎn)實(shí)體要素和物理裝配體的集合。物理實(shí)體層的各要素之間應(yīng)建立廣泛的連接，且能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)，尤其是裝配過(guò)程及裝配質(zhì)量數(shù)據(jù)進(jìn)行連續(xù)、實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地采集、傳輸和存儲(chǔ)。這意味著復(fù)雜產(chǎn)品裝配的數(shù)字孿生車間對(duì)裝配設(shè)備提出了更高的要求，傳統(tǒng)的裝配設(shè)備以手工操控為主，缺少反饋控制，無(wú)法實(shí)時(shí)掌控裝配質(zhì)量，數(shù)字孿生車間的建設(shè)一方面能引導(dǎo)已有裝備的改進(jìn)升級(jí)，另一方面能促進(jìn)新一代裝配裝備的研發(fā)，為復(fù)雜產(chǎn)品裝配過(guò)程的信息化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化水平提升帶來(lái)新的契機(jī)。適應(yīng)數(shù)字孿生車間的未來(lái)裝配設(shè)備可以更廣泛地使用機(jī)器人以增強(qiáng)運(yùn)動(dòng)的靈活性和生產(chǎn)柔性，機(jī)械結(jié)構(gòu)上應(yīng)注重“剛?cè)峤Y(jié)合”，合理設(shè)計(jì)剛性機(jī)構(gòu)和需要浮動(dòng)的機(jī)構(gòu)，綜合利用電、氣、液等多種驅(qū)動(dòng)方式，在核心零部件中按需嵌入傳感裝置以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)運(yùn)行狀態(tài)，拓展和其他設(shè)備互聯(lián)的接口，能與智能管控系統(tǒng)交互；除此之外，裝配裝備的控制方式要從開(kāi)環(huán)或半閉環(huán)向全閉環(huán)、智能化的方向發(fā)展；測(cè)量手段要從單一的、傳統(tǒng)的向融合的、先進(jìn)的方向發(fā)展；檢測(cè)方式要從階段檢測(cè)向?qū)崟r(shí)檢測(cè)的方向發(fā)展。

3.2.2 模型數(shù)據(jù)層

模型數(shù)據(jù)層以數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)為支撐，存儲(chǔ)了物理實(shí)體層、迭代分析層、協(xié)同服務(wù)層三者自身的數(shù)據(jù)以及在三者的交互行為中衍生出的數(shù)據(jù)，另外還包含了MES、ERP、DOM、PDM 等系統(tǒng)提供的裝配體模型設(shè)計(jì)及工藝設(shè)計(jì)階段產(chǎn)生的所有數(shù)據(jù)，具備了包括多樣性、海量性、高速性及多源異構(gòu)等特征在內(nèi)的一系列的大數(shù)據(jù)特征，完成了全業(yè)務(wù)、全要素、全流程數(shù)據(jù)的集成與融合。其中，反映和記錄物理裝配體實(shí)時(shí)裝配狀態(tài)和裝配過(guò)程的數(shù)據(jù)集合即為實(shí)作裝配體模型，反映和記錄裝配產(chǎn)品設(shè)計(jì)參數(shù)及理想模型的數(shù)據(jù)集合則代表了理想孿生裝配體模型。實(shí)作裝配體模型和理想孿生裝配體模型均屬于虛擬空間的范疇，同時(shí)，虛擬空間還包含了人-機(jī)-物-環(huán)等實(shí)體集合的數(shù)字鏡像。這樣，通過(guò)模型數(shù)據(jù)層將整個(gè)物理車間映射到了虛擬空間，形成了數(shù)字模型形式的孿生車間。模型數(shù)據(jù)層包含中的知識(shí)與規(guī)則數(shù)據(jù)可以被協(xié)同服務(wù)層當(dāng)作能夠直接使用的決策參考，另外一些幾何、物理、行為、規(guī)則模型的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)封裝可被迭代分析層調(diào)用進(jìn)行裝配過(guò)程的仿真優(yōu)化[14]。

3.2.3 迭代分析層

迭代分析層是數(shù)字孿生車間“智能”的來(lái)源，硬件方面的主體內(nèi)容由嵌入式設(shè)備、云計(jì)算服務(wù)器以及高性能圖像處理器等平臺(tái)設(shè)備構(gòu)成；軟件方面則主要是對(duì)幾何、物理、行為及規(guī)則模型的封裝調(diào)用和優(yōu)化。依靠迭代分析層，模型數(shù)據(jù)層中的數(shù)據(jù)會(huì)在實(shí)時(shí)的更新過(guò)程中被整理、分析、挖掘，經(jīng)過(guò)信號(hào)處理、圖像處理、故障診斷、可靠性分析等方法提煉出的有用信息將作為協(xié)同服務(wù)層調(diào)控生產(chǎn)活動(dòng)的決策依據(jù)。

與此同時(shí)，在迭代分析層中理想模型會(huì)在實(shí)作裝配體模型數(shù)據(jù)的修正下形成裝配體修正模型。裝配體修正模型反映了當(dāng)前狀態(tài)下裝配體幾何、物理、行為、規(guī)則等維度的模型在虛擬空間中的真實(shí)映射，以裝配體修正模型為依據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的裝配工藝調(diào)整，有利于精準(zhǔn)調(diào)控零件部件、裝備裝置及裝配過(guò)程，有利于實(shí)現(xiàn)具備自適應(yīng)、自組織以及動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力的產(chǎn)品裝配系統(tǒng)，有利于尋找到物理裝配體完成所有工序后的最優(yōu)裝配狀態(tài)。由于實(shí)作裝配體的隨機(jī)性特點(diǎn)，裝配體修正模型并不能適應(yīng)每個(gè)產(chǎn)品的裝配要求，所以理想模型會(huì)一直參與到每個(gè)產(chǎn)品對(duì)應(yīng)的裝配體修正模型的形成過(guò)程中。

3.2.4 協(xié)同服務(wù)層

協(xié)同服務(wù)層利用互聯(lián)網(wǎng)將在裝產(chǎn)品全生命周期的各個(gè)階段相連接，打通了整個(gè)制造系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流與信息流，從而在制造方面實(shí)現(xiàn)橫向、縱向與端到端集成。協(xié)同服務(wù)層提供的各類應(yīng)用讓制造系統(tǒng)上的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都能實(shí)時(shí)參與到產(chǎn)品裝配的過(guò)程中來(lái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜產(chǎn)品裝配的“云監(jiān)工”，并根據(jù)裝配過(guò)程中產(chǎn)生的問(wèn)題提出相應(yīng)的改進(jìn)方案或進(jìn)行資源協(xié)調(diào)。復(fù)雜產(chǎn)品更加注重用戶的使用需求，用戶可以通過(guò)協(xié)同服務(wù)層全面了解產(chǎn)品的裝配生產(chǎn)過(guò)程，監(jiān)督生產(chǎn)質(zhì)量，甚至利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行使用和維護(hù)培訓(xùn)。協(xié)同服務(wù)層的應(yīng)用涵蓋了監(jiān)測(cè)、控制、分析、管理等功能，以數(shù)據(jù)為驅(qū)動(dòng)在車間各生產(chǎn)要素的全生命周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)故障預(yù)測(cè)和健康管理，以及設(shè)計(jì)和裝配生產(chǎn)過(guò)程的優(yōu)化改進(jìn)。

3.3 數(shù)字孿生車間內(nèi)的裝配過(guò)程調(diào)控

由前所述，為保證復(fù)雜產(chǎn)品裝配的質(zhì)量，以實(shí)作裝配體模型代替了理想孿生裝配體模型來(lái)描述物理裝配體實(shí)時(shí)的真實(shí)狀態(tài)，原本用來(lái)指導(dǎo)裝配工藝的理想模型就會(huì)在迭代分析層中被修正為裝配體修正模型，根據(jù)實(shí)時(shí)信息和控制模型實(shí)現(xiàn)對(duì)裝配策略的調(diào)整和誤差的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，為裝配過(guò)程質(zhì)量的主動(dòng)調(diào)控提供理論支持[17]?；谘b配體修正模型的裝配過(guò)程調(diào)控是復(fù)雜產(chǎn)品裝配的數(shù)字孿生車間的核心技術(shù)，整個(gè)實(shí)時(shí)裝配調(diào)控過(guò)程如圖3所示。

每個(gè)裝配工序i開(kāi)始前都要構(gòu)建前一個(gè)裝配工序i-1的裝配體修正模型。即在第1個(gè)工序開(kāi)始前，應(yīng)當(dāng)構(gòu)建物理裝配體在第0個(gè)工序（零部件準(zhǔn)備狀態(tài)）的裝配體修正模型，隨后每完成一個(gè)裝配工序i后，便構(gòu)建第i個(gè)工序的實(shí)作裝配體模型，若該實(shí)作裝配體模型滿足要求，則會(huì)進(jìn)一步形成第i個(gè)工序的裝配體修正模型，以指導(dǎo)第i+1個(gè)工序的進(jìn)行。

對(duì)裝配工序i的實(shí)作裝配體模型的評(píng)價(jià)以相似度為評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)[21]，每個(gè)裝配工序i完成后，迭代分析層都會(huì)計(jì)算實(shí)作裝配體模型和理想孿生裝配體模型的相似度：

其中，SIM(ASAMi)表示第i個(gè)裝配工序的實(shí)作裝配體模型和理想孿生裝配體模型的相似度；Mi表示第i個(gè)裝配工序包含的同軸度、位置度等關(guān)鍵定位參數(shù)的數(shù)量；Ni表示第i個(gè)裝配工序包含的螺栓預(yù)緊力、焊接應(yīng)力等關(guān)鍵應(yīng)力參數(shù)的數(shù)量；Si表示第i個(gè)裝配工序包含的殼體變形、螺栓變形等關(guān)鍵應(yīng)變參數(shù)的數(shù)量；Ti表示第i個(gè)裝配工序包含的光潔度等裝配表面質(zhì)量參數(shù)的數(shù)量；positionij和position′ij分別表示第i個(gè)裝配工序的實(shí)作裝配體模型及對(duì)應(yīng)的理想孿生裝配體中的第j個(gè)定位參數(shù)；stressik和stress′ik分別表示第i個(gè)裝配工序的實(shí)作裝配體模型及對(duì)應(yīng)的理想孿生裝配體中的第k個(gè)應(yīng)力參數(shù)；strainil和strain′il分別表示第i個(gè)裝配工序的實(shí)作裝配體模型及對(duì)應(yīng)的理想孿生裝配體中的第l個(gè)應(yīng)變參數(shù)；sqim和sq′im分別表示第i個(gè)裝配工序的實(shí)作裝配體模型及對(duì)應(yīng)的理想孿生裝配體中的第m個(gè)表面質(zhì)量參數(shù)；αj、βk、γl、ηm分別表示定位參數(shù)、應(yīng)力參數(shù)、應(yīng)變參數(shù)、表面質(zhì)量參數(shù)在實(shí)作裝配體模型和理想孿生裝配體模型的相似度計(jì)算中所占的權(quán)重。

設(shè)定某一相似度閾值δ，若計(jì)算出的相似度大于指標(biāo)δ，則認(rèn)為此工序合格；若計(jì)算出的相似度小于指標(biāo)δ，則形成工藝優(yōu)化方案，重新進(jìn)行該裝配工序的實(shí)施，提升裝配工藝的快速應(yīng)變能力[24]。

基于裝配體修正模型的裝配過(guò)程調(diào)控，體現(xiàn)了數(shù)字孿生“以虛映實(shí)、虛實(shí)共融、以虛控實(shí)”的理念。其充分重視了復(fù)雜產(chǎn)品物理裝配體的隨機(jī)性，以實(shí)際產(chǎn)品為基礎(chǔ)，在數(shù)字孿生車間的框架下，可以完成從數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、分析、優(yōu)化、應(yīng)用在內(nèi)的所有流程，為復(fù)雜產(chǎn)品裝配質(zhì)量的提高提供了嶄新的實(shí)施思路。

3.4 復(fù)雜產(chǎn)品孿生裝配車間的運(yùn)行機(jī)制

復(fù)雜產(chǎn)品孿生裝配車間的運(yùn)行是由車間數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的，主要分為4個(gè)階段（圖4）。

（1）理想孿生裝配體模型產(chǎn)生。

裝配工藝設(shè)計(jì)部門(mén)根據(jù)復(fù)雜產(chǎn)品圖樣數(shù)據(jù)，利用裝配工藝與仿真系統(tǒng)實(shí)施裝配信息組織、裝配順序規(guī)劃等工藝行為，獲得理想情況下的復(fù)雜產(chǎn)品裝配狀態(tài)，在此過(guò)程中形成理想孿生裝配體模型。在實(shí)際裝配生產(chǎn)過(guò)程中，裝配工藝設(shè)計(jì)部門(mén)也會(huì)隨著實(shí)際裝配數(shù)據(jù)的反饋形成經(jīng)驗(yàn)積累，產(chǎn)生更優(yōu)的裝配工藝和方法。

（2）車間孿生模型形成。

車間孿生模型由數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)，和物理車間的實(shí)時(shí)狀態(tài)保持高忠實(shí)度的映射關(guān)系，車間內(nèi)任何數(shù)據(jù)的變化都會(huì)引起車間孿生模型的更新，實(shí)作裝配體模型作為車間孿生模型的組成部分和在裝產(chǎn)品保持高度一致。車間孿生模型的構(gòu)建依賴于對(duì)物理裝配車間現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)全面的、實(shí)時(shí)的感知、采集以及信息的互聯(lián)互通，利用智能傳感器、RFID、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)標(biāo)識(shí)各個(gè)實(shí)體要素，形成各要素的唯一編碼，并建立廣泛的傳感通信網(wǎng)絡(luò)，使得信息可以在人-機(jī)、機(jī)-機(jī)之間高效傳輸，打破異構(gòu)設(shè)備及車間各類管控系統(tǒng)通訊的瓶頸，以滿足數(shù)字孿生體所包含的超寫(xiě)實(shí)性、動(dòng)態(tài)性、集成性等多種特性的要求。這一階段實(shí)現(xiàn)了物理空間到信息空間的映射。

（3）以裝配體修正模型為指導(dǎo)的裝配過(guò)程管控。

智能系統(tǒng)（包含模型數(shù)據(jù)層和迭代分析層）所具備的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與分析能力將理想孿生裝配體模型與實(shí)際裝配體模型相融合，形成裝配體修正模型，并以裝配體修正模型為指導(dǎo)向裝配車間現(xiàn)場(chǎng)下發(fā)裝配過(guò)程管控指令，調(diào)整裝配裝備的動(dòng)作，協(xié)調(diào)設(shè)備、物流、能源等資源。這一階段實(shí)現(xiàn)了信息空間到物理空間的反饋。

（4）產(chǎn)品制造鏈上各單位協(xié)同。

圖4 復(fù)雜產(chǎn)品孿生裝配車間的運(yùn)行Fig.4 Operation of assembly DTW for complex products

協(xié)同服務(wù)應(yīng)用提供了使產(chǎn)品設(shè)計(jì)單位、加工制造單位、合作配套單位、產(chǎn)品用戶等能夠全方位參與復(fù)雜產(chǎn)品裝配過(guò)程的平臺(tái)，在協(xié)同服務(wù)應(yīng)用上產(chǎn)生的交互可以推動(dòng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝等的迭代優(yōu)化，最終實(shí)現(xiàn)提質(zhì)增效的目標(biāo)。

4 裝配過(guò)程在數(shù)字孿生車間中的持續(xù)改進(jìn)

以實(shí)作裝配體模型為核心的數(shù)字孿生裝配車間有望實(shí)現(xiàn)復(fù)雜產(chǎn)品裝配過(guò)程的虛實(shí)融合，通過(guò)軟硬件服務(wù)平臺(tái)及工具，能夠跟蹤裝配過(guò)程的每一個(gè)環(huán)節(jié)，對(duì)涉及的大量零部件建立完備的檔案，實(shí)現(xiàn)對(duì)裝配裝備和裝配過(guò)程的自組織、自適應(yīng)的動(dòng)態(tài)控制。數(shù)字孿生裝配車間的裝配過(guò)程完成了裝配工藝過(guò)程從數(shù)字信息主導(dǎo)向虛實(shí)結(jié)合、共同進(jìn)化的方式轉(zhuǎn)變，實(shí)現(xiàn)了面向裝配車間現(xiàn)場(chǎng)的、以實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的、涉及多維工藝要素的、以大數(shù)據(jù)分析為手段的工藝知識(shí)及過(guò)程的建模、仿真與優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了裝配工藝問(wèn)題的主動(dòng)決策[22]。

與傳統(tǒng)裝配過(guò)程相比，數(shù)字孿生車間將數(shù)據(jù)管理與過(guò)程管理掛鉤，支持裝配過(guò)程的動(dòng)態(tài)演變，杜絕了零部件錯(cuò)裝漏裝情況的發(fā)生，智能系統(tǒng)為解耦各因素的影響提供了工具和方法，實(shí)時(shí)主動(dòng)的監(jiān)測(cè)調(diào)控能及時(shí)發(fā)現(xiàn)并解決工藝問(wèn)題，有效減少偏差向下游工序的傳遞、累積和放大的概率，從而實(shí)現(xiàn)復(fù)雜產(chǎn)品裝配質(zhì)量的提升。

4.1 裝配過(guò)程的可靠性和一致性進(jìn)一步提高

基于數(shù)字孿生的復(fù)雜產(chǎn)品裝配車間為全生命周期的管理思想在復(fù)雜產(chǎn)品裝配中的實(shí)踐提供了平臺(tái)，它以成熟的自動(dòng)化為基礎(chǔ)，全面的信息化為保障，高度的智能化為核心，以數(shù)據(jù)為驅(qū)動(dòng)，有望將設(shè)計(jì)、制造、裝配、使用、維護(hù)、回收各個(gè)階段有機(jī)統(tǒng)一起來(lái)。數(shù)字孿生車間為尋找更優(yōu)的設(shè)計(jì)思想、加工工藝、裝配工藝提供了原料、工具和方法，任何零部件在設(shè)計(jì)之初都可以通過(guò)對(duì)其數(shù)字孿生模型進(jìn)行仿真來(lái)預(yù)測(cè)其成品質(zhì)量，找出設(shè)計(jì)缺陷產(chǎn)生的本質(zhì)原因，并直接在數(shù)字孿生模型中進(jìn)行質(zhì)量問(wèn)題歸零和迭代設(shè)計(jì)，直到尋求到最優(yōu)設(shè)計(jì)，從源頭上控制和消除了裝配過(guò)程中的一些不確定性因素。并且通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的挖掘和分析，對(duì)理想模型進(jìn)行修正，可將認(rèn)知性的不確定性因素逼近到更為真實(shí)的范圍，從原理上保證復(fù)雜產(chǎn)品更高的可靠性。而智能系統(tǒng)將虛擬世界和現(xiàn)實(shí)世界關(guān)聯(lián)起來(lái)，根據(jù)實(shí)作裝配體模型的實(shí)時(shí)狀態(tài)自適應(yīng)地調(diào)整其裝配策略，確保復(fù)雜產(chǎn)品的裝配質(zhì)量始終處于一種可控和尋優(yōu)的狀態(tài)，最終保障了復(fù)雜產(chǎn)品的綜合裝配性能。同時(shí)通過(guò)人機(jī)的互聯(lián)協(xié)同，深度融合了機(jī)器動(dòng)作的準(zhǔn)確性優(yōu)勢(shì)和人類行為的靈活性特點(diǎn)。機(jī)器替代了大部分傳統(tǒng)手工裝配工作，其高精度的重復(fù)定位能力有效消除了手工操作的隨機(jī)性，最大程度實(shí)現(xiàn)過(guò)程的一致性，從而保證結(jié)果的一致性，提高復(fù)雜產(chǎn)品裝配質(zhì)量的穩(wěn)定性。復(fù)雜產(chǎn)品可靠性的提高可以減少產(chǎn)品故障發(fā)生率，從而帶來(lái)安全性、維修性、保障性、環(huán)境適應(yīng)性等性能的提高，長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，降低維護(hù)費(fèi)用也符合經(jīng)濟(jì)性的要求。

4.2 裝配過(guò)程的敏捷化水平進(jìn)一步提高

基于數(shù)字孿生的復(fù)雜產(chǎn)品裝配車間提供了將高素質(zhì)的人員、智能化的設(shè)備、高性能的材料、先進(jìn)的制造工藝、穩(wěn)定的環(huán)境因素有機(jī)融合的平臺(tái)，并將這些關(guān)鍵要素與產(chǎn)品裝配過(guò)程進(jìn)行無(wú)縫關(guān)聯(lián)。這有利于提高企業(yè)的硬實(shí)力，是企業(yè)提高創(chuàng)新力和適應(yīng)性的基礎(chǔ)。通過(guò)傳感裝置對(duì)裝配狀態(tài)的實(shí)時(shí)感知、通信網(wǎng)絡(luò)對(duì)異構(gòu)設(shè)備的全面互聯(lián)、裝配設(shè)備的自適應(yīng)控制以及數(shù)字孿生車間系統(tǒng)的統(tǒng)籌調(diào)度能夠大幅提升裝配過(guò)程的資源柔性、物流柔性、車間布局柔性、工藝柔性以及需求柔性。數(shù)字孿生車間對(duì)車間數(shù)據(jù)的全面管控有助于提供如工藝規(guī)劃、智能排產(chǎn)、布局調(diào)整、生產(chǎn)監(jiān)管、設(shè)備診斷、質(zhì)量管控、能效優(yōu)化、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等服務(wù)內(nèi)容，從而提高復(fù)雜產(chǎn)品裝配質(zhì)量，節(jié)約生產(chǎn)成本，優(yōu)化供應(yīng)鏈結(jié)構(gòu)，減少污染排放，進(jìn)而滿足復(fù)雜產(chǎn)品多品種、變批量、按需生產(chǎn)要求。同時(shí)由于對(duì)產(chǎn)品使用、維護(hù)、回收等產(chǎn)品后生命階段數(shù)據(jù)的挖掘，可以跟蹤用戶體驗(yàn)，找到對(duì)用戶需求更有針對(duì)性的改進(jìn)方向，甚至提供除產(chǎn)品以外的附加服務(wù)及配套產(chǎn)品，增加產(chǎn)品附加值，增強(qiáng)企業(yè)決策的前瞻性，提高企業(yè)的軟實(shí)力。

4.3 裝配過(guò)程的協(xié)同化水平進(jìn)一步提高

基于數(shù)字孿生的復(fù)雜產(chǎn)品裝配車間利用互聯(lián)網(wǎng)將裝配車間內(nèi)的全要素、全流程、全業(yè)務(wù)信息共享到云平臺(tái)，打破了設(shè)計(jì)者、加工者、裝配者、供應(yīng)商、使用者、維護(hù)者之間的壁壘。利用數(shù)字孿生車間平臺(tái)，可以提高復(fù)雜產(chǎn)品裝配過(guò)程以下5個(gè)方面的協(xié)同化水平。

（1）設(shè)計(jì)-裝配協(xié)同。裝配車間實(shí)時(shí)信息的共享使得設(shè)計(jì)和裝配從順序行為變成了迭代行為，設(shè)計(jì)者可以根據(jù)實(shí)際出現(xiàn)的裝配問(wèn)題給予及時(shí)的圖紙和工藝變更方案，與此同時(shí)在數(shù)字孿生模型中更新裝配過(guò)程，對(duì)后續(xù)的裝配工序進(jìn)行修正和指導(dǎo)，提高對(duì)復(fù)雜產(chǎn)品裝配質(zhì)量的預(yù)判和把控能力。同時(shí)參與產(chǎn)品設(shè)計(jì)的多個(gè)團(tuán)隊(duì)將打破空間位置的限制進(jìn)行并行設(shè)計(jì)，對(duì)關(guān)鍵零部件、產(chǎn)品接口等協(xié)同優(yōu)化，提高復(fù)雜產(chǎn)品在首次設(shè)計(jì)和制造過(guò)程中的成功率。

（2）加工-裝配協(xié)同。數(shù)字孿生車間通過(guò)實(shí)作裝配體模型架設(shè)了加工質(zhì)量和裝配質(zhì)量之間的橋梁，使得在裝配前就能根據(jù)零部件的加工質(zhì)量大致預(yù)測(cè)出復(fù)雜產(chǎn)品裝配最終的狀態(tài)，為加工工藝優(yōu)化提供了指導(dǎo)。加工者交付加工件后還能跟蹤裝配過(guò)程，在此期間可以實(shí)時(shí)接收裝配人員發(fā)出的修配、更換等需求，提高加工的響應(yīng)能力和保障能力。

（3）調(diào)度-裝配協(xié)同。數(shù)字孿生車間為調(diào)度部門(mén)提供了全面的車間信息，并幫助實(shí)現(xiàn)對(duì)物料、設(shè)備、人員、物流、能源等各個(gè)要素的統(tǒng)籌規(guī)劃。調(diào)度部門(mén)可以根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況進(jìn)行生產(chǎn)計(jì)劃、人員配置、庫(kù)存管理、資源調(diào)用，將復(fù)雜產(chǎn)品從單件裝配推向多工位并行裝配，提高設(shè)備的利用率，實(shí)現(xiàn)省時(shí)增量。

（4）供應(yīng)-裝配協(xié)同。數(shù)字孿生車間提供的平臺(tái)允許供應(yīng)商實(shí)時(shí)參與裝配生產(chǎn)過(guò)程，對(duì)其供應(yīng)的產(chǎn)品提供在線的技術(shù)指導(dǎo)、安全培訓(xùn)和維修服務(wù)。

（5）使用/維護(hù)-裝配協(xié)同。復(fù)雜產(chǎn)品常常要求具有較強(qiáng)的測(cè)試性、維修性、保障性以及環(huán)境適應(yīng)性，數(shù)字孿生車間將產(chǎn)品后生命周期的數(shù)據(jù)納入管理，有利于以用戶需求為導(dǎo)向，用戶體驗(yàn)為反饋進(jìn)行產(chǎn)品裝配問(wèn)題的消除和歸零，形成裝配和使用/維護(hù)的小閉環(huán)。

5 結(jié)論

復(fù)雜產(chǎn)品需求的變化對(duì)其裝配過(guò)程提出了更高的要求，傳統(tǒng)裝配方式已漸漸不能適應(yīng)復(fù)雜產(chǎn)品裝配特點(diǎn)，信息系統(tǒng)和物理系統(tǒng)的深度融合是解決復(fù)雜產(chǎn)品裝配難題的關(guān)鍵。本文對(duì)數(shù)字孿生車間在復(fù)雜產(chǎn)品裝配過(guò)程當(dāng)中的應(yīng)用進(jìn)行了探索。數(shù)字孿生技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)物理空間與虛擬空間的映射、融合和交互，數(shù)字孿生車間基于數(shù)字孿生技術(shù)將復(fù)雜產(chǎn)品裝配過(guò)程鏡像到虛擬空間，并通過(guò)以虛控實(shí)的方式進(jìn)行裝配過(guò)程調(diào)控，同時(shí)有望打通復(fù)雜產(chǎn)品全生命周期的各個(gè)環(huán)節(jié)，全面管理全業(yè)務(wù)、全要素、全流程數(shù)據(jù)。將數(shù)據(jù)孿生車間應(yīng)用于復(fù)雜產(chǎn)品裝配能有效克服傳統(tǒng)模式的弊端，使復(fù)雜產(chǎn)品的裝配過(guò)程在數(shù)字孿生車間中產(chǎn)生顛覆性的進(jìn)步。