數(shù)字孿生技術(shù)在航空機(jī)電產(chǎn)品裝配工藝中的應(yīng)用

張璐

（慶安集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710077）

0 引言

航空機(jī)電產(chǎn)品生產(chǎn)制造技術(shù)的持續(xù)提升推動(dòng)著裝配生產(chǎn)復(fù)雜程度隨之增強(qiáng)，同時(shí)，就當(dāng)前的航空機(jī)電產(chǎn)品裝配生產(chǎn)過(guò)程來(lái)看，其中所涉及的專業(yè)領(lǐng)域更為多樣，因此依賴單一的數(shù)字模型無(wú)法切實(shí)適應(yīng)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的各種變化情況，難以滿足現(xiàn)階段的航空機(jī)電產(chǎn)品裝配生產(chǎn)需求。基于此，需要設(shè)計(jì)一種可以參考現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件落實(shí)對(duì)航空機(jī)電產(chǎn)品裝配工藝動(dòng)態(tài)調(diào)整的系統(tǒng)，以此維護(hù)航空機(jī)電產(chǎn)品的總體生產(chǎn)質(zhì)量。在此過(guò)程中，可以引入數(shù)字孿生技術(shù)搭建數(shù)字模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)航空機(jī)電產(chǎn)品及其零部件實(shí)時(shí)狀態(tài)的真實(shí)反映。

1 數(shù)字孿生技術(shù)的概述

對(duì)物理模型、運(yùn)行歷史、傳感器更新等數(shù)據(jù)進(jìn)行充分利用，集成多領(lǐng)域、多尺度、多物理量以及多概率的仿真，并在虛擬空間范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)映射，以此反映出相對(duì)應(yīng)實(shí)體裝配的全生命周期過(guò)程，這一過(guò)程即為數(shù)字孿生。當(dāng)前，數(shù)字孿生技術(shù)在多領(lǐng)域范圍內(nèi)得到應(yīng)用，特別是在智能制造領(lǐng)域，相應(yīng)技術(shù)的應(yīng)用深入程度表現(xiàn)出逐步提升的發(fā)展趨勢(shì)。

2 航空機(jī)電產(chǎn)品裝配工藝對(duì)數(shù)字模型的主要需求分析

（1）生產(chǎn)過(guò)程的復(fù)雜性需求更多制造要素信息。在航空機(jī)電產(chǎn)品裝配生產(chǎn)視域下，存在著較多的產(chǎn)品種類，生產(chǎn)模式與生產(chǎn)組織也有著較高的復(fù)雜性，同時(shí)，生產(chǎn)準(zhǔn)別困難程度偏高、轉(zhuǎn)換周期較短[1]。而為了實(shí)現(xiàn)在航空機(jī)電產(chǎn)品裝配生產(chǎn)中的快速轉(zhuǎn)換，必須要將更多與生產(chǎn)制造相關(guān)聯(lián)的要素信息融入航空機(jī)電產(chǎn)品裝配生產(chǎn)工藝資料中。

（2）更新產(chǎn)品需要數(shù)字模型可以實(shí)現(xiàn)對(duì)更多要素的描述。當(dāng)前，航空機(jī)電產(chǎn)品的技術(shù)持續(xù)提升，其復(fù)雜程度也隨之表現(xiàn)出明顯的增強(qiáng)狀態(tài)，在航空機(jī)電產(chǎn)品裝配生產(chǎn)過(guò)程中，所涉及的專業(yè)領(lǐng)域更為多樣，具體包括控制、氣壓、液壓、電子、機(jī)械等領(lǐng)域，從這一角度來(lái)看，航空機(jī)電產(chǎn)品裝配工藝模型所面對(duì)著的要求呈現(xiàn)出更高水平。

（3）數(shù)字化仿真需要模型數(shù)據(jù)可以參與實(shí)際運(yùn)算過(guò)程。在基于MBD 的模型設(shè)計(jì)過(guò)程中，要求在相應(yīng)模型內(nèi)明確標(biāo)注出航空機(jī)電產(chǎn)品制造要求、零部件制造要求[2]。需要注意的是，這些要求并非全部使用計(jì)算機(jī)語(yǔ)言完成描述與定義的，這就意味著數(shù)字化仿真軟件難以全面解讀出其中所包含著的全部信息，導(dǎo)致無(wú)法完成對(duì)相關(guān)要求所表述的物理量展開(kāi)仿真分析，阻礙著利用航空機(jī)電產(chǎn)品裝配工藝決設(shè)計(jì)系統(tǒng)完成對(duì)產(chǎn)品裝配的自主決策。

（4）生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)需要模型可以實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)變化的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。從實(shí)際生產(chǎn)裝配的角度來(lái)看，受到生產(chǎn)條件限制的影響，航空機(jī)電產(chǎn)品及其零部件在現(xiàn)實(shí)條件下所生成的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)、尺寸數(shù)據(jù)等普遍會(huì)與設(shè)計(jì)值之間存在一定差異性。在這樣的條件下，若是依舊使用理想數(shù)據(jù)模型，則因?yàn)闊o(wú)法切實(shí)響應(yīng)生產(chǎn)過(guò)程中的動(dòng)態(tài)變化，所以難以完成航空機(jī)電產(chǎn)品的優(yōu)化裝配生產(chǎn)，所生產(chǎn)出的航空機(jī)電產(chǎn)品也極容易出現(xiàn)不合格問(wèn)題。因此，在當(dāng)前的航空機(jī)電產(chǎn)品裝配生產(chǎn)實(shí)踐中，要求在設(shè)計(jì)相應(yīng)產(chǎn)品裝配工藝中所使用的數(shù)據(jù)模型可以迅速響應(yīng)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的動(dòng)態(tài)變化與現(xiàn)實(shí)需求。

3 數(shù)字孿生技術(shù)支持下航空機(jī)電產(chǎn)品裝配工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)的構(gòu)建

3.1 系統(tǒng)框架

3.1.1 總體框架設(shè)計(jì)

對(duì)于數(shù)字孿生技術(shù)支持下航空機(jī)電產(chǎn)品裝配工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)而言，其可以劃分為六個(gè)層次，主要有：模型層，其中包含著航空機(jī)電產(chǎn)品裝配數(shù)字孿生模型；物理層，其中包含著航空機(jī)電產(chǎn)品裝配實(shí)物；數(shù)據(jù)層，其中包含著航空機(jī)電產(chǎn)品模型庫(kù)、裝配工藝模型庫(kù)、仿真數(shù)據(jù)庫(kù)、運(yùn)行數(shù)據(jù)庫(kù)以及企業(yè)資源庫(kù)；技術(shù)層，其中包含著裝配數(shù)字孿生模型建模單元、多學(xué)科建模仿真單元、實(shí)時(shí)工藝決策單元、仿真結(jié)果顯示單元；功能層，其中主要包含著數(shù)字孿生環(huán)境下的裝配工藝設(shè)計(jì)單元、裝配工程驗(yàn)證與優(yōu)化單元、裝配工藝實(shí)時(shí)修正單元、裝配現(xiàn)場(chǎng)可視化單元；用戶層，其中包含著設(shè)計(jì)人員、工藝人員、生產(chǎn)管理人員、裝配人員、檢驗(yàn)人員。對(duì)于模型層與數(shù)據(jù)層、物理層與數(shù)據(jù)層而言，均使用數(shù)據(jù)接口完成連接，其中，數(shù)據(jù)層利用數(shù)據(jù)接口向模型層提供充足運(yùn)行數(shù)據(jù)，模型層則利用相同途徑向數(shù)據(jù)層傳輸優(yōu)化結(jié)果；數(shù)據(jù)層利用數(shù)據(jù)接口向物理層提供工藝流程以及實(shí)時(shí)修正數(shù)據(jù)，物理層則利用相同途徑向數(shù)據(jù)層傳輸來(lái)源于航空機(jī)電產(chǎn)品裝配實(shí)物的實(shí)時(shí)運(yùn)行結(jié)果信息。

3.1.2 系統(tǒng)框架的細(xì)化設(shè)計(jì)

（1）模型層。在該層次內(nèi)，主要依托數(shù)字孿生技術(shù)完成對(duì)航空機(jī)電產(chǎn)品數(shù)字裝配孿生模型的構(gòu)建，對(duì)于該模型而言，其中涵蓋著航空機(jī)電產(chǎn)品的大量參數(shù)信息，包括航空機(jī)電產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、性能指標(biāo)、技術(shù)指標(biāo)、功能等等，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)對(duì)裝配過(guò)程制造全要素信息的定義。

（2）物理層。在該層次內(nèi)，主要包含由產(chǎn)品與運(yùn)行環(huán)境共同組成的航空機(jī)電產(chǎn)品裝配實(shí)物，為航空機(jī)電產(chǎn)品裝配過(guò)程的修正與更新提供大量數(shù)據(jù)參考，支持多學(xué)科建模仿真。同時(shí)，在該層次內(nèi)生成修正后的裝配指令之后，能夠?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)裝配提供工藝方面的優(yōu)化指導(dǎo)，達(dá)到實(shí)時(shí)修正航空機(jī)電產(chǎn)品裝配過(guò)程的成效。

（3）數(shù)據(jù)層。在該層次內(nèi)，主要包含著數(shù)字孿生技術(shù)支持下航空機(jī)電產(chǎn)品裝配工藝設(shè)計(jì)過(guò)程中所生成的所有數(shù)據(jù)信息，具體有航空機(jī)電產(chǎn)品數(shù)據(jù)信息、工藝數(shù)據(jù)信息、航空機(jī)電產(chǎn)品實(shí)物運(yùn)行數(shù)據(jù)信息、仿真驗(yàn)證過(guò)程中的所有仿真數(shù)據(jù)信息等等，其運(yùn)行目標(biāo)在于為整個(gè)裝配工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)的運(yùn)行提供充足的數(shù)據(jù)信息基礎(chǔ)支撐，確保本系統(tǒng)所有操作的展開(kāi)均有所依據(jù)與參考。

（4）技術(shù)層。在該層次內(nèi)，主要包含著大量應(yīng)用技術(shù)，具體有數(shù)字孿生模型建模技術(shù)、多學(xué)科建模仿真技術(shù)、實(shí)時(shí)工藝決策技術(shù)等等，為航空機(jī)電產(chǎn)品裝配工藝的優(yōu)化提供核心技術(shù)方面的支持，促使利用該系統(tǒng)完成航空機(jī)電產(chǎn)品裝配工藝規(guī)劃設(shè)計(jì)成為現(xiàn)實(shí)。

（5）功能層。在該層次內(nèi)，主要包含大量支持航空機(jī)電產(chǎn)品裝配工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)的功能單元，包括產(chǎn)品裝配工藝設(shè)計(jì)單元、裝配工藝實(shí)時(shí)修正單元等等，為航空機(jī)電產(chǎn)品裝配模型的全過(guò)程管控提供支持，促使產(chǎn)品裝配工藝虛擬反饋與實(shí)物反饋這兩條線路逐步形成。

（6）用戶層。在該層次內(nèi)，主要由本系統(tǒng)的用戶構(gòu)成，如航空機(jī)電產(chǎn)品裝配工藝設(shè)計(jì)人員、現(xiàn)場(chǎng)裝配管理人員、檢驗(yàn)人員等等，為航空機(jī)電產(chǎn)品裝配工藝的優(yōu)化設(shè)定以及切實(shí)落實(shí)提供人員方面的支持。

3.2 設(shè)計(jì)過(guò)程

3.2.1 設(shè)計(jì)主要流程

數(shù)字孿生技術(shù)支持下航空機(jī)電產(chǎn)品裝配工藝設(shè)計(jì)的主要流程如下所示：提取基于MBD 的航空機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)模型；分析建模需求并完成裝配數(shù)字孿生模型的搭建，此時(shí)需要建立個(gè)學(xué)科模型、各持續(xù)模型等等；對(duì)工藝落實(shí)總體策劃，規(guī)劃裝配路徑；整合數(shù)字孿生模型與裝配路徑規(guī)劃，進(jìn)行裝配流程、物流的仿真模擬，分析裝配產(chǎn)能；對(duì)工藝流程落實(shí)進(jìn)一步細(xì)化分解，選擇裝配方法，描述詳細(xì)過(guò)程并發(fā)布工藝規(guī)程；整合數(shù)字孿生模型與裝配詳細(xì)過(guò)程，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析、流體與控制仿真分析；對(duì)可視化工藝規(guī)程進(jìn)行調(diào)用，配置零部件并對(duì)其狀態(tài)實(shí)施檢驗(yàn)，判斷零部件是否符合工藝要求，如果判斷結(jié)果為“是”則迅速轉(zhuǎn)入裝配以及產(chǎn)品裝配結(jié)果檢驗(yàn)操作中，如果判斷結(jié)果為“不是”則自動(dòng)跳轉(zhuǎn)回?cái)?shù)字孿生建模步驟，結(jié)合采集到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)更新模型；對(duì)產(chǎn)品裝配結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)，判斷產(chǎn)品是否符合工藝要求，如果判斷結(jié)果為“是”則轉(zhuǎn)入裝配完成狀態(tài)，如果判斷結(jié)果為“不是”則自動(dòng)跳轉(zhuǎn)回?cái)?shù)字孿生建模步驟，結(jié)合采集到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)更新模型，并依照上述流程重新完成后續(xù)操作。

3.2.2 設(shè)計(jì)過(guò)程的多環(huán)節(jié)內(nèi)容

（1）裝配數(shù)字孿生模型建模環(huán)節(jié)。在這一環(huán)節(jié)內(nèi)，主要對(duì)基于MBD 的航空機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)模型進(jìn)行獲取與分析，從而確定出在建立航空機(jī)電產(chǎn)品裝配數(shù)字孿生模型過(guò)程中需要引入的產(chǎn)品特征信息；參考相應(yīng)模型搭建的現(xiàn)實(shí)要求，圍繞學(xué)科、層次、物理量等方面的不同，搭建起航空機(jī)電產(chǎn)品數(shù)字孿生模型。該環(huán)節(jié)所需要的時(shí)間普遍維持在較高狀態(tài)，要求相關(guān)人員著重明確、把握建模需要，避免在后續(xù)操作中出現(xiàn)返工行為。

（2）工藝規(guī)劃環(huán)節(jié)。在這一環(huán)節(jié)內(nèi)，主要完成對(duì)航空機(jī)電產(chǎn)品裝配過(guò)程的總體性規(guī)劃，實(shí)踐中，要求在總體規(guī)劃出航空機(jī)電產(chǎn)品裝配路徑的基礎(chǔ)上，實(shí)施裝配過(guò)程細(xì)化，由此設(shè)定出航空機(jī)電產(chǎn)品裝配過(guò)程的大工位，以此為后續(xù)航空機(jī)電產(chǎn)品裝配線的物流仿真、產(chǎn)能分析操作的展開(kāi)奠定更好基礎(chǔ)。

（3）多學(xué)科仿真與驗(yàn)證環(huán)節(jié)。在這一環(huán)節(jié)內(nèi)，主要依托航空機(jī)電產(chǎn)品的數(shù)字孿生模型，結(jié)合多學(xué)科分析工具的利用，完成對(duì)航空機(jī)電產(chǎn)品裝配工藝過(guò)程的仿真模擬與分析。在此過(guò)程中，依托LMS Virtual Lab 的投放，實(shí)現(xiàn)對(duì)航空機(jī)電產(chǎn)品的動(dòng)力學(xué)仿真；依托DELMIA的投放，實(shí)現(xiàn)對(duì)航空機(jī)電產(chǎn)品裝配物流過(guò)程的仿真；依托生產(chǎn)物流仿真軟件的投放，實(shí)現(xiàn)對(duì)航空機(jī)電產(chǎn)品物流的仿真，計(jì)算產(chǎn)能[3]。綜合上述分析結(jié)果，工藝人員能夠進(jìn)一步優(yōu)化航空機(jī)電產(chǎn)品裝配數(shù)字模型以及相應(yīng)裝配工藝的整體性規(guī)劃設(shè)計(jì)。

（4）工藝詳細(xì)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)。在這一環(huán)節(jié)內(nèi)，依托CAPP系統(tǒng)的使用，工藝人員可以詳細(xì)設(shè)計(jì)出航空機(jī)電產(chǎn)品裝配的工藝規(guī)程，具體包括細(xì)致劃分裝配工序與步驟、選取更為具體的裝配方法、詳細(xì)描述所有步驟的操作等等，并在此基礎(chǔ)上完成對(duì)航空機(jī)電產(chǎn)品理想狀態(tài)下裝配工藝流程的確定。同時(shí)，在該環(huán)節(jié)中，還要落實(shí)對(duì)產(chǎn)品裝配工藝設(shè)計(jì)結(jié)果的仿真驗(yàn)證，要求在虛擬環(huán)境中對(duì)相應(yīng)工藝落實(shí)仿真模擬運(yùn)行，實(shí)踐中，依托多體動(dòng)力學(xué)分析軟件的投放，實(shí)現(xiàn)對(duì)航空機(jī)電產(chǎn)品運(yùn)動(dòng)性能的仿真分析；依托液壓建模仿真軟件的投放，實(shí)現(xiàn)對(duì)航空機(jī)電產(chǎn)品液壓通路的仿真分析等等。綜合這些仿真模擬與分析結(jié)果，工藝人員可以迅速掌握虛擬環(huán)境中產(chǎn)品裝配工藝設(shè)計(jì)方案的效果，確保所生成的裝配工藝方案具備可操作性、可靠性以及科學(xué)合理性。在完成對(duì)航空機(jī)電產(chǎn)品裝配工藝設(shè)計(jì)方案的仿真分析且所得結(jié)果理想后，才能夠組織對(duì)相應(yīng)工藝設(shè)計(jì)結(jié)果及對(duì)應(yīng)工藝規(guī)程的正式發(fā)布。

（5）裝配現(xiàn)場(chǎng)使用與反饋修正環(huán)節(jié)。在這一環(huán)節(jié)內(nèi)，主要落實(shí)對(duì)航空機(jī)電產(chǎn)品裝配工藝的調(diào)整。實(shí)踐中，依托裝配現(xiàn)場(chǎng)可視化終端，現(xiàn)場(chǎng)操作人員能夠在調(diào)用裝配工藝規(guī)程并準(zhǔn)備實(shí)施航空機(jī)電產(chǎn)品生產(chǎn)的過(guò)程中，對(duì)各個(gè)零部件的主要參數(shù)落實(shí)及時(shí)檢驗(yàn)，判斷相應(yīng)參數(shù)是否保持在裝配工藝規(guī)程所要求及允許的范疇內(nèi)。此時(shí)，若是得到的判斷結(jié)果表明，零部件實(shí)際參數(shù)與設(shè)計(jì)參數(shù)之間存在著較為明顯的偏差，那么該系統(tǒng)可以迅速實(shí)現(xiàn)對(duì)零部件實(shí)際參數(shù)的實(shí)時(shí)采集與反饋。在航空機(jī)電產(chǎn)品裝配完成，并轉(zhuǎn)入調(diào)試與試驗(yàn)階段后，該系統(tǒng)可以對(duì)相應(yīng)航空機(jī)電產(chǎn)品的功能性能指標(biāo)進(jìn)行采集，對(duì)比產(chǎn)品設(shè)計(jì)需求，實(shí)現(xiàn)對(duì)航空機(jī)電產(chǎn)品性能的判斷。如果所得到的判斷結(jié)果表明，航空機(jī)電產(chǎn)品實(shí)際性能與設(shè)計(jì)性能之間存在著較大偏差，那么該系統(tǒng)可以迅速實(shí)現(xiàn)對(duì)航空機(jī)電產(chǎn)品實(shí)際性能的實(shí)時(shí)采集與反饋。在數(shù)據(jù)接口的支持下，工藝人員能夠在更短時(shí)間內(nèi)獲取到航空機(jī)電產(chǎn)品零部件的真實(shí)參數(shù)，并以此為參考更新產(chǎn)品所對(duì)應(yīng)的數(shù)字孿生模型，由此構(gòu)建起實(shí)作數(shù)字孿生模型。依托多學(xué)科仿真工具的利用，工藝人員可以實(shí)現(xiàn)對(duì)航空機(jī)電產(chǎn)品實(shí)際參數(shù)偏差與產(chǎn)品性能之間關(guān)系性的探究，確定產(chǎn)品實(shí)際參數(shù)偏差對(duì)產(chǎn)品性能所造成的影響，同時(shí)結(jié)合利用仿真結(jié)果，對(duì)航空機(jī)電產(chǎn)品裝配的理想工藝規(guī)程展開(kāi)迅速修正更新，由此生成新工藝規(guī)程。對(duì)于這種新形成的航空機(jī)電產(chǎn)品裝配工藝規(guī)程而言，其能夠?qū)ιa(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)航空機(jī)電產(chǎn)品的真實(shí)狀態(tài)進(jìn)行反應(yīng)，還可以達(dá)到切實(shí)滿足航空機(jī)電產(chǎn)品實(shí)時(shí)裝配需求的效果，能夠?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)裝配工作的優(yōu)化展開(kāi)提供指導(dǎo)，促使航空機(jī)電產(chǎn)品的功能水平以及性能指標(biāo)均達(dá)到預(yù)設(shè)的目標(biāo)要求。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，數(shù)字孿生技術(shù)可以針對(duì)航空機(jī)電產(chǎn)品的任意一項(xiàng)特征進(jìn)行數(shù)字模型建立以及深入研究，因此將相應(yīng)技術(shù)引入航空機(jī)電產(chǎn)品裝配工藝的優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)踐中，并同時(shí)搭建起航空機(jī)電產(chǎn)品裝配工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)有著極高的可操作性，也能夠滿足航空機(jī)電產(chǎn)品裝配工藝對(duì)數(shù)字模型的現(xiàn)實(shí)需求。實(shí)踐中，依托數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用，搭建起包含模型層、物理層、數(shù)據(jù)層、技術(shù)層、功能層與用戶層的航空機(jī)電產(chǎn)品裝配工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)航空機(jī)電產(chǎn)品裝配工藝規(guī)程的動(dòng)態(tài)變更優(yōu)化，更好保護(hù)了航空機(jī)電產(chǎn)品裝配生產(chǎn)的質(zhì)量水平。