面向數(shù)字孿生的飛機裝配測量與調(diào)控

李梅平，張永亮，劉宏偉，安魯陵，趙聰

（1.沈陽飛機工業(yè)（集團）有限公司，沈陽 110034；2.南京航空航天大學，南京 210016）

0 引言

飛機裝配是飛機制造的重要內(nèi)容，其特點是采用一種獨特的尺寸傳遞與協(xié)調(diào)方式，以保證零件與零件、零件與工裝、工裝與工裝之間的協(xié)調(diào)，進而保證裝配準確度。傳統(tǒng)的飛機裝配是使用模擬量尺寸傳遞模式，飛機設計師利用模線定義飛機的外形與結(jié)構(gòu)，將飛機結(jié)構(gòu)尺寸和形狀利用實物形式的標準工藝裝備傳遞到下游制造車間與裝配車間，所制造的工裝、零件和部件通過模擬量手段（如樣板）進行協(xié)調(diào)與檢測，在當時的科技水平下，這種協(xié)調(diào)方法是一種達到較高協(xié)調(diào)準確度的有效方法。自20世紀80年代后期以來，隨著科學技術(shù)的進步，數(shù)字化技術(shù)開始應用于飛機裝配，并在國內(nèi)外航空工業(yè)中得到了普遍應用。在新型飛機的研制和生產(chǎn)中，集成了工業(yè)領域最先進的科技成果，如數(shù)字化設計制造、虛擬現(xiàn)實、激光跟蹤定位、自動控制等，這些技術(shù)的應用顯著提高了飛機裝配質(zhì)量和效率。對飛機機體來說，最主要的目標是保證其裝配的幾何準確度，包括外形準確度、大部件之間相對位置的準確度等，主要是滿足裝配協(xié)調(diào)的要求[1]。

目前，整體結(jié)構(gòu)件和復合材料構(gòu)件在飛機機體上的應用日漸增多，在裝配中要經(jīng)歷定位、夾緊、連接等環(huán)節(jié)。零構(gòu)件不可避免地存在制造偏差，要滿足裝配幾何準確度要求，在上述環(huán)節(jié)中需要進行校形、補償、加工（制孔等）和連接，這些操作將會引入一定程度的裝配應力，裝配應力會對結(jié)構(gòu)的力學性能造成影響，應力過大時甚至導致結(jié)構(gòu)的局部損傷，降低結(jié)構(gòu)的強度和疲勞壽命[2-5]。因此，僅僅以幾何準確度為依據(jù)的飛機裝配質(zhì)量評價標準已不夠全面，需要結(jié)合裝配結(jié)構(gòu)的力學特性，從裝配過程中飛機結(jié)構(gòu)的外在形貌和內(nèi)在狀態(tài)對其進行全面的監(jiān)測和評估，對保證飛機裝配結(jié)構(gòu)的幾何精度和力學性能至關重要。

如上所述，為保證飛機裝配質(zhì)量，除了滿足幾何精度要求以外，還應使裝配結(jié)構(gòu)中不出現(xiàn)過大的裝配應力，數(shù)字孿生可以為定義新的裝配質(zhì)量評價指標提供支撐。數(shù)字孿生概念的出現(xiàn)已有20年的歷史，有關數(shù)字孿生的定義以2012年美國NASA給出的廣為業(yè)界接受[6]，莊存波等[7]也提出了數(shù)字孿生體的概念。歸納起來，數(shù)字孿生是在計算機中力圖真實表征物理實體的數(shù)字體，兩者之間進行信息交換和數(shù)據(jù)傳遞，并利用傳感器、求解器進行信息和數(shù)據(jù)的更新，以保持兩者之間的實時同步，達到真正的孿生。就飛機裝配的上述問題，本文就數(shù)字孿生與飛機裝配的結(jié)合進行分析，結(jié)合當前迅猛發(fā)展的數(shù)字化測量，也就是物理世界和計算機世界的聯(lián)系載體，探討飛機高質(zhì)量裝配的有效途徑。

1 數(shù)字孿生技術(shù)的應用

在NASA的阿波羅計劃中，為保證萬無一失，制造了一對完全相同的空間飛行器，一個飛到空間完成所要求的工作，另一個在地面基地作為太空中飛行器的孿生兄弟，一是用于對航天員的訓練，二是用于模擬和預測太空中飛行器的狀態(tài)和狀況，從而為正在執(zhí)行任務的航天員提供可借鑒的決策[8]。

隨著數(shù)字化技術(shù)的進步，從初期用數(shù)字化模型來表達物理實體的形態(tài)和特性，發(fā)展到今天用來模擬其行為和性能。這個概念早在2003年被Michael Grieves教授叫做“鏡像的空間模型”，也被認為是數(shù)字孿生體的原型。

數(shù)字孿生技術(shù)在航空工業(yè)的應用首先是從美國波音公司開展的，波音公司在787客機的研制中，應用CATIA建立飛機的MBD（Model Based Definition，基于模型定義）模型，基于MBD模型擬定總體裝配方案，確定裝配規(guī)程和流程。MBD模型是一種全三維的數(shù)字化模型，其中既包含了定義產(chǎn)品的幾何數(shù)據(jù)、拓撲信息，又包含有關制造裝配檢測等的非幾何信息，構(gòu)成了產(chǎn)品設計制造的完整數(shù)據(jù)集。在制造的各環(huán)節(jié)中，使用上述單一的全三維數(shù)據(jù)集，避免了由于多源數(shù)據(jù)造成的差錯，顯著降低了工程更改和工藝更改工作量[9]?？湛凸緦?shù)字化技術(shù)用于380客機和A400M軍用運輸機的研制，建立了數(shù)模與實物的關聯(lián)關系，通過數(shù)字化檢測手段，獲知物理實體的實際狀態(tài)，反饋到工藝設計系統(tǒng)中，實現(xiàn)對裝配工藝的修正[10]。洛馬公司將數(shù)字孿生技術(shù)應用于F-35戰(zhàn)斗機項目中，建立了飛機的數(shù)字孿生模型，與飛機實物相對應、相互關聯(lián)，應用數(shù)字化仿真技術(shù)，模擬飛機在現(xiàn)實世界中的制造、裝配和飛行過程[11]。美國空軍引入數(shù)字孿生技術(shù)，建立了某新型航天器的數(shù)字孿生模型，用于解決飛機機體健康的檢測[12]。ANSYS公司推出的多物理域建模與仿真平臺功能十分強大，可用于構(gòu)建產(chǎn)品的數(shù)字孿生模型，與物理實體相關聯(lián)，無需停機即可預測和診斷產(chǎn)品的功能和性能、運行故障，并推薦相應處理方案。

目前，我國飛機制造業(yè)均已經(jīng)全面應用全三維的數(shù)字化設計制造技術(shù)，基于所建立的數(shù)字化測量場，將自動化技術(shù)應用于飛機裝配，一方面就裝配過程中的各個環(huán)節(jié)對裝配方案進行仿真和驗證，另一方面通過數(shù)字化測量手段，獲取裝配過程中的數(shù)據(jù)，對裝配狀態(tài)進行調(diào)控，有效地保證了飛機裝配質(zhì)量和產(chǎn)品性能[13]。最近的幾年里，飛機制造企業(yè)越來越重視數(shù)字孿生技術(shù)，借助于多種電子標志與識別手段，采集飛機制造過程中各個環(huán)節(jié)的信息和數(shù)據(jù)，監(jiān)測和記錄生產(chǎn)實施過程中出現(xiàn)的問題、解決方法，對這些現(xiàn)場的數(shù)據(jù)進行分析和整理，存儲到數(shù)據(jù)庫中，為今后的數(shù)字孿生技術(shù)的應用提供基礎[14]。文獻[15]研究了某航空發(fā)動機低壓渦輪的裝配，建立了產(chǎn)品、工裝、工藝的數(shù)字化模型，使用多種類型的傳感器監(jiān)測裝配過程中的產(chǎn)品、工裝的實際狀況，并與數(shù)字化模型中的理論狀況相比對，實現(xiàn)虛擬環(huán)境中理論模型與現(xiàn)實環(huán)境中物理實體之間數(shù)據(jù)的映射。在此基礎上，實現(xiàn)裝配過程中的故障預測、干預決策。

目前，國內(nèi)外學者雖然在基于數(shù)字孿生技術(shù)的復雜裝備裝配領域做了一些探索，但在此領域，虛擬模型-物理實體的實時映射和數(shù)字孿生建模仍存在不少問題和挑戰(zhàn)，影響著數(shù)字孿生在飛機裝配領域的應用和發(fā)展，因此面向數(shù)字孿生技術(shù)，開展飛機裝配中的測量與調(diào)控技術(shù)研究，有助于推動數(shù)字孿生技術(shù)的發(fā)展和落地。

2 裝配過程多源數(shù)字化測量技術(shù)應用

數(shù)字化測量如同我們的視覺、聽覺、嗅覺、觸覺一樣，是我們感知物理世界和計算機世界的本能，在數(shù)字孿生建模和飛機裝配中是至關重要的手段。當前，隨著科學技術(shù)的進步，數(shù)字化測量技術(shù)迅猛發(fā)展，多種多樣的儀器和方法為飛機裝配提供了有力的支持。

2.1 大尺寸場景測量技術(shù)

20世紀90年代以來，Indoor GPS[16]、激光跟蹤儀[17-18]、激光雷達[19]等數(shù)字化檢測技術(shù)在國內(nèi)外飛機制造領域應用愈加廣泛，已由關重件單一方法的檢測發(fā)展到整體產(chǎn)品生產(chǎn)過程中多傳感器融合的全面監(jiān)測，制訂了相應的測量標準規(guī)范，并將數(shù)字化檢測與監(jiān)測的數(shù)據(jù)反饋到零部件生產(chǎn)現(xiàn)場，通過參數(shù)調(diào)整、補償措施，實現(xiàn)飛機部裝和總裝的過程調(diào)控和質(zhì)量保證，提升飛機制造的總體水平。

波音公司率先開展Indoor GPS系統(tǒng)的研究與開發(fā)，首先將其應用于747飛機的生產(chǎn)中，成功實現(xiàn)機身段的對接裝配。隨后，又被應用到波音787及F/A18飛機裝配線上，完成了部件和裝配工裝的檢測，以及大部件的精確調(diào)姿。

為保證部件的測量精度，空客公司在A380總裝線上采用4臺激光跟蹤儀，建立總體坐標系，實現(xiàn)多激光跟蹤儀的集成，用于翼身對接、機身成龍等過程中的大部件對接。飛機機體外形的測量用到了激光雷達、激光及結(jié)構(gòu)光測量儀等測量手段。

國外飛機裝配領域，多源傳感數(shù)控自動定位和自動對接等技術(shù)應用于零部件的制造和裝配中，如在部件裝配工位，激光雷達、激光跟蹤儀等數(shù)字化測量儀器的普遍使用可以簡化甚至省略裝配定位工裝等，使飛機大部件裝配朝著自動化、數(shù)字化和柔性化的方向發(fā)展，提高了飛機生產(chǎn)的質(zhì)量和效率，減少了裝配工裝數(shù)量，縮短了生產(chǎn)準備周期。

國內(nèi)航空制造企業(yè)、研究院所和高校對多源智能測量技術(shù)開展了大量的研究[20-24]，包括飛機零件的制造與檢驗、裝配型架的安裝與定檢、翼身對接、飛機水平測量等工作，涵蓋了飛機零件的加工、組件裝配、部件裝配、飛機總裝、測試交付等飛機制造全過程，構(gòu)建了多測量手段構(gòu)成的多源智能測量平臺，構(gòu)成了多測量系統(tǒng)和制造裝配工裝與裝備互聯(lián)互通的有機體。

2.2 面型特征激光掃描測量技術(shù)

目前，高性能激光掃描儀的最高掃描速度達到120 萬/s，巨大的數(shù)據(jù)量會影響點云模型的傳輸和處理效率。三維點云簡化的主要目標是保持模型有效特征前提下，盡可能多地減少點云數(shù)據(jù)量，主要方法有基于曲面擬合的簡化方法、基于網(wǎng)格的簡化方法和基于三維點云的簡化方法[25]。對大型客機、大型運輸機來說，測量數(shù)據(jù)簡化需求更為迫切。一般的點云數(shù)據(jù)簡化算法和軟件功能，容易丟失模型的重要特征。如何在保持測量對象特征的前提下，提高數(shù)據(jù)處理的效率，依然是工程中亟需解決的問題。

在多源測量數(shù)據(jù)融合方面，國防科技大學的楊景照等[26]針對激光跟蹤儀，提出了一種測量網(wǎng)絡的評測方法和數(shù)據(jù)融合方法，結(jié)合GPS和STEP標準，建立了基于要素的坐標測量信息規(guī)范模型，并開發(fā)了全三維評測與規(guī)劃系統(tǒng)。

2.3 基于視覺的測量技術(shù)

基于視覺的測量方法是利用視覺檢測設備獲取被測對象的圖像，據(jù)此計算其有關幾何尺寸與形狀或位置的數(shù)據(jù)。這種方法屬于非接觸測量方式，不會損傷被測對象的表面，且操作簡便靈活，檢測效率高，因而在飛機制造企業(yè)的應用十分廣泛，主要用于零構(gòu)件的尺寸測量、裝配型架的安裝與定檢、部件裝配幾何精度的檢測等。

基于視覺的測量方法主要有結(jié)構(gòu)光測量、雙目立體視覺測量和攝影測量等[28]。此類測量儀器如Metra SCAN手持掃描儀和ATOS流動式光學掃描儀，前者方便測量局部曲面，可用于發(fā)動機葉片、飛機壁板形面的測量，后者基于光柵測量原理，通過多視場的數(shù)據(jù)拼合來實現(xiàn)大型曲面零件的測量。為了提高ATOS在測量大型曲面時的定位精度，可利用Tritop測得的參考點實現(xiàn)拼接。

V-STARS系統(tǒng)是美國GSI公司研制的工業(yè)數(shù)字近景攝影三維坐標測量系統(tǒng)，測量精度可達4 μm，且測量速度快、自動化程度高，在航空航天領域得到廣泛的應用，如波音737工藝裝備的測量、空客320機翼吊掛的測量、西飛轉(zhuǎn)包項目中的部件測量等。

2.4 應變測量技術(shù)

在航空航天、汽車、船舶、機械等行業(yè)領域，結(jié)構(gòu)的力學性能至關重要，應變是表征結(jié)構(gòu)力學性能的一個重要指標，對產(chǎn)品的壽命、安全性和可靠性影響顯著。目前，零件表面應變測量的主要手段是電阻應變片法，測得應變后，再根據(jù)本構(gòu)關系得到零件表面的應力。隨著火箭、導彈、飛機等性能的日益提高，其結(jié)構(gòu)和受載狀態(tài)愈加復雜，對結(jié)構(gòu)可靠性提出了更高的要求，對應變測試也提出了更高的要求，不僅需要了解局部位置局部方向的應變，而且還需要掌握結(jié)構(gòu)區(qū)域的應變場的分布和演變。

目前，除了應變片電測法外，利用光學測試應變的方法發(fā)展迅速，這種光學測試方法是基于現(xiàn)代光學技術(shù)、機器視覺和計算機圖像處理技術(shù)而發(fā)展的，可用于測量結(jié)構(gòu)表面或內(nèi)部的應變、應力、位移、振動等。這方面有數(shù)字圖像相關[29-30]技術(shù)（Digital Image Correlation，DIC）、雙折射應力測量技術(shù)、數(shù)字光彈性法，以及光纖Bragg光柵應變傳感器法等。

光纖Bragg光柵傳感器[31]是一種波長調(diào)制型光纖傳感器，是近年來出現(xiàn)的一種測試方法。其工作原理是通過外界物理參量對光纖Bragg波長的調(diào)制來獲取像應變、溫度、加速度、位移、壓力、流量等信息。而應變測量是在光纖的纖芯上刻出Bragg光柵，當被測件產(chǎn)生變形時，利用光纖Bragg對特定波長光的選擇性反射特性，致使其反射的波長也相應變化，通過光纖光柵解調(diào)儀測得變化值，從而得到應變。光纖Bragg光柵傳感器的優(yōu)點是抗電磁干擾，適用于長距離信號傳輸，測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可以大為簡化，非常容易構(gòu)建分布式傳感網(wǎng)絡。

光彈性法是一種利用光學原理進行應變測量的實驗方法[32-34]，結(jié)構(gòu)模型由具有雙折射效應的材料制成，將其置于偏振光場中，自由狀態(tài)下不會出現(xiàn)雙折射，但當給結(jié)構(gòu)模型施加載荷致使其產(chǎn)生變形時，就會表現(xiàn)出光學各向異性，在模型上可見干涉條紋。對干涉條紋進行測量，通過計算即可求解結(jié)構(gòu)中的應力狀態(tài)。光彈性法可用于三維空間中的全場應變應力測量，屬于非接觸式測量方法，具有電測方法不能達到的全場測量優(yōu)勢，既可以測量外表應變，又可以測量內(nèi)部應變。

3 飛機裝配中的調(diào)控技術(shù)

飛機裝配是一個綜合的過程，各個參與裝配的零構(gòu)件有各自的定位，自身還帶有制造偏差，而它們之間還要滿足位置、形狀和尺寸的協(xié)調(diào)。因此，需要用系統(tǒng)工程的思路進行統(tǒng)籌和權(quán)衡，具體實現(xiàn)上就要進行多方面調(diào)節(jié)和控制。在飛機裝配中，近年來研究人員開始關注裝配應力的影響，因為對發(fā)生的一些飛機故障進行分析，其原因是裝配應力過大所致。

在空客350客機復合材料機翼翼盒的裝配中，利用激光掃描裝置測量蒙皮和翼肋緣條的幾何外形，確定配合部位的干涉和間隙的具體位置和分布，在此基礎上，應用機器人原位補償平臺對干涉和間隙進行裝配補償，以減小結(jié)構(gòu)的裝配應力。波音公司787客機的部件裝配中，研制了帶有力傳感器的裝配工藝裝備，通過測量制件作用于工裝上的力，來求解機體結(jié)構(gòu)中重要部位的應力狀況，并通過調(diào)節(jié)工裝以使裝配應力不超過限定值[35-36]。

文獻[3]以翼肋裝配為對象開展研究，提出了一種基于力反饋的飛機結(jié)構(gòu)裝配方法，基于力控制策略，將結(jié)構(gòu)裝配應力限制在規(guī)定的數(shù)值內(nèi)，該值是根據(jù)結(jié)構(gòu)裝配完成后的剩余拉應力求出的。

歐盟2012年實施了一個LOOCOMACHS項目，目的是實現(xiàn)復合材料結(jié)構(gòu)制造和裝配的低成本。應用數(shù)字化仿真方法和管控手段，對飛機裝配過程進行分析，結(jié)合自動化裝備的應用，消除費時費力的不增值環(huán)節(jié)，提高飛機裝配的自動化水平，以降低制造成本[37]。

研究發(fā)現(xiàn)，飛機裝配應力形成的機理復雜，各種影響因素交織在一起，難以定量計算。當前，國內(nèi)外研究人員以典型裝配結(jié)構(gòu)為對象，建立裝配應力與各因素之間的關聯(lián)關系，應用有限元方法，對裝配應力的形成以及各因素的影響進行分析，通過改進和優(yōu)化裝配工藝方法及流程，對裝配應力進行調(diào)節(jié)和控制。

4 面向數(shù)字孿生的飛機裝配測量與調(diào)控技術(shù)實現(xiàn)途徑

如圖1所示，面向飛機裝配技術(shù)和系統(tǒng)智能化升級迫切需求，針對基于數(shù)字孿生的飛機裝配測量與調(diào)控核心技術(shù)，基于數(shù)字孿生、精密測量、人工智能、有限元、數(shù)據(jù)處理、軟件工程、工業(yè)總線、智能調(diào)控等理論與技術(shù)方法，制定總體技術(shù)方案。

圖1 基于數(shù)字孿生的飛機裝配測量與調(diào)控總體方案

首先，開展基于數(shù)字孿生的飛機部件智能裝配系統(tǒng)的研究。飛機部件如機身筒段、機翼盒段、中央翼盒等，其裝配工藝及操作十分復雜。一直以來，飛機部件裝配主要采用傳統(tǒng)工裝，大量的裝配操作需要人工手動勞動，存在勞動強度大、依賴工人經(jīng)驗、效率較低、數(shù)據(jù)不量化、質(zhì)量難評估等問題。為使飛機裝配的質(zhì)量和效率有質(zhì)的提升，需要進行物理-數(shù)字虛實智能裝配系統(tǒng)總體設計，設計新的基于數(shù)字孿生的飛機部件裝配工藝規(guī)劃模式。

其次，開展層次化數(shù)字孿生體建模技術(shù)的研究。部件裝配零件類型多、結(jié)構(gòu)復雜、裝配關系復雜、工藝過程復雜。裝配質(zhì)量不僅取決于幾何層面，其結(jié)構(gòu)內(nèi)部的應力狀態(tài)也同樣重要。因此，其數(shù)字孿生體的建模，需要綜合考慮幾何、拓撲、力、變形等復雜信息。融合多源測量信息和多學科仿真分析模型的數(shù)字孿生體架構(gòu)設計及內(nèi)部交互連接設計十分復雜，具有挑戰(zhàn)性。將飛機裝配中的復雜問題分解，研究建立層次化的數(shù)字孿生體，即幾何形狀層數(shù)字孿生體模型、力學性能層數(shù)字孿生體模型、物理狀態(tài)層數(shù)字孿生體模型，可降低數(shù)字孿生建模的難度。

第三，開展多源數(shù)字化測量綜合系統(tǒng)的研究。各種數(shù)字化測量手段有其自身特點，本著取長補短、優(yōu)勢互補、協(xié)同融合的原則，就飛機裝配的總體需求和各環(huán)節(jié)需求，建立多源數(shù)字化測量綜合系統(tǒng)框架，打通之間的數(shù)據(jù)通道，開發(fā)測量數(shù)據(jù)綜合處理軟件，形成多源數(shù)字化測量綜合系統(tǒng)。

第四，開展飛機裝配調(diào)控技術(shù)的研究。飛機裝配過程中，涉及多方面的補償、協(xié)調(diào)、調(diào)整，在開展上述研究的基礎上，建立補償、協(xié)調(diào)、調(diào)整準則，研究實現(xiàn)具體的調(diào)控措施。

5 結(jié)語

本文介紹了數(shù)字孿生技術(shù)在航空航天領域的應用，提出了所面臨的問題和挑戰(zhàn)。闡述了面向飛機裝配過程的多源數(shù)字化測量技術(shù)，包括大尺寸場景測量技術(shù)、面型特征激光掃描測量技術(shù)、基于視覺的測量技術(shù)和應變測量技術(shù)。在介紹飛機裝配中的應力調(diào)控技術(shù)研究現(xiàn)狀的基礎上，提出了面向數(shù)字孿生的飛機裝配測量與調(diào)控技術(shù)實現(xiàn)途徑。