基于數字孿生的航空發動機低壓渦輪單元體對接技術研究

(中國航發商用航空發動機有限責任公司，上海 200241)

0 引言

航空發動機是典型的復雜結構產品，其裝配過程由數萬個零件形成組件、部件、單元體和整機。其中，總裝裝配是按照設計總圖樣和技術規程，把主單元體及成、附件進行組合，形成發動機整機的裝配過程。總裝裝配是航空發動機制造過程中最為重要的環節之一，其技術水平和裝配質量直接影響航空發動機的工況特性，決定著發動機運行過程的可靠性、壽命及主要性能參數[1-3]。目前，國內航空發動機總裝裝配多年來依然采用傳統裝配方法，以關鍵工藝環節為例，低壓渦輪單元體對接過程主要使用手工方式裝配，通過人工目視檢查對接裝配質量，裝配質量不穩定，裝配效率偏低，工人勞動強度大，裝配作業過程管理困難，與國際先進航空發動機總裝裝配技術差距巨大，已成為制約我國航空發動機產業發展的瓶頸之一。為此，針對商用航空發動機關鍵工藝環節，發展數字化、自動化技術，對于提高發動機裝配過程質量一致性、穩定性及效率具有重要意義。

數字孿生(Digital Twin)通過數字化方式構建物理實體與其虛擬模型之間的關聯，在數字環境中借助數據模型與物理實體之間的數據交互，并通過融合分析及決策迭代優化，實現面向產品全生命周期過程的模型、數據、智能技術的集成[4]，支持產品研發、生產及業務管理過程科學、可靠、有效的分析和決策，達成更為準確的企業生產運營指標[5]。

本文選取商用航空發動機總裝裝配關鍵工藝低壓渦輪單元體對接過程為研究對象，通過數字孿生技術，將真實裝配工藝過程與3D虛擬仿真通過過程數據的實時采集和驅動，達到物理融合、模型融合、數據融合和服務融合，實現真實對接過程與虛擬仿真的交互與協同，提高裝配效率及裝配過程一致性。

1 數字孿生技術的發展應用

1.1 概念

“數字孿生”又稱為“數字化雙胞胎”，2003年，由密歇根大學的Michael Grieves教授在其產品全生命周期管理課程上提出了概念雛形，將產品數字化雙胞胎定義為“與物理產品等價的虛擬數字化表達”。2011年之后，數字雙胞胎概念由美國空軍研究實驗室提出并得到了進一步發展，并逐步在2016年之后由波音、羅羅、西門子、達索、洛克希德馬丁等公司及組織開展應用[6]。數字孿生(數字化雙胞胎)的基本概念是指，針對產品、生產或管理過程中的具體問題，通過仿真建模手段，實現對具體問題對象的數字化模型表達，并在數字化模型中模擬現實環境中的行為，進行數據交互，通過數據分析、預測等手段，解決具體問題的一種技術手段，其核心是模型和數據。

1.2 數字孿生的應用及準則要求

按照圖1所示的產品研制生態系統基本原理，產品研制系統可分為由產品、生產和業務3個維度構成[7]，據此基于模型的數字孿生技術也包括“產品數字孿生”、“生產數字孿生”和“業務管理數字孿生”，通過三者的有機結合，改善傳統產品研制過程主要依靠生產現場的試制、調試和整改過程，避免問題不能及時暴露、批量生產質量問題多及生產成本浪費等情況。數字孿生的具體應用場景如下：

圖1 產品研制生態系統

1)產品數字孿生：產品數字孿生指基于模型與數字樣機的產品設計過程，按照航空產品研制過程分析，主要包括需求分析、概念設計、方案設計、虛擬驗證等階段，在設計階段，通過模型、數字樣機，實現對產品尺寸公差分析，評估對應零部件、工裝是否滿足既定設計目標，通過明確對產品質量有重要影響的產品特征(如孔、面、線等)，來模擬分析和評估產品設計和未來制造過程中的關鍵特征，從而在設計研發階段為產品質量改善提供改進建議；

2)生產數字孿生：生產數字孿生主要通過生產過程虛實模型的對應，實現對工藝及生產過程的優化分析與評估。以裝配過程為例，數字孿生環境下，首先需要對裝配工藝規程進行基于模型的驗證與評價，確保裝配制造過程和裝配制造方法的有效性。具體實施過程中，通過把產品，資源和工藝操作結合起來分析產品裝配的順序和工序的流程，并在裝配制造模型下進行裝配工裝的驗證、仿真夾具的動作、仿真產品的裝配流程、驗證產品裝配的工藝性，達到盡早發現問題，解決問題的目的。同時，考慮典型航空產品生產環境中人機協同的重要性，進行人機工程分析，分析人體的可視、可達及操作姿態、疲勞等方面，了解裝配的可行性和局限性，從而確定最佳操作順序。在實際生產過程中，通過實時獲取現場的裝配過程人機料法環測相關數據，確保與模型要求的一致性，可確認航空產品的裝配狀態，同步展示，在異常情況下及時報警提示，糾正過程錯誤，從而保障生產過程的一致性要求；

3)業務管理數字孿生：業務管理數字孿生主要通過構建當前或未來工廠的虛擬模型，結合訂單、產品、物流供應啦那、布局、人員、資源等的具體數據，對工廠及供應鏈全局的業務運行過程進行分析及優化的過程，目前的基于模型的工廠規劃，即屬于業務管理領域的數字孿生模型。

通過對產品研制生態系統的數字孿生業務場景進行分析，三個維度通過相互影響形成產品的全生命周期數字孿生過程，以發動機產品為例，其涵蓋產品設計、制造、使用、維護和退役全生命周期。數字孿生得以有效發揮作用，其基本應用準則應包括：實現數字化模型與物理實體的有效信息融合，并以業務過程模型為基礎，基于數據驅動業務過程模型運行分析，通過多重數據的交互與過程優化，最終實現服務更加高效、優質的業務過程的目標。這一過程中，實時性越高，優化分析迭代的頻率越高，具體需要根據產品的特點及業務運行的要求來進行設定。

2 航空發動機低壓渦輪單元體對接安裝需求

以某型商用航空發動機為對象，其低壓渦輪單元體對接安裝的典型特點及難點在于：

1)安裝過程行程長，低壓渦輪軸長約2 m，裝配行程至少2.2 m；

2)裝配重量大，低壓渦輪單元體總重超過800 kg；

3)裝配精度高，低壓渦輪軸與與風扇單元體為過渡配合，配合精度要求0～0.057 mm；

4)裝配環境可視性差，不易直接觀察，對接安裝過程屬于盲裝過程。

由于低壓渦輪單元體對接過程屬于典型的盲裝過程，可視性差，導致安裝過程極易出現磕碰的質量問題。為此，迫切需要通過數字孿生技術，對低壓渦輪單元體對接過程中產生的各種數據進行實時采集，并通過建立3D虛擬仿真平臺實現實時數據與3D虛擬仿真平臺模型交互，實現真實單元體的對接過程在3D環境下的實時監控和預測，可提高對接效率及裝配過程一致性[8-9]。

3 航空發動機低壓渦輪單元體數字孿生體技術

3.1 航空發動機低壓渦輪單元體數字孿生體內涵

為了構建航空發動機低壓渦輪單元體自動對接過程的生產數字孿生，需要建立與某型低壓渦輪單元體等價的虛擬數字化模型表達，通過對接相關特征的有效定義，以此為基礎進行真實條件或模擬條件下的測試。

首先，需要構建航空發動機低壓渦輪單元體的數字孿生體，該數字孿生體概念模型包括下面三個部分：

1)物理空間的航空發動機低壓渦輪單元體實體；

2)虛擬空間的虛擬航空發動機低壓渦輪單元體；

3)物理空間和虛擬空間之間的數據和信息交互接口；

航空發動機低壓渦輪單元體數字孿生體是在整個產品生命周期的一致性模型和計算模型，它的參數設置過程中與未來裝配和維護產品所用的材料、制造規范及流程相關聯。所以航空發動機低壓渦輪單元體數字孿生體應具有多種特性，具體來說，對于數字模型，應具有多尺度、可繼承、可計算特性；對于實物模型，具有可連接性、唯一性、可控制特性。

綜上所述，構建航空發動機低壓渦輪單元體數字孿生體的基本內涵包括以下幾個方面：

1)針對低壓渦輪單元體的物理實體與數據模型，要具備可連接性和集成性特征；

2)針對低壓渦輪單元體，要具備寫實性，包括單元體集合模型、數據獲取過程的多敏感信息融合和多處理模型、對接過程的運動機構及物料傳輸系統物理模型等；

3)數字孿生體要具備廣泛性，適應包括整個單元體對接裝配全過程，并從設計階段延伸至后續的維修服務階段；

4)數字孿生體要具備可計算性，確保低壓渦輪單元體可以通過虛擬仿真和分析來實時反映對應實體的真實狀態。

3.2 航空發動機低壓渦輪單元體數字孿生體數據組成

航空發動機低壓渦輪單元體數字孿生體除了表達低壓渦輪單元體的幾何特征信息和材質等參數信息外，還包括了裝配工藝過程的參數數據描述，因此，低壓渦輪單元體對接裝配生產數字孿生體是一個過程模型和動態模型，會隨著低壓渦輪單元體對接過程的實施而實現數據的產生、增加和不斷的演化。組成航空發動機低壓渦輪單元體的數字孿生體的數據主要包括：設計數據、工藝過程數據、制造過程數據和裝配過程數據，如圖2所示。

1)設計數據：包括某型航空發動機低壓渦輪單元體三維模型數據(表達幾何形狀信息幾何數據)、屬性數據(表達低壓渦輪單元體相關的材料、規范、分析數據、測試需求的數據)、三維標注數據(表達低壓渦輪對接尺寸與公差)，包含裝配對接關系的設計BOM，以及設計文檔。

2)工藝設計數據：包括低壓渦輪單元體對接裝配工藝裝備模型信息(包括對接設備、設施、工裝工具的工序模型)、工序設計要求數據(資源特征信息、對接方法、對接工藝控制參數等)、質量控制要求數據(對接檢驗/測量要求、關鍵/重要工序質量控制要求信息)、仿真評估數據(幾何仿真、物理仿真、對接過程仿真)，工裝工具設計要求數據、控制過程要求數據。

3)制造過程中數據：包括低壓渦輪單元體、風扇單元體制造BOM信息、檢測過程實測數據、技術狀態實測數據、生產環境實測數據、工藝裝備實測數據等。

4)裝配過程中數據：包括低壓渦輪軸與風扇單元體的選配數據、對接過程操作動作數據、過程狀態監控數據、預測數據、多傳感器采集和分析數據等。此部分為動態模型數據。

3.3 基于數字孿生的航空發動機低壓渦輪單元體自動對接

基于數字孿生的航空發動機低壓渦輪單元體自動對接，分為真實實體對接過程和虛擬仿真對接過程，兩個過程并行進行，實時進行信息交互，通過虛擬對接過程，可對真實對接過程進行過程監控、預測和指導，保證對接過程的順利進行[10]。

基于數字孿生的航空發動機低壓渦輪單體自動對接過程如圖3所示。為了提高低壓渦輪單元體裝配過程的可視化程度，在此基礎上，對重要的過程數據進行監控、預測并隨時對過程進行調整，提高生產過程效率及質量水平。數字孿生通過如下過程提高自動對接過程的效率及質量水平。

圖2 航空發動機低壓渦輪單元體數字孿生技術對接裝配流程圖

1)自動運輸及上下料過程數字孿生。此過程通過大負載自動運輸AGV小車將低壓渦輪單元體自低壓渦輪區運輸至對接安裝區域，使用絲杠機構的自動上下料裝置將低壓渦輪單元體自動放置于智能裝配平臺上。運輸AGV小車運載低壓渦輪單元體時，需對低壓渦輪軸與風扇單元體數據進行選配。為了準確獲取低壓渦輪軸選配信息、單元體運輸及放置信息，建立仿真環境，包含低壓渦輪單元體、風扇核心機單元體、AGV運輸小車、自動上下料裝置等實體模型，并通過數據采集實現模型數據與實體數據實時映射。此過程完成低壓渦輪單元體與風扇單元體選配、低壓渦輪單元體運輸過程及低壓渦輪單元體上料過程準確跟蹤。

2)多自由度自動對接過程數字孿生。由多自由度位移與姿態調整平臺組成，包括X、Y、Z方向的移動和轉動以及裝配過程中所需的2個局部自由度，同時建立多自由度位移與姿態調整平臺的數字模型。物理實體與數字模型通過多傳感器建立數據融合關系，實現對接過程可視化及實時位姿調整。多傳感器數據采集包括相對位姿通過定制的激光跟蹤與引導測量系統、高精度激光測距系統、高精度超聲測距系統和力傳感系統等。通過將測量數據反饋至控制系統，進行位姿調整，實現無磕碰、平滑對接。通過實時數據采集，將單元體的位置、距離等信息實時傳輸到虛擬仿真平臺，平臺中模型根據輸入信息進行隨動，根據采集的實時數據，可對對接過程進行預測，操作人員可根據預測信息，進行隨時的分析、調整和單機模擬，保障對接成功。

3)螺母擰緊過程數字孿生。分為主螺母和邊螺母擰緊兩部分。對主螺母擰緊過程采用自動方式擰緊，建立其數字化模型，通過激光測距、視覺檢測、電動扳手等設備及檢測裝置獲取數據。將視覺引導機器人采集的數據實時傳送的虛擬仿真平臺，進行實時模擬和檢測。邊螺母通過視覺引導方式進行對中，由于空間限制，采用人工方式進行擰緊。

4 關鍵技術

4.1 3D虛擬仿真平臺構建技術

低壓渦輪單元體對接生產數字孿生的主要展示方式為三維虛擬展示，基于數字孿生的虛擬對接平臺需要滿足下面4個技術要求：

1)低壓渦輪單元體模型數據基礎處理。要求對虛擬場景中的低壓渦輪單元體三維模型關聯數據模型，具體包括低壓渦輪單元體對接裝配裝配的空間數據：如位置、形狀、尺寸、比例等；環境屬性數據：對對接空間中不同角度的環境屬性通過材質設定或圖片形式進行模擬。

2)低壓渦輪單元體模型虛擬場景三維建模，在虛擬場景中，低壓渦輪軸、風扇單元體、對接設備、物料配送設備的虛擬對象是主體，這些主體通過建模來實現數據復現的。對象建模過程中，首先要對基本的幾何建模及配合公差進行檢查，確保一致性。

3)低壓渦輪單元體對接裝配過程三維優化，對于對接模型模擬擬仿真過程中，需要嚴格考慮硬件設備的制約情況，設定虛擬場景環境下的交互過程涉及的關鍵參數數據，通過在數據環節中連接實測數據，實現虛實模型的融合互聯。

4)數據驅動的低壓渦輪單元體仿真，通過設計對接參數變量，可從傳感器實時采集的數據或模擬器發送的數據進行變量賦值，平臺通過模型綁定的變量與預設的動作進行關聯，進行互動仿真操作。

3D虛擬仿真平臺通過構建低壓渦輪單元體物理實體的數字模型，通過在數字化方式下實時展示對接裝配過程的進展狀態數據，可以大大改善傳統裝配方式中裝配過程可視化程度差的問題，預防磕碰質量問題產生。

4.2 基于多線程的數據采集技術

在低壓渦輪單元體對接生產數字孿生過程中，數據的連接與綁定是達成孿生及過程可視化展示與提前預警的基礎，在建立的低壓渦輪單元體數字孿生平臺中，需要對真實環境中所應用的位置、距離、力傳感數據進行變量關聯，通過獨立的線程進行單獨接收、存儲和計算，驅動場景中的三維模型進行映射調資，從而實現將實時數據的讀取與處理數據的界面操作交給不同的線程并發執行,解決實時性的問題。

低壓渦輪單元體對接裝配仿真平臺中，每個控制程序以線程為最小的獨立運行單位進行控制。在協同并行工作中，每一個線程都有自己的堆棧，并獨立于應用程序內的其他線程而運行，多個線程可以同時運行。利用多線程機制可以實現進程內的各個子任務并行執行，從而提高系統的實時響應性能，提高生產過程問題處理效率。

4.3 基于激光導航與傳感的物料自動運輸技術

為了實現低壓渦輪單元體自動運輸及運輸過程數據自動采集，采用激光反射原理，在自動運輸小車AGV行走路徑周圍安裝位置精確的激光反射板，AGV通過發射激光束，來確定其當前的位置和方向，計算相對位置，通過幾何運算實現路徑導航。

低壓渦輪單元體運輸AGV小車負載運行過程中，負荷大，運動速度控制小于20 m/min，考慮裝配車間人員行駛路徑與AGV行駛路徑，為保證人員安全，設置激光防撞儀及急停裝置，安全控制結構如圖4所示。在數字孿生體中，數字模型獲取實時現場數據，通過安全防護裝置實現自動運輸過程可視化自動防護，逐步形成自動運輸過程的現場管理規范及規則。

圖4 物料自動運輸安全防護

4.4 對接過程激光跟蹤與位姿測量技術

考慮商用航空發動機自動對接過程安裝精度要求高，考慮數據采集及控制過程中，為了準確獲取數據并實現自動對接過程的有效控制，采用激光跟蹤與引導系統、高精度激光測量傳感器、高精度超聲測量傳感器等有效測量及控制低壓渦輪和風扇核心機單元體的相對姿態[11]。

圖5 定制的激光跟蹤與引導測量工作原理

通過圖5所示的定制的激光跟蹤及引導測量裝置，并與3D虛擬仿真平臺中的數字化模型進行數據融合，在虛擬平臺中顯示低壓渦輪與風扇單元體核心機相對姿態，當目標移動時，激光跟蹤頭保證跟蹤兩組激光，同時準確測量低壓渦輪與風扇單元體核心機后端的相對姿態，從而得出低壓渦輪和風扇核心機單元體前端之間的相對偏差。為多自由度裝配平臺提供控制輸入，形成虛實融合控制。提高控制精度及可視化程度。

5 結束語

基于數字孿生的低壓渦輪單元體對接技術研究通過建立低壓渦輪單元體對接過程數字孿生體，形成低壓渦輪單元體、對接過程、對接環境的數字化虛擬仿真平臺，并通過多傳感器建立數字化虛擬模型與實物模型之間的映射關系，采用多線程數據采集技術，實現對接過程中虛擬仿真平臺與實物的準確映射，對對接過程實時進行監視與控制，從而有效提高航空發動機對接裝配的精度和效率，是未來滿足快速研制生產和批產的必由之路。為了將該技術成功應用于我國的商用航空發動機批產生產過程中，需要更進一步納入整個企業信息管理，如逐步分層建立部件級數字孿生模型，完善3D虛擬仿真平臺，提高數據采集手段，為后續建立柔性裝配生產線奠定基礎，從根本上提升我國航空發動機研制水平。