數字孿生在工程機械產品裝配領域的應用

張 琪

（長安大學工程機械學院，陜西 西安 710064）

1 工程機械產品裝配的發展趨勢

復雜產品性能優劣與裝配質量息息相關。 在工程機械當中，裝配工序是產品生產制造過程中的關鍵環節[1]，它是將零件按規定的技術要求組裝起來，并經過調試、檢驗使之成為合格產品。 據統計，在現代制造中裝配工作量占整個產品研制工作量的20%～70%，平均為45%，裝配時間占整個制造時間的40%～60%[2]。

隨著機械產品裝配智能化、 輕量化和精密化的不斷發展，現有的裝配技術難以滿足要求，裝配精度要求越來越高、裝調難度越來越大，產品裝配性能保障也越來越困難。 在實際裝配階段，由于產品物理特性及現實原因，使得產品的實際裝配狀態與理論數值之間存在差異，裝配質量無法滿足現代復雜產品高性能、 高精度與長壽命等制造與使用要求。 對于大型工程機械，其內部包含較多零部件，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，導致現有方式的裝配效率不是很高。與此同時，工程機械行業正處于轉型換代的關鍵時期，現代化的工程機械裝配工藝發展尤為重要。

計算機和數字化技術的出現極大地促進了裝配技術的發展。 傳統裝配技術與計算機技術、網絡技術和管理科學的交叉融合形成了數字化裝配技術。 數字孿生的核心是通過構建與實際物理現場完全一致的數字空間，利用虛擬仿真技術來模擬產品的實際生產過程。 對于當前裝配工藝研究現狀，基于數字孿生的復雜機械產品裝配必然成為裝配技術的重要發展趨勢。

2 數字孿生驅動的工程機械產品裝配技術概述

數字孿生仿真是將眾多生產工藝單元組合成連續的過程用數學模型來表現，用計算機求解整個生產過程的數學模型，得到有關過程性能信息[3]。 在數字孿生技術的不斷探索下，學術界針對數字孿生體框架和應用準則做出了相關研究。 數字孿生體的內容包含虛擬建模、信息物理融合、人機交互與協同和拓展服務應用四個方面，這些是構成數字孿生驅動的必要部分；應用準則規定了以上各部分的在多維虛擬環境下的幾何、物理、行為、規則等內容。 數字孿生的核心內容是模型和數據，通過智能感知、模型構建、數據融合等技術手段實現產品設計、生產制造、應用服務真正意義上的互通。

在工程機械產品裝配領域，一套完整的裝配技術組成可分為五個部分：1)產品設計模型決定可裝配性和裝配性能；2)工藝是指導裝配的技術文件；3)工藝裝備是實現裝配的支撐工具；4) 檢測是保證裝配質量的重要手段；5)科學管理是實現高效裝配的重要部分。 在實際生產過程中，機械產品的裝配質量又會受到零件數量、技術要求、裝配形式等眾多現實因素的影響，導致其過程十分復雜。 數字孿生的提出與應用為以上難題提供了技術思路。 針對以上研究目標，基于數字孿生技術構建工程機械產品裝配流程的多要素、多層次框架，實現智能化裝配。

對于具體的工程機械產品裝配，可以在虛擬環境下建立與真實物理模型一致的數字孿生模型，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一的物聯網中，實現物理世界與信息世界的深度融合，對復雜產品的裝配過程進行高效的自響應、自組織管控。 以上過程可以用流程圖1 形象表達。

圖1 數字孿生下的工程機械產品裝配流程

3 工程機械產品裝配數字孿生體的構建流程

數字孿生是以數字化的形式建立物理實體的多維、多時空尺度、多學科、多物理量的動態虛擬模型。 數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字孿生體，在產品設計階段建立的虛擬空間和模型稱為設計數字孿生體，主要體現為產品虛擬樣機[4]。 一般來說，數字孿生體的主要構建要素包括物理實體空間、 虛擬數字空間和數據互聯模塊。

圖2 工程機械產品裝配的數字孿生體框架

在該結構下建立多層次的立體縱向模型，反應實際物理系統在真實環境下的行為、狀態和性能[5]。 通過以上不同階段信息源的內在交互，融合設計模型、虛擬樣機和實際生產裝配過程，提取數字孿生體全生命周期信息，構建完整的數字孿生體模型框架如圖2 所示。

4 數字孿生環境下虛擬仿真模型的構建

數字孿生技術下的產線設計與生產仿真模塊主要基于離散事件仿真平臺Plant Simulation，通過在軟件內部建立生產線模型與仿真系統模擬實際生產過程。 該系統用于實現三維車間生產工藝過程建模、 生產過程仿真分析，為管理決策提供可靠的量化數據依據。

基于虛擬模型對數字化車間布局、工藝、物流方案、資源配置方案等進行綜合分析、驗證和優化；為生產線精益規劃及生產有關的決策提供支持，找出瓶頸并提出可行性優化解決方案，系統總體業務流程如下：

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

圖3 工程機械產品裝配設備建模

2) 待裝配零件通過產品編號、ID、RFID 傳感器、執行器、嵌入式終端等形式為其配置智能核心，用于采集設備工況數據、環境數據，來實現裝配過程的自動化執行和控制，具體模型如圖4 所示。

圖4 裝配模型的邏輯互聯

3) 對產線的物流路徑、物流配送量等進行虛擬仿真，對產線各工位狀態等進行動態實時監控，如圖5 所示。

圖5 工程機械產品裝配模型框架

以上建立的生產線物流仿真及可視化仿真模型，模擬加工設備、物料緩存區、物流設備等的運作狀態，分析與發現物料阻塞、節拍不平衡、設備等待等問題，實現對生產線方案、物流方案的綜合評估與優化。

5 結論

本文研究了數字孿生技術在工程機械產品裝配領域的應用，分析了傳統工程機械裝配的不足。 通過構建工程機械產品全生命周期的數字孿生模型，在虛擬制造空間動態模擬產品工藝、裝配等相關過程。 基于以上過程中的數據融合和處理，實現物理空間和虛擬空間的互聯，在產品生產制造過程中預測加工質量和技術指標，提高生產裝配的主動性、智能性。