基于數字孿生的飛機裝配工藝技術研究

王勝任，郭 巖，喬興華，胡 燁，樂洪博

(1.沈陽飛機工業(集團)有限公司，沈陽 110850；2.空裝駐沈陽軍代表局，沈陽 100843)

0 引言

計算機輔助工藝設計(Computer Aided Process Planning，CAPP)是信息技術在產品制造工藝設計領域的應用，是數字化制造技術的核心內容之一，也是連接CAD和CAM的橋梁和紐帶[1-2]。目前在裝備制造業中應用CAPP技術，主要是依據設計人員給出的三維模型，結合制造單元實際情況進行工藝規劃，最終形成的工藝方案是靜態的，推送到生產現場后，操作工人按照工藝方案的指導進行生產加工，當產品檢測不合格時，具體是由工藝方案中的哪個環節產生的問題，目前缺乏有效的分析手段，同時在加工過程中也沒有完備的控制方式使得生產和工藝之間實時互動調整。

裝配工藝設計作為飛機制造中的核心關鍵環節，在裝配質量、裝配效率、研制周期、服役安全等方面都提出了更高的要求，想要優化這些指標就需要借助于產品全生命周期的數據，因此迫切需要一種技術能將飛機產品制造、生產過程產生的所有數據進行有效分析和優化。基于上述問題，開展基于數字孿生的飛機裝配工藝技術研究，將現實生產與虛擬制造相融合，基于虛擬世界與物理世界無縫映射實現預測性的生產決策，縮短大量現場真實操作時間，提升飛機產品質量。

1 數字孿生的概念

2003年，Michael Grieves教授提出了“與物理產品等價的虛擬數字化表達”的思想，幾易其名后，這一思想在2011年被Grieves正式命名為數字孿生(Digital Twin)[3]。2012年，NASA發布了“建模、仿真、信息技術和處理”路線圖，數字孿生體被正式帶入公眾視野[4]，如圖1所示。美國空軍在2011年制定未來30年的長期愿景時就吸納了數字孿生概念[5]，希望未來做到每一架戰機交付時一起交付對應的數字孿生。而2012年NASA對外公布的技術路線圖中[6]，將數字孿生列為2023～2028年實現基于仿真的系統工程的技術挑戰。

數字孿生體的模型包括物理產品、數字樣機、虛擬世界和物理世界的數據總線，數據總線提供了虛擬工藝參數和實際工藝參數的比對，通過比對結果的分析，可以在產品制造的早期及時發現問題，采取補救措施，從而減少大量由此帶來的工程更改工作。圖1為美國空軍提出的機身數字孿生內涵示例[7-8]，此外，通用電氣公司計劃基于數字孿生實現對發動機的實時監控和預測性維護[9]；達索公司計劃通過3DEXPERIENCE體驗平臺實現與產品的數字孿生互動，并以飛機雷達為例進行了驗證[10]。

圖1 NASA數字孿生體的概念模型

2 裝配工藝形成過程

裝配工藝的設計過程就是依據設計圖紙，結合裝配站位實際情況規劃裝配過程，設計工藝參數。對于飛機裝配制造行業而言，產品裝配結構復雜，涉及工藝種類繁多，各種因素數據量大，對設計、工藝和制造各環節的工藝信息集成性要求較高，現有的數據傳遞方式仍然不能完整匹配全過程的信息流轉，信息孤島現象仍然存在，相互之間的交互性較差。

圖3 數據組成結構

傳統CAPP接收來自CAD系統的產品設計信息，總結工藝設計人員的經驗，輔助做出相應工藝方案，雖然提升了裝配工藝設計的效率，但是由于形成的裝配工藝方案是靜態文件，無法充分考慮到后續的分析、優化工作，方案的合理性往往需要通過實際裝配才能驗證，導致裝配過程中的技術協調問題較多，零件返工返修及報廢數量較大，嚴重影響飛機研制的進度和質量。

3 基于數字孿生的裝配工藝體系架構

基于對數字孿生體系的根本認知，結合飛機的研制裝配過程，在虛擬空間、物理空間以及二者之間的交互分析，以知識、流程、信息技術的深度融合為核心，建立面向飛機產品的多尺度仿真模型。針對物理空間的產品裝配過程，需要獲得數字空間實時傳遞的裝配工藝指令，例如相關工藝準備數據的確認，在實際裝配過程中需要實時反饋現場出現的問題。此時，信息交互的接口提供了兩個空間實時狀態反饋的通道，形成了基于數字孿生的裝配工藝應用體系架構，如圖2所示，在整個生命周期中，通過提供訪問、整合以及將分散數據轉換為可操作信息的能力來輔助裝配工藝決策。

圖2 體系架構

4 基于數字孿生的裝配工藝關鍵技術

構建基于數字孿生體的飛機產品裝配工藝體系，首先需要構建一個統一的數據模型，包括產品、工藝、現場、制造資源等，形成企業唯一的數據源，保證數據準確無誤的向下傳遞；再以可視化及仿真的形式進行工藝規劃，針對工藝數據、工裝設備等生產數據、工廠、生產線等生產布局數據，優化裝配工藝策略，通過與產品數據管理系統(PDM)、生產執行系統(MES)、企業資源計劃系統(ERP)進行數據集成實現飛機裝配工藝的數字孿生。

4.1 構建基于MBD的數字孿生體

基于飛機數字孿生體的數據組成進行分析，在飛機的產品設計、工藝規劃、現場執行階段分別給出具體的實現方式。為了構建飛機模型設計的數字孿生體，首先需要用全三維實體模型來完整表達產品定義信息，基于模型的定義(Model Based Definition,MBD)技術以模型為核心實現產品研制全過程的信息共享，借助MBD技術構建數字孿生體，結合基于知識的工藝仿真機制，能夠有效改進裝配工藝的優化迭代能力，使得裝配工藝隱性知識顯性化、經驗知識結構化。如圖3所示，將飛機產品數字孿生體組成數據進行拆分，主要包括：設計數據、工藝數據、現場數據，構成整體數據組成結構。

在設計過程中，如何在三維模型中簡單、直觀的體現不同的工藝要求，需要借助三維標注的方法，它能夠將設計數據進行分類，如圖4所示，在飛機外形不同區域有各自相應的外形輪廓度控制要求，在裝配設計時將結構外形幾何按區域分別構建，并做出輪廓度尺寸公差標注。

圖4 三維標注

4.2 數字孿生中的裝配工藝規劃

飛機產品裝配工藝文件的編制將設計信息轉變為實際的制造方法和步驟，如圖5所示，裝配工藝人員將經驗知識總結為裝配工藝知識庫，梳理不同幾何特征與裝配工藝的匹配關系，根據公差要求，對三維設計模型的可裝配性進行工藝審查，實現對裝配工藝模型的全面評估，及時發現并糾正設計中的缺陷，實現產品設計數據與裝配工藝數據的有效互通。

數字孿生體能夠對給出的設計方案進行智能特征識別，識別出的設計特征經由工藝知識庫的進一步處理，可以自動轉換為對應的工藝規劃信息。借助工藝仿真環境，智能匹配得出的工藝規劃文件將在工藝人員的監督下進行修訂與仿真，逐步確定相關的工藝順序與工藝參數，最后將結果返回數字孿生體進行存儲。當設計方案發生變更時，數字孿生體能夠即時更新，識別特征、匹配工藝與工藝順序、工藝參數也隨設計方案的變化而更新，數字孿生體的工藝規劃過程實現了即時強化、閉環管控，使得飛機設計信息與裝配工藝規劃能夠同步進行。

圖5 數字孿生中的工藝規劃

4.3 數字孿生的裝配現場可視化

現場裝配是執行裝配工藝規劃的過程，在現場裝配階段，數字孿生車間(Digital Twin Workshop，DTW)在孿生數據的驅動下運動，以實現生產和管控的最優為目標，如圖6所示，搭建與物理車間一致的數字車間，數字孿生車間完成對物理車間全方位、全要素的實時監控，并進行實時仿真與預測，同時將仿真結果即時反饋到物理車間。

圖6 數字孿生的裝配現場可視化

5 應用實例

將上述技術在某型飛機的裝配工藝過程中進行了試驗應用，下面以某型飛機裝配過程中的緊固件制孔工藝為例，緊固件制孔方案工藝決策過程是以待連接緊固件特征參數為輸入，以知識庫為支撐，求解其加工方案及加工資源的過程。制孔的詳細決策流程如圖7所示。

圖7 緊固件制孔工藝決策流程

針對數字孿生體識別出的裝配特征，通過決策對象信息獲取，進行決策判斷，形成制孔方案，詳細工藝規劃文件如圖8所示。

圖8 工藝規劃文件

根據詳細工藝方案進行制孔工藝仿真，選取KUKA機器人進行自動制孔，仿真界面如圖9所示，確定裝配工藝順序和相關參數，形成最終的裝配工藝規劃文件。

圖9 制孔工藝仿真

針對仿真過程中生成的仿真代碼與實際操控過程中機器人所需代碼進行連接，傳遞到生產現場進行制孔操作，如圖10所示。

圖10 操作現場控制環境

操作現場控制系統中的視覺檢測模塊完成實際加工中的數據采集工作，捕捉現場制孔數據的偏差值并傳回虛擬環境，作為反向優化制孔工藝方案的參考，同時將裝配工藝規劃中的問題進行反饋并優化。

6 結論

本文對數字孿生技術在飛機產品裝配工藝方面的應用進行了探討，產品數字孿生技術通過持續的積累飛機產品設計、工藝、現場的相關數據和知識，實現數字孿生和物理空間的映射，為解決CAPP技術的瓶頸問題提供了有效的途徑。基于數字孿生技術，在飛機裝配工藝應用方面提供了實時決策和離線分析優化的途徑，對實現裝配工藝設計的智能化發展具有一定的參考意義。