基于數字孿生的航空整體加強框裝配定位系統的研究＊

唐文獻 武鋒鋒 武 甜

（①太原理工大學機械與運載工程學院，山西 太原 030024；②太原理大學航空航天學院，山西 晉中 030600）

航空整體加強框具備大尺寸超薄整體化結構特征，其加工工藝性差、加工難度大，加工后的變形量難以控制[1]。而在飛機機身部件裝配中，整體加強框由制造差異和半強迫定位方式造成的裝配定位應力水平難以在傳統靜態裝配定位工藝方案規劃時預估，過大或不均布的裝配應力在機身部件下架后會有一部分釋放。釋放的裝配應力最終會導致機身部件幾何形狀出現偏差，未釋放的殘余應力會影響機體的力學性能[2]。根據實際操作現狀，通過有效的分析和優化手段，實現裝配現場工位實體和工藝信息之間的實時互動調整可以兼顧裝配位置精度和裝配應力水平的裝配定位要求。

陳文亮等[3]結合力和位置反饋信息，推導了調姿系統中測力傳感器和壁板重力及調姿內力之間的映射關系，將調姿內力轉化為位置修正，控制調姿機構調整，提高了中機身壁板裝配調姿精度。Jonsson M、Stolt A[4-5]等基于實體系統反饋的力和扭矩信息，通過優化接觸點與接觸力，驅動機器人運動實現了翼肋的精確定位。為了進一步強化裝配現場和各類信息間的深度融合，助力現場裝配過程實時管控優化，將數字孿生技術引入航空整體加強框裝配定位是可行的。

數字孿生能夠通過多維虛擬模型、孿生融合數據雙驅動和虛實共生交互機制，實現監測、評估、預測、優化及控制等功能。孫惠斌等[6]針對航空發動機裝配過程，分析了基于數字孿生驅動的操作引導、間隙控制、狀態控制等關鍵技術，提高了一次裝配成功率和質量性能的一致性。本文針對航空整體加強框數字化柔性裝配定位特點，構建基于數字孿生的航空整體加強框裝配定位系統。基于裝配進度對應工藝編號、航空整體加強框裝配定位現場實體的狀態信息創建數字孿生模型，將接觸力和監測點坐標作為反饋信號，通過ANSYS和Unity3D軟件耦合分析，對微調量進行演算，監控柔性工裝末端定位器微調，實現裝配現場定位過程的實時管控優化。

1 裝配定位系統總體框架

航空整體加強框一般采用半強迫定位方式，將柔性工裝調型到位，然后根據工藝進度依次選擇待裝配的加強框采用孔系定位[7]。基于整體加強框自有定位孔系，固定各定位孔平面內位置坐標后，按照“定1調N-1”原則，保證1個定位孔的航向位置坐標，確定整體加強框站位，以裝配定位公差極限為閾值，調整剩余N-1個定位孔航向位置坐標，最終獲得兼顧平面度和裝配應力水平的裝配定位質量。

航空整體加強框裝配定位系統包含的數字孿生部分可以理解為裝配定位工位的動態虛擬映射，如圖1所示。首先，利用數字孿生技術，依靠有限元軟件建立現場定位對象的力學模型，基于反饋的定位孔處接觸力和監測點坐標信息，分析、評價、預測定位質量，優化柔性工裝末端定位器微調量。然后，借助Unity3D軟件，建立裝配定位過程中涉及硬件的虛擬樣機模型，對裝配定位過程進行虛擬監測，對有限元優化結果進行演示。最后，通過控制中心傳輸指令驅動柔性工裝進行調整。

圖1 系統框架圖

2 數字孿生模型構建

數字孿生模型是對航空整體加強框裝配定位過程中涉及的柔性工裝、定位對象和數字化測量設備的實體、狀態和行為的數字化表示。

2.1 力學模型建立

力學模型的分析對象為正在裝配定位的整體加強框，建立主要目的是通過實體系統反饋的整體加強框與柔性工裝定位器接觸點─整體加強框定位孔處的接觸力和監測點─整體加強框加工過程中用到的定位孔與支撐孔的航向坐標值，來評價整體加強框的站位、平面度和應力水平，預測定位質量，控制柔性工裝定位器施加力載荷的微調量。

根據裝配進度確認進度對應的工藝編號，從全三維設計數模中提取正在裝配定位整體強框的CAD數模，獲取其材料信息。將提取到的整體加強框三維CAD數模導入ANSYS軟件平臺，為其添加材料信息，按裝配定位現場反饋的接觸力和航向坐標值添加約束條件和載荷。

首先，將數字化測量設備反饋的各定位孔處航向坐標值xkl（k為裝配定位的第k個整體加強框，l為第k個整體加強框上的第l個接觸點）與前一個定位的第k-1個整體加強框平均航向坐標值做差，差值最接近理論值的第m個接觸點處確定為固定約束點；然后，基于ANSYS在第xkl（l≠m）個接觸點處施加單位位移（0.1 mm），獲得第i（i≠m）個接觸點處載荷值Kkli，所有變形量組成列向量Kkl；接著，將數字化測量設備反饋的第i（i≠m）個接觸點處載荷值Pkli，整體應力水平可等效由裝配定位力載荷值之和評價[8]：

式中：n為第k個整體加強框接觸點總數；ykl為第k個整體加強框上第l個接觸點處調整量大小。

接著，將數字化測量設備反饋的第i個監測點處航向坐標值xki與xkm作 差，裝配定位的位置精度評價指標為

式中：q為第k個整體加強框監測點總數。兼顧裝配位置精度和裝配應力水平，量化的裝配定位質量評價指標為

式中： α、 β為加權系數。

當s值最小時，求得的各ykl為第k個整體加強框上第l個接觸點處調整量大小。

2.2 虛擬樣機模型

基于裝配進度確認已完成裝配定位的機身骨架零組件，從全三維設計數模中提取其CAD數模并作合并為1個零件處理。將合并處理后的零件、現場裝配定位的加強框、柔性工裝和數字化測量設備的數模導入到3dMax軟件中，增強零件模型的質感，輕量化處理模型，處理完畢的模型存儲為.FBX格式導入Unity3D軟件建立航空整體加強框裝配定位實體對應虛擬樣機模型[9]。利用裝配定位現場反饋的加強框定位孔航向坐標值，確定柔性工裝定位器運動狀態。虛擬樣機模型如圖2所示。

圖2 虛擬樣機模型

Unity3D軟件對整體加強框裝配定位過程的虛擬仿真主要體現在柔性工裝定位器的航向運動。Unity3D軟件自帶API程序讀取ANSYS軟件運算后的調整量，通過控制中心驅動柔性工裝定位器以點動方式遠離/接近整體加強框定位孔。實時監測接觸力和監測點航向坐標值，確保調整量在ANSYS軟件運算結果范圍內，且監測點航向坐標值滿足站位平面的航向坐標差值不大于1 mm，公式為

當監測點航向坐標值已超出設計允許范圍，或者接觸力已經滿足要求，再次將各定位孔處航向坐標值和接觸力反饋至ANSYS軟件，進一步迭代。

3 數據信息交互

航空整體加強框裝配定位現場實體與數字孿生模型間需要交互的數據包括坐標信息、力載荷信息，數據類型不同、不同環節獲取與輸出方式不同，需要統一的數據采集與傳輸方案，避免造成系統“數據信息孤島”，影響系統交互性、可靠性[10]。

數字孿生模型所需位置坐標信息一般通過激光跟蹤儀等成熟數字化測量設備獲取，通過配備的專用數據導出工具導出為.TXT格式文件，借助控制中心讀取并傳至ANSYS軟件平臺和Unity3D軟件平臺驅動數字孿生模型。數字孿生模型所需接觸力信息一般借助力傳感器進行采集，控制中心通過Visual Studio 2015 軟件開發的程序訪問力傳感器的PLC，獲取接觸點載荷信息傳至ANSYS軟件平臺驅動力學模型，同時供Unity3D軟件平臺提取用于監控柔性工裝定位器微調過程[11]。

柔性工裝定位器由電機驅動，每次按一固定調整量進行調整。該固定調整量根據設計允許站位平面的航向坐標最大差值、力傳感器分辨率和電機運動精度等確定，微調距離取0.1 mm。Unity3D根據ANSYS軟件運算后獲得的調整量及現場反饋的接觸力和加強框定位孔航向坐標值，判斷是否需要繼續調整的指令，傳遞至控制中心。控制中心基于該指令生成電機PLC所需代碼，控制電機帶動柔性工裝定位器完成微調運動。

4 實例驗證

針對上述對基于數字孿生的航空整體加強框裝配定位方法的研究，基于 Visual Studio 2015、MySQL技術開發了客戶端-服務器模式（Client/Server，C/S）的基于數字孿生的航空整體加強框裝配定位系統，如圖3所示，客戶端-服務器安裝在同一計算機上完成數據信息交互功能。

圖3 數字孿生的航空整體加強框裝配定位系統示意圖

基于數字孿生的航空整體加強框裝配定位系統包括4個模塊：數據管理模塊、功能服務、通訊模塊和功能顯示模塊。數據管理模塊用于查看系統數據庫中存儲的用戶及授權、定位工藝仿真與文檔、定位對象二維和三維數模、設備三維數模及相關參數等；功能模塊用于維護數據庫中數據，監控定位過程；通訊模塊用于測試、連接各模塊、軟硬件，保障虛實交互的順暢性；功能顯示模塊用于顯示目前操作過程涉及的實驗平臺、虛擬樣機、虛擬仿真、力學仿真及現場實體反饋的監測點航向坐標、接觸力載荷值。目前，該系統以一縮比半框試驗件為定位對象，在本課題組搭建的航空整體加強框自適應定位試驗平臺上得到試運行，效果良好，定位現場實物圖如圖4所示。

圖4 定位現場示意圖

虛擬樣機接收力學仿真結果，根據實體反饋的坐標數據和力載荷信息，控制監控柔性工裝定位器的運動，系統界面顯示如圖5和圖6所示。

圖5 定位系統主界面

圖6 定位過程監控界面

以航空整體加強框定位后航向坐標偏差出現外緣，當 α =1， β =0時，出現的最大值為0.534 mm，調整前后裝配力載荷值和試驗加測的5個支撐孔處應力平均值如表1所示，表明該種條件下，本方案可較強迫定位方式的定位質量提升19.28%。

表1 調整前后定位質量表

5 結語

針對數字孿生技術在航空整體加強框數字化柔性裝配定位過程中的應用開展了相關研究，提出了基于數字孿生的航空整體加強框裝配定位方法。基于ANSYS和Unity3D軟件創建了實體對象的力學模型和虛擬樣機模型，通過分析實體反饋信息實現了航空整體加強框狀態的優化、監控。以一縮比半框試驗件為裝配定位對象，基于本課題組搭建的航空整體加強框自適應定位試驗平臺，運行了開發的數字孿生的航空整體加強框裝配定位系統，驗證了方法的可行性，通過實驗平臺實體、力學模型、虛擬樣機模型以及三者之間的數據信息交互搭建的數字孿生系統，能夠較強迫定位方式將定位質量提升了19.28%，為航空整體加強框裝配定位過程的實時管控提供了一種有效途徑。