基于數字孿生的精準調裝實驗平臺及教學項目設計

康永剛，宋嗣仁，肖 歡，陳勇剛，2

（1.西北工業大學機電學院，西安 710072；2.西安飛機工業（集團）有限責任公司，西安 710089）

0 引言

飛機裝配是保證飛機產品質量、準確度的決定性環節，其工作量約占飛機制造總勞動量的30%～45%以上，裝配周期約占全機制造周期的40%以上［1］。其中，飛機機身部件裝配的難點在于對象結構尺寸大，裝配工藝流程復雜，協調環多，準確度要求高。

傳統的飛機裝配技術已經無法滿足新型飛機對裝配精度和服役壽命的更高要求，以波音、空客為代表的歐美航空制造企業均把飛機數字化裝配技術作為優先發展的方向。隨著數字化裝配技術的大范圍使用，航空產品的制造模式也在變化革新，由單一的功能和性能需求，逐步向數字化、智能化需求轉變和更新換代［2-5］。我國在2010 年后，以重點型號為牽引，已經逐步在飛機機身裝配過程完全實現了數字化裝配和自動化定位［6-7］，并在關鍵對接環節引入了數字化仿真、數據孿生的思想，正逐步實現智能化裝配［8-9］。然而，通過全國高校的飛行器制造工程專業培養環節調研發現，在培養未來從事飛機裝配專業人員的課程體系中，數字化裝配技術的講授內容少、講授方式單一，與生產現場應用的先進技術之間形成鮮明對比。尤其是飛機結構尺寸大、占地面積大、投資大等現實原因，導致現有的實驗室條件嚴重落后于技術發展，在數量和質量上無法滿足學生批量實驗訓練需求［10-11］，而國內航空制造企業和科研院所對掌握扎實飛機裝配知識并具備飛機裝配工程實踐能力的專業人才需求迫切［12］。因此，本文搭建了一套基于數據孿生的精準調裝實驗平臺，并開設了3 個實驗教學項目。

1 機身部件試裝配仿真原理

1.1 飛機數字化裝配對接原理

傳統的以剛性型架為主的飛機裝配模式，結合人工調裝和人工修配完成大部件的對接裝配［13］。而飛機部件的數字化對接技術，在部件入位后，可以利用數字化測量確定部件初始位姿，并與理論位姿進行匹配，結合數字化柔性工裝帶動大部件精確調整部件位姿，完成部件對接［12］。

1.2 飛機機身試裝配仿真原理

在飛機機身部件裝配對接過程中，插接部位（如對接帶板）一旦插入機身內部，則筒段內壁和對接帶板之間的間隙必然存在“不可見、不可測”的問題，該問題也是普遍存在與半封閉空間下裝配過程的固有難題。目前主要是通過對接端面增加引導帶和塞尺，使用人工測量的方式來驗證機身對接的準確度，缺點是需要反復試裝、反復測量、效率低。同時，最后的對接狀態無法評價。

數字化虛擬裝配技術可以極大提高飛機裝配過程中的裝配效率和準確度，減少實際裝配工作的反復試裝。機身部件試裝配仿真技術，主要技術思想是基于數據孿生實現“虛實結合，以虛控實”；主要目的是預先在虛擬裝配端經過反復試裝“試”出一種最優的位姿來，再引導實物裝配端按此位姿進行調整，從而實現一次裝配成功。

首先，針對兩段機身的待裝狀態，通過激光掃描待裝關鍵部位，構建與現場狀態一致的孿生數據模型，以理論對接位置為目標，在實際裝配前由孿生模型進行試裝配仿真，發現可能的干涉、間隙不合理等裝配問題，將問題反饋給現場，并進行姿態調整并逐步進給對接。

其次，通過雙目攝影測量系統動態感知現場關鍵測量點狀態，實時更新數據孿生模型并再經試裝配仿真后，依據“試”出來的干涉或間隙不均勻問題，結合姿態調整準則和規則，引導現場數字化工裝動態調姿和逐步進給。經過若干次的實物裝配端＋虛擬裝配端的迭代（與進給步長的設定有關），現場裝配在虛擬模型引導下，逐步遞進式裝配，最終實現一次性裝配合格，如圖1 所示。

圖1 機身裝配插接一次裝配到位

雙目攝影測量技術的原理［14］是利用雙目法進行測量時，兩臺參數相機平行放置，焦距為f，雙目基線距離為R，左右兩臺相機拍攝空間中一點P（X，Y，Z），P點投影在左相機圖像坐標系中的坐標為（Xl，Yl），投影在右相機圖像坐標系中的坐標為（Xr，Yr），則空間點P的三維坐標為：

式中，Xl－Xr為視差。測距時利用視差來完成點P到相機平面的距離求解，基本原理如圖2 所示。

圖2 雙目測量原理圖

2 實驗平臺設計

2.1 設計目標及原則

基于數字孿生的精準調裝實驗平臺是為了實現飛行器制造工程的培養方案而設計的，要求學生掌握飛機裝配基礎知識、數字化裝配對接、飛機機身試裝配仿真、雙目測量和機身數字化定位調姿的基礎原理與應用。通過設計大空間測量的實時感知、六自由度并聯調姿和基于數字孿生的試裝配仿真驗證3 個實驗，使學生能夠掌握飛機裝配工藝學基礎知識，認識飛機數學化相關的技術，增強學生通過線上和線下資源自我學習并于實踐中創新的能力。

2.2 實驗平臺組成與使用

精準調裝實驗平臺主要包含硬件集成驗證環境與系統軟件集成可視化展示兩部分，硬件集成驗證環境包含以MA700 飛機前機身和中機身比例縮小試驗件為對象的插入式對接裝配試驗環境、六自由度并聯調姿系統、手持式激光掃描儀、雙目攝影測量系統；軟件功能系統方面設計了飛機數字化測量、數字化調姿的上位控制軟件和虛擬仿真可視化操作界面構成的集成系統，用于實現基于數字孿生模型的試裝配仿真與現場位姿動態調整，如圖3 所示。

圖3 精準調裝實驗平臺模塊組成

2.3 大空間測量的孿生建模模塊

通過雙相機攝影測量粘貼在筒段外表面的攝影碼標志點，獲取標志點空間位置信息并進行數據解算和坐標系統一，分別得到前機身和中機身在裝配空間的位置信息。主要由相機、長度基準尺、相機三角支撐架和計算機控制處理系統等組成，如圖4 所示。

圖4 雙目相機系統的布局

雙相機進行多次拍攝得到粘貼在機身筒段試驗件上的攝影碼標志點和圓形標點數據信息，再通過定位標點與點云數據的配準得到基于現場實測模型的虛擬仿真環境，進入試裝配虛擬仿真過程。

雙相機攝影測量系統及測量流程如圖5 所示。①根據桶段比例試驗件的尺寸大小和裝配環境進行相機整體位置布局，在桶段外表面粘貼條形帶和攝影碼標志；②采用雙相機測量系統建立調姿運動機構坐標系與兩機身部件對齊坐標系的轉換關系；③雙相機系統實時將測量數據進行位姿解算后，得到運動調姿平臺進行調整的空間六自由度參數；④采用雙相機系統實時監測前機身和中機身外表面的攝影編碼標志，間接計算中機身在調姿對接過程中的姿態與位置變化，不斷發出位置數據指令進行糾錯。

圖5 雙目相機攝影測量系統工作流程

2.4 六自由度并聯調姿模塊

如圖6 所示，采用的是六自由度并聯調姿運動平臺，有位移量X、Y、Z和俯仰角α，傾側角β，扭轉角γ的6 個自由度。該平臺主要由以下部分組成：上平臺水平支撐面、下平臺固定基座、電動缸、伺服電動機驅動系統、傳感器測量反饋系統、平臺上方座椅踏板連桿伸縮機構及電氣控制系統、平臺左右兩邊通道的伸縮機構及電氣控制系統、姿態運算系統等組成。

圖6 六自由度運動調姿平臺結構及軟件控制界面

六自由度運動平臺在控制系統的檢測和控制下運行。計算機控制系統通過位置－缸長解算，通過驅動伺服電動機改變電動缸缸長，以實現運動平臺在空間中的六個自由度的運動，如圖7 所示。

圖7 運動平臺控制流程

2.5 虛擬仿真驗證模塊

（1）動態工藝模型的三維重建。本實驗平臺所用貪婪三角剖分算法針對有包含法線的3D 點云數據進行三角化。該算法首先建立一個局部的含有二維坐標系的平面，然后將采集的點云數據進行處理得到包含法線的點數據，將該點沿其法線方向投影到建立的局部平面上，最后依次連接各懸空點在進行下一個包含法線的點。通過重復迭代操作形成三維軟件可執行操作的實測機身筒段模型，如圖8 所示。

圖8 機身筒段試驗件實測模型

（2）動態虛擬仿真驗證。在兩機身對接端面各選4 個攝影點，由單相機拍照標定所得。在運動調姿平臺將筒段運動到待插入時對接流程位置后此時沿機身筒段試驗件軸向位置即運動平臺Y軸正方向進行虛擬平移運動。通過驗證兩機身筒段試驗件的4 個測量基準點的三維坐標相對位置信息和對接端面是否存在碰撞干涉來判定機身部件插入式虛擬裝配對接是否滿足工藝要求。

當虛擬仿真驗證流程判定可進行中機身筒段平插對接時，啟動六自由度調姿運動平臺，按雙相機攝影測量系統標定沿Y軸正方向調姿參數進行平移運動，同時在進行平移運動過程中，雙相機攝影測量系統每次在Y軸正方向平移10 mm后即進行拍照測量，實時反饋仿真驗證結果，并向運動平臺上位控制軟件實時發送機身筒段試驗件空間姿態偏差補償參數，使得運動平臺進行實時動態調整。

3 教學項目設計

3.1 教學目的與要求

通過精準調裝平臺進行實驗，讓學生逐漸認識機身數字化裝配技術體系，掌握大空間數字化測量方法、基于數據孿生的試裝配仿真方法和機身對接裝配的基本原理和相關技術。本實驗結合軟、硬件平臺的搭建和使用，主要目的是為學生提供了多學科知識體系融合以及跨學科復合型人才培養的平臺環境［15］，從而培養具有扎實傳統飛機裝配知識并具備先進數字化裝配技術視閾的專業人才。具體要求如下：

（1）對飛機裝配工藝學課程的基礎知識點進行深入淺出的講解，展示國內外飛機先進裝配技術案例。

（2）了解雙目測量的基礎原理，講解基于雙目測量原理搭建的雙相機攝影系統操作方法。

（3）學會操作使用精準調裝實驗平臺，掌握六軸并聯機構調姿方法。

（4）通過上位機軟件實時進行控制整個精準調裝平臺，根據“以虛控實”精準調裝算法逐步進行實驗流程。

3.2 教學內容

精準調裝實驗平臺項目的實驗目的和內容見表1。包含大空間測量的實時感知、六自由度并聯調姿和基于數字孿生的試裝配仿真驗證3 個模塊，總實驗學時為8 學時。

表1 飛機部件數字化對接裝配實驗項目

3.3 教學范例

結合圖9 所示的實驗平臺，研究提出了一種虛實結合、以虛控實的迭代遞進式精準調裝算法和實驗流程，如圖10 所示。

圖9 實驗平臺

“以虛控實”精準調裝算法與實驗流程如下：

（1）T0時間段。實物裝配端將機身試驗件吊運至柔性工裝上，經過初步的位姿調整，移動機身兩段至相距80 mm 的待裝位置后，執行第①步：對關鍵對接部位進行激光掃描，并將掃描數據傳遞給虛擬裝配端。虛擬裝配端將基于實測數據進行孿生建模，并與現場坐標系進行配準，形成與現場機身部件對應的數字模型。

（2）T1時間段。從虛擬裝配端發起，執行第②步：基于數字孿生模型進行試裝配仿真，第1 次的試裝配仿真要輸出兩個結果：首先，預先在虛擬裝配端經過反復試裝“試”出一種最優的位姿，試裝過程中若存在干涉、最大間隙超差或者間隙不均勻情況，需要依據位姿調整規則調整位姿后繼續進行試裝配仿真，直到找到一種最優的機身位置姿態，使得偏差符合設計要求、插接過程不存在干涉碰撞；其次，將配準后的孿生模型按飛機坐標系平動插接到最終狀態，給出試裝配仿真過程中以及最終狀態存在的干涉和最大間隙情況。虛擬仿真端根據步驟②執行第③步：給出柔性工裝需要調整的方向、參數和坐標。實物裝配端會根據步驟③給出的調整建議，執行第④步：“姿態調整＋直線進給”的操作（首先將調整機身姿態到目標位置，然后平動進給20 mm，此時機身間距為60 mm）。

（3）在T2時間段。實物裝配端在考慮機身姿態調整和平動后引入的新的誤差后，執行第①步：將基于雙目攝影測量系統對關鍵測量點（KMP）進行再次測量。虛擬裝配端將根據新測的數據重新生成孿生模型。

（4）在T3時間段。虛擬裝配端基于更新后的孿生模型執行第②步：孿生模型再次進行試裝配仿真，將孿生模型按飛機坐標系平動插接到最終狀態，并檢查試裝配仿真過程中以及最終狀態存在的干涉和最大間隙情況。虛擬仿真端根據步驟②執行第③步：給出柔性工裝的需要調整的參數和坐標后，實物裝配端執行第④步：姿態調整＋直線進給（20 mm）操作，此時機身間距為40 mm。

（5）依次類推，通過“以虛控實反復迭代”的過程重復執行步驟①②③④到Tn－2時間段。

（6）最后一步插接，首先在Tn－2時間段，虛擬裝配端最后一次根據實測數據更新孿生模型并在Tn－1時間段進行孿生模型的試裝配仿真。在Tn時間段，實物裝配端根據試裝配仿真給出的方向、參數和坐標，執行“姿態調整＋直線進給命令”，實現最后一步插接到位，此時虛擬裝配端更新孿生模型并對本次裝配做出評價此時桶段軸向為對接方向，即運動平臺Y軸正方向。在虛擬仿真驗證系統中驅動中機身試驗件模型沿Y軸正方向前進直至Y軸方向相對測量值顯示為0（機身對接完畢，可以測量對接部位外側可見部分，而內部不可見、不可測部位可通過最后一次的試裝配仿真結果獲取，包括最大間隙、間隙均勻性等評價數據）。

3.4 教學效果

參與機身精準調裝實驗的學生共有8 組，每組3～5 人，要求每組學生通過提前錄制的演示視頻學習實驗相關原理和實驗任務及操作注意事項后，組長分配任務到組員，并上交任務分配清單給教師，獨立高效地完成了實驗。學生在完成3 個實驗項目后，了解機身數字化裝配的先進技術，掌握了飛機數字化裝配對接、飛機機身試裝配仿真、大空間測量、測量場構建、姿態求解的相關理論，培養了學生主動探索和解決復雜工程問題的能力。

4 結語

本文針對飛行器制造工程專業飛機裝配工藝學基礎課程的實際需要，搭建了基于數字孿生的精準調裝平臺，論述了飛機數字化裝配對接原理、數字化定位調姿技術以及飛機機身試裝配虛擬仿真技術在飛機數字化裝配的應用環境，結合課程案例式教學需求，介紹了基于實驗平臺的實驗設計，使學生對數字化飛機裝配相關知識點的理解更為深入，提高其對機身裝配等工程實際問題的認識與創新能力。