數字孿生技術在航空機電產品裝配工藝中的應用

張璐

（慶安集團有限公司，陜西 西安 710077）

0 引言

航空機電產品生產制造技術的持續提升推動著裝配生產復雜程度隨之增強，同時，就當前的航空機電產品裝配生產過程來看，其中所涉及的專業領域更為多樣，因此依賴單一的數字模型無法切實適應生產現場的各種變化情況，難以滿足現階段的航空機電產品裝配生產需求。基于此，需要設計一種可以參考現場實際條件落實對航空機電產品裝配工藝動態調整的系統，以此維護航空機電產品的總體生產質量。在此過程中，可以引入數字孿生技術搭建數字模型，實現對航空機電產品及其零部件實時狀態的真實反映。

1 數字孿生技術的概述

對物理模型、運行歷史、傳感器更新等數據進行充分利用，集成多領域、多尺度、多物理量以及多概率的仿真，并在虛擬空間范圍內實現映射，以此反映出相對應實體裝配的全生命周期過程，這一過程即為數字孿生。當前，數字孿生技術在多領域范圍內得到應用，特別是在智能制造領域，相應技術的應用深入程度表現出逐步提升的發展趨勢。

2 航空機電產品裝配工藝對數字模型的主要需求分析

（1）生產過程的復雜性需求更多制造要素信息。在航空機電產品裝配生產視域下，存在著較多的產品種類，生產模式與生產組織也有著較高的復雜性，同時，生產準別困難程度偏高、轉換周期較短[1]。而為了實現在航空機電產品裝配生產中的快速轉換，必須要將更多與生產制造相關聯的要素信息融入航空機電產品裝配生產工藝資料中。

（2）更新產品需要數字模型可以實現對更多要素的描述。當前，航空機電產品的技術持續提升，其復雜程度也隨之表現出明顯的增強狀態，在航空機電產品裝配生產過程中，所涉及的專業領域更為多樣，具體包括控制、氣壓、液壓、電子、機械等領域，從這一角度來看，航空機電產品裝配工藝模型所面對著的要求呈現出更高水平。

（3）數字化仿真需要模型數據可以參與實際運算過程。在基于MBD 的模型設計過程中，要求在相應模型內明確標注出航空機電產品制造要求、零部件制造要求[2]。需要注意的是，這些要求并非全部使用計算機語言完成描述與定義的，這就意味著數字化仿真軟件難以全面解讀出其中所包含著的全部信息，導致無法完成對相關要求所表述的物理量展開仿真分析，阻礙著利用航空機電產品裝配工藝決設計系統完成對產品裝配的自主決策。

（4）生產現場需要模型可以實現對生產現場變化的動態響應。從實際生產裝配的角度來看，受到生產條件限制的影響，航空機電產品及其零部件在現實條件下所生成的結構數據、尺寸數據等普遍會與設計值之間存在一定差異性。在這樣的條件下，若是依舊使用理想數據模型，則因為無法切實響應生產過程中的動態變化，所以難以完成航空機電產品的優化裝配生產，所生產出的航空機電產品也極容易出現不合格問題。因此，在當前的航空機電產品裝配生產實踐中，要求在設計相應產品裝配工藝中所使用的數據模型可以迅速響應生產現場的動態變化與現實需求。

3 數字孿生技術支持下航空機電產品裝配工藝設計系統的構建

3.1 系統框架

3.1.1 總體框架設計

對于數字孿生技術支持下航空機電產品裝配工藝設計系統而言，其可以劃分為六個層次，主要有：模型層，其中包含著航空機電產品裝配數字孿生模型；物理層，其中包含著航空機電產品裝配實物；數據層，其中包含著航空機電產品模型庫、裝配工藝模型庫、仿真數據庫、運行數據庫以及企業資源庫；技術層，其中包含著裝配數字孿生模型建模單元、多學科建模仿真單元、實時工藝決策單元、仿真結果顯示單元；功能層，其中主要包含著數字孿生環境下的裝配工藝設計單元、裝配工程驗證與優化單元、裝配工藝實時修正單元、裝配現場可視化單元；用戶層，其中包含著設計人員、工藝人員、生產管理人員、裝配人員、檢驗人員。對于模型層與數據層、物理層與數據層而言，均使用數據接口完成連接，其中，數據層利用數據接口向模型層提供充足運行數據，模型層則利用相同途徑向數據層傳輸優化結果；數據層利用數據接口向物理層提供工藝流程以及實時修正數據，物理層則利用相同途徑向數據層傳輸來源于航空機電產品裝配實物的實時運行結果信息。

3.1.2 系統框架的細化設計

（1）模型層。在該層次內，主要依托數字孿生技術完成對航空機電產品數字裝配孿生模型的構建，對于該模型而言，其中涵蓋著航空機電產品的大量參數信息，包括航空機電產品結構、性能指標、技術指標、功能等等，同時也實現對裝配過程制造全要素信息的定義。

（2）物理層。在該層次內，主要包含由產品與運行環境共同組成的航空機電產品裝配實物，為航空機電產品裝配過程的修正與更新提供大量數據參考，支持多學科建模仿真。同時，在該層次內生成修正后的裝配指令之后，能夠為現場裝配提供工藝方面的優化指導，達到實時修正航空機電產品裝配過程的成效。

（3）數據層。在該層次內，主要包含著數字孿生技術支持下航空機電產品裝配工藝設計過程中所生成的所有數據信息，具體有航空機電產品數據信息、工藝數據信息、航空機電產品實物運行數據信息、仿真驗證過程中的所有仿真數據信息等等，其運行目標在于為整個裝配工藝設計系統的運行提供充足的數據信息基礎支撐，確保本系統所有操作的展開均有所依據與參考。

（4）技術層。在該層次內，主要包含著大量應用技術，具體有數字孿生模型建模技術、多學科建模仿真技術、實時工藝決策技術等等，為航空機電產品裝配工藝的優化提供核心技術方面的支持，促使利用該系統完成航空機電產品裝配工藝規劃設計成為現實。

（5）功能層。在該層次內，主要包含大量支持航空機電產品裝配工藝優化設計的功能單元，包括產品裝配工藝設計單元、裝配工藝實時修正單元等等，為航空機電產品裝配模型的全過程管控提供支持，促使產品裝配工藝虛擬反饋與實物反饋這兩條線路逐步形成。

（6）用戶層。在該層次內，主要由本系統的用戶構成，如航空機電產品裝配工藝設計人員、現場裝配管理人員、檢驗人員等等，為航空機電產品裝配工藝的優化設定以及切實落實提供人員方面的支持。

3.2 設計過程

3.2.1 設計主要流程

數字孿生技術支持下航空機電產品裝配工藝設計的主要流程如下所示：提取基于MBD 的航空機電產品設計模型；分析建模需求并完成裝配數字孿生模型的搭建，此時需要建立個學科模型、各持續模型等等；對工藝落實總體策劃，規劃裝配路徑；整合數字孿生模型與裝配路徑規劃，進行裝配流程、物流的仿真模擬，分析裝配產能；對工藝流程落實進一步細化分解，選擇裝配方法，描述詳細過程并發布工藝規程；整合數字孿生模型與裝配詳細過程，進行運動學仿真分析、流體與控制仿真分析；對可視化工藝規程進行調用，配置零部件并對其狀態實施檢驗，判斷零部件是否符合工藝要求，如果判斷結果為“是”則迅速轉入裝配以及產品裝配結果檢驗操作中，如果判斷結果為“不是”則自動跳轉回數字孿生建模步驟，結合采集到的實時數據更新模型；對產品裝配結果進行檢驗，判斷產品是否符合工藝要求，如果判斷結果為“是”則轉入裝配完成狀態，如果判斷結果為“不是”則自動跳轉回數字孿生建模步驟，結合采集到的實時數據更新模型，并依照上述流程重新完成后續操作。

3.2.2 設計過程的多環節內容

（1）裝配數字孿生模型建模環節。在這一環節內，主要對基于MBD 的航空機電產品設計模型進行獲取與分析，從而確定出在建立航空機電產品裝配數字孿生模型過程中需要引入的產品特征信息；參考相應模型搭建的現實要求，圍繞學科、層次、物理量等方面的不同，搭建起航空機電產品數字孿生模型。該環節所需要的時間普遍維持在較高狀態，要求相關人員著重明確、把握建模需要，避免在后續操作中出現返工行為。

（2）工藝規劃環節。在這一環節內，主要完成對航空機電產品裝配過程的總體性規劃，實踐中，要求在總體規劃出航空機電產品裝配路徑的基礎上，實施裝配過程細化，由此設定出航空機電產品裝配過程的大工位，以此為后續航空機電產品裝配線的物流仿真、產能分析操作的展開奠定更好基礎。

（3）多學科仿真與驗證環節。在這一環節內，主要依托航空機電產品的數字孿生模型，結合多學科分析工具的利用，完成對航空機電產品裝配工藝過程的仿真模擬與分析。在此過程中，依托LMS Virtual Lab 的投放，實現對航空機電產品的動力學仿真；依托DELMIA的投放，實現對航空機電產品裝配物流過程的仿真；依托生產物流仿真軟件的投放，實現對航空機電產品物流的仿真，計算產能[3]。綜合上述分析結果，工藝人員能夠進一步優化航空機電產品裝配數字模型以及相應裝配工藝的整體性規劃設計。

（4）工藝詳細設計環節。在這一環節內，依托CAPP系統的使用，工藝人員可以詳細設計出航空機電產品裝配的工藝規程，具體包括細致劃分裝配工序與步驟、選取更為具體的裝配方法、詳細描述所有步驟的操作等等，并在此基礎上完成對航空機電產品理想狀態下裝配工藝流程的確定。同時，在該環節中，還要落實對產品裝配工藝設計結果的仿真驗證，要求在虛擬環境中對相應工藝落實仿真模擬運行，實踐中，依托多體動力學分析軟件的投放，實現對航空機電產品運動性能的仿真分析；依托液壓建模仿真軟件的投放，實現對航空機電產品液壓通路的仿真分析等等。綜合這些仿真模擬與分析結果，工藝人員可以迅速掌握虛擬環境中產品裝配工藝設計方案的效果，確保所生成的裝配工藝方案具備可操作性、可靠性以及科學合理性。在完成對航空機電產品裝配工藝設計方案的仿真分析且所得結果理想后，才能夠組織對相應工藝設計結果及對應工藝規程的正式發布。

（5）裝配現場使用與反饋修正環節。在這一環節內，主要落實對航空機電產品裝配工藝的調整。實踐中，依托裝配現場可視化終端，現場操作人員能夠在調用裝配工藝規程并準備實施航空機電產品生產的過程中，對各個零部件的主要參數落實及時檢驗，判斷相應參數是否保持在裝配工藝規程所要求及允許的范疇內。此時，若是得到的判斷結果表明，零部件實際參數與設計參數之間存在著較為明顯的偏差，那么該系統可以迅速實現對零部件實際參數的實時采集與反饋。在航空機電產品裝配完成，并轉入調試與試驗階段后，該系統可以對相應航空機電產品的功能性能指標進行采集，對比產品設計需求，實現對航空機電產品性能的判斷。如果所得到的判斷結果表明，航空機電產品實際性能與設計性能之間存在著較大偏差，那么該系統可以迅速實現對航空機電產品實際性能的實時采集與反饋。在數據接口的支持下，工藝人員能夠在更短時間內獲取到航空機電產品零部件的真實參數，并以此為參考更新產品所對應的數字孿生模型，由此構建起實作數字孿生模型。依托多學科仿真工具的利用，工藝人員可以實現對航空機電產品實際參數偏差與產品性能之間關系性的探究，確定產品實際參數偏差對產品性能所造成的影響，同時結合利用仿真結果，對航空機電產品裝配的理想工藝規程展開迅速修正更新，由此生成新工藝規程。對于這種新形成的航空機電產品裝配工藝規程而言，其能夠對生產現場航空機電產品的真實狀態進行反應，還可以達到切實滿足航空機電產品實時裝配需求的效果，能夠為現場裝配工作的優化展開提供指導，促使航空機電產品的功能水平以及性能指標均達到預設的目標要求。

4 結語

綜上所述，數字孿生技術可以針對航空機電產品的任意一項特征進行數字模型建立以及深入研究，因此將相應技術引入航空機電產品裝配工藝的優化設計實踐中，并同時搭建起航空機電產品裝配工藝設計系統有著極高的可操作性，也能夠滿足航空機電產品裝配工藝對數字模型的現實需求。實踐中，依托數字孿生技術的應用，搭建起包含模型層、物理層、數據層、技術層、功能層與用戶層的航空機電產品裝配工藝設計系統，實現了對航空機電產品裝配工藝規程的動態變更優化，更好保護了航空機電產品裝配生產的質量水平。