面向數字孿生的飛機裝配測量與調控

李梅平，張永亮，劉宏偉，安魯陵，趙聰

（1.沈陽飛機工業（集團）有限公司，沈陽 110034；2.南京航空航天大學，南京 210016）

0 引言

飛機裝配是飛機制造的重要內容，其特點是采用一種獨特的尺寸傳遞與協調方式，以保證零件與零件、零件與工裝、工裝與工裝之間的協調，進而保證裝配準確度。傳統的飛機裝配是使用模擬量尺寸傳遞模式，飛機設計師利用模線定義飛機的外形與結構，將飛機結構尺寸和形狀利用實物形式的標準工藝裝備傳遞到下游制造車間與裝配車間，所制造的工裝、零件和部件通過模擬量手段（如樣板）進行協調與檢測，在當時的科技水平下，這種協調方法是一種達到較高協調準確度的有效方法。自20世紀80年代后期以來，隨著科學技術的進步，數字化技術開始應用于飛機裝配，并在國內外航空工業中得到了普遍應用。在新型飛機的研制和生產中，集成了工業領域最先進的科技成果，如數字化設計制造、虛擬現實、激光跟蹤定位、自動控制等，這些技術的應用顯著提高了飛機裝配質量和效率。對飛機機體來說，最主要的目標是保證其裝配的幾何準確度，包括外形準確度、大部件之間相對位置的準確度等，主要是滿足裝配協調的要求[1]。

目前，整體結構件和復合材料構件在飛機機體上的應用日漸增多，在裝配中要經歷定位、夾緊、連接等環節。零構件不可避免地存在制造偏差，要滿足裝配幾何準確度要求，在上述環節中需要進行校形、補償、加工（制孔等）和連接，這些操作將會引入一定程度的裝配應力，裝配應力會對結構的力學性能造成影響，應力過大時甚至導致結構的局部損傷，降低結構的強度和疲勞壽命[2-5]。因此，僅僅以幾何準確度為依據的飛機裝配質量評價標準已不夠全面，需要結合裝配結構的力學特性，從裝配過程中飛機結構的外在形貌和內在狀態對其進行全面的監測和評估，對保證飛機裝配結構的幾何精度和力學性能至關重要。

如上所述，為保證飛機裝配質量，除了滿足幾何精度要求以外，還應使裝配結構中不出現過大的裝配應力，數字孿生可以為定義新的裝配質量評價指標提供支撐。數字孿生概念的出現已有20年的歷史，有關數字孿生的定義以2012年美國NASA給出的廣為業界接受[6]，莊存波等[7]也提出了數字孿生體的概念。歸納起來，數字孿生是在計算機中力圖真實表征物理實體的數字體，兩者之間進行信息交換和數據傳遞，并利用傳感器、求解器進行信息和數據的更新，以保持兩者之間的實時同步，達到真正的孿生。就飛機裝配的上述問題，本文就數字孿生與飛機裝配的結合進行分析，結合當前迅猛發展的數字化測量，也就是物理世界和計算機世界的聯系載體，探討飛機高質量裝配的有效途徑。

1 數字孿生技術的應用

在NASA的阿波羅計劃中，為保證萬無一失，制造了一對完全相同的空間飛行器，一個飛到空間完成所要求的工作，另一個在地面基地作為太空中飛行器的孿生兄弟，一是用于對航天員的訓練，二是用于模擬和預測太空中飛行器的狀態和狀況，從而為正在執行任務的航天員提供可借鑒的決策[8]。

隨著數字化技術的進步，從初期用數字化模型來表達物理實體的形態和特性，發展到今天用來模擬其行為和性能。這個概念早在2003年被Michael Grieves教授叫做“鏡像的空間模型”，也被認為是數字孿生體的原型。

數字孿生技術在航空工業的應用首先是從美國波音公司開展的，波音公司在787客機的研制中，應用CATIA建立飛機的MBD（Model Based Definition，基于模型定義）模型，基于MBD模型擬定總體裝配方案，確定裝配規程和流程。MBD模型是一種全三維的數字化模型，其中既包含了定義產品的幾何數據、拓撲信息，又包含有關制造裝配檢測等的非幾何信息，構成了產品設計制造的完整數據集。在制造的各環節中，使用上述單一的全三維數據集，避免了由于多源數據造成的差錯，顯著降低了工程更改和工藝更改工作量[9]。空客公司將數字化技術用于380客機和A400M軍用運輸機的研制，建立了數模與實物的關聯關系，通過數字化檢測手段，獲知物理實體的實際狀態，反饋到工藝設計系統中，實現對裝配工藝的修正[10]。洛馬公司將數字孿生技術應用于F-35戰斗機項目中，建立了飛機的數字孿生模型，與飛機實物相對應、相互關聯，應用數字化仿真技術，模擬飛機在現實世界中的制造、裝配和飛行過程[11]。美國空軍引入數字孿生技術，建立了某新型航天器的數字孿生模型，用于解決飛機機體健康的檢測[12]。ANSYS公司推出的多物理域建模與仿真平臺功能十分強大，可用于構建產品的數字孿生模型，與物理實體相關聯，無需停機即可預測和診斷產品的功能和性能、運行故障，并推薦相應處理方案。

目前，我國飛機制造業均已經全面應用全三維的數字化設計制造技術，基于所建立的數字化測量場，將自動化技術應用于飛機裝配，一方面就裝配過程中的各個環節對裝配方案進行仿真和驗證，另一方面通過數字化測量手段，獲取裝配過程中的數據，對裝配狀態進行調控，有效地保證了飛機裝配質量和產品性能[13]。最近的幾年里，飛機制造企業越來越重視數字孿生技術，借助于多種電子標志與識別手段，采集飛機制造過程中各個環節的信息和數據，監測和記錄生產實施過程中出現的問題、解決方法，對這些現場的數據進行分析和整理，存儲到數據庫中，為今后的數字孿生技術的應用提供基礎[14]。文獻[15]研究了某航空發動機低壓渦輪的裝配，建立了產品、工裝、工藝的數字化模型，使用多種類型的傳感器監測裝配過程中的產品、工裝的實際狀況，并與數字化模型中的理論狀況相比對，實現虛擬環境中理論模型與現實環境中物理實體之間數據的映射。在此基礎上，實現裝配過程中的故障預測、干預決策。

目前，國內外學者雖然在基于數字孿生技術的復雜裝備裝配領域做了一些探索，但在此領域，虛擬模型-物理實體的實時映射和數字孿生建模仍存在不少問題和挑戰，影響著數字孿生在飛機裝配領域的應用和發展，因此面向數字孿生技術，開展飛機裝配中的測量與調控技術研究，有助于推動數字孿生技術的發展和落地。

2 裝配過程多源數字化測量技術應用

數字化測量如同我們的視覺、聽覺、嗅覺、觸覺一樣，是我們感知物理世界和計算機世界的本能，在數字孿生建模和飛機裝配中是至關重要的手段。當前，隨著科學技術的進步，數字化測量技術迅猛發展，多種多樣的儀器和方法為飛機裝配提供了有力的支持。

2.1 大尺寸場景測量技術

20世紀90年代以來，Indoor GPS[16]、激光跟蹤儀[17-18]、激光雷達[19]等數字化檢測技術在國內外飛機制造領域應用愈加廣泛，已由關重件單一方法的檢測發展到整體產品生產過程中多傳感器融合的全面監測，制訂了相應的測量標準規范，并將數字化檢測與監測的數據反饋到零部件生產現場，通過參數調整、補償措施，實現飛機部裝和總裝的過程調控和質量保證，提升飛機制造的總體水平。

波音公司率先開展Indoor GPS系統的研究與開發，首先將其應用于747飛機的生產中，成功實現機身段的對接裝配。隨后，又被應用到波音787及F/A18飛機裝配線上，完成了部件和裝配工裝的檢測，以及大部件的精確調姿。

為保證部件的測量精度，空客公司在A380總裝線上采用4臺激光跟蹤儀，建立總體坐標系，實現多激光跟蹤儀的集成，用于翼身對接、機身成龍等過程中的大部件對接。飛機機體外形的測量用到了激光雷達、激光及結構光測量儀等測量手段。

國外飛機裝配領域，多源傳感數控自動定位和自動對接等技術應用于零部件的制造和裝配中，如在部件裝配工位，激光雷達、激光跟蹤儀等數字化測量儀器的普遍使用可以簡化甚至省略裝配定位工裝等，使飛機大部件裝配朝著自動化、數字化和柔性化的方向發展，提高了飛機生產的質量和效率，減少了裝配工裝數量，縮短了生產準備周期。

國內航空制造企業、研究院所和高校對多源智能測量技術開展了大量的研究[20-24]，包括飛機零件的制造與檢驗、裝配型架的安裝與定檢、翼身對接、飛機水平測量等工作，涵蓋了飛機零件的加工、組件裝配、部件裝配、飛機總裝、測試交付等飛機制造全過程，構建了多測量手段構成的多源智能測量平臺，構成了多測量系統和制造裝配工裝與裝備互聯互通的有機體。

2.2 面型特征激光掃描測量技術

目前，高性能激光掃描儀的最高掃描速度達到120 萬/s，巨大的數據量會影響點云模型的傳輸和處理效率。三維點云簡化的主要目標是保持模型有效特征前提下，盡可能多地減少點云數據量，主要方法有基于曲面擬合的簡化方法、基于網格的簡化方法和基于三維點云的簡化方法[25]。對大型客機、大型運輸機來說，測量數據簡化需求更為迫切。一般的點云數據簡化算法和軟件功能，容易丟失模型的重要特征。如何在保持測量對象特征的前提下，提高數據處理的效率，依然是工程中亟需解決的問題。

在多源測量數據融合方面，國防科技大學的楊景照等[26]針對激光跟蹤儀，提出了一種測量網絡的評測方法和數據融合方法，結合GPS和STEP標準，建立了基于要素的坐標測量信息規范模型，并開發了全三維評測與規劃系統。

2.3 基于視覺的測量技術

基于視覺的測量方法是利用視覺檢測設備獲取被測對象的圖像，據此計算其有關幾何尺寸與形狀或位置的數據。這種方法屬于非接觸測量方式，不會損傷被測對象的表面，且操作簡便靈活，檢測效率高，因而在飛機制造企業的應用十分廣泛，主要用于零構件的尺寸測量、裝配型架的安裝與定檢、部件裝配幾何精度的檢測等。

基于視覺的測量方法主要有結構光測量、雙目立體視覺測量和攝影測量等[28]。此類測量儀器如Metra SCAN手持掃描儀和ATOS流動式光學掃描儀，前者方便測量局部曲面，可用于發動機葉片、飛機壁板形面的測量，后者基于光柵測量原理，通過多視場的數據拼合來實現大型曲面零件的測量。為了提高ATOS在測量大型曲面時的定位精度，可利用Tritop測得的參考點實現拼接。

V-STARS系統是美國GSI公司研制的工業數字近景攝影三維坐標測量系統，測量精度可達4 μm，且測量速度快、自動化程度高，在航空航天領域得到廣泛的應用，如波音737工藝裝備的測量、空客320機翼吊掛的測量、西飛轉包項目中的部件測量等。

2.4 應變測量技術

在航空航天、汽車、船舶、機械等行業領域，結構的力學性能至關重要，應變是表征結構力學性能的一個重要指標，對產品的壽命、安全性和可靠性影響顯著。目前，零件表面應變測量的主要手段是電阻應變片法，測得應變后，再根據本構關系得到零件表面的應力。隨著火箭、導彈、飛機等性能的日益提高，其結構和受載狀態愈加復雜，對結構可靠性提出了更高的要求，對應變測試也提出了更高的要求，不僅需要了解局部位置局部方向的應變，而且還需要掌握結構區域的應變場的分布和演變。

目前，除了應變片電測法外，利用光學測試應變的方法發展迅速，這種光學測試方法是基于現代光學技術、機器視覺和計算機圖像處理技術而發展的，可用于測量結構表面或內部的應變、應力、位移、振動等。這方面有數字圖像相關[29-30]技術（Digital Image Correlation，DIC）、雙折射應力測量技術、數字光彈性法，以及光纖Bragg光柵應變傳感器法等。

光纖Bragg光柵傳感器[31]是一種波長調制型光纖傳感器，是近年來出現的一種測試方法。其工作原理是通過外界物理參量對光纖Bragg波長的調制來獲取像應變、溫度、加速度、位移、壓力、流量等信息。而應變測量是在光纖的纖芯上刻出Bragg光柵，當被測件產生變形時，利用光纖Bragg對特定波長光的選擇性反射特性，致使其反射的波長也相應變化，通過光纖光柵解調儀測得變化值，從而得到應變。光纖Bragg光柵傳感器的優點是抗電磁干擾，適用于長距離信號傳輸，測試系統結構可以大為簡化，非常容易構建分布式傳感網絡。

光彈性法是一種利用光學原理進行應變測量的實驗方法[32-34]，結構模型由具有雙折射效應的材料制成，將其置于偏振光場中，自由狀態下不會出現雙折射，但當給結構模型施加載荷致使其產生變形時，就會表現出光學各向異性，在模型上可見干涉條紋。對干涉條紋進行測量，通過計算即可求解結構中的應力狀態。光彈性法可用于三維空間中的全場應變應力測量，屬于非接觸式測量方法，具有電測方法不能達到的全場測量優勢，既可以測量外表應變，又可以測量內部應變。

3 飛機裝配中的調控技術

飛機裝配是一個綜合的過程，各個參與裝配的零構件有各自的定位，自身還帶有制造偏差，而它們之間還要滿足位置、形狀和尺寸的協調。因此，需要用系統工程的思路進行統籌和權衡，具體實現上就要進行多方面調節和控制。在飛機裝配中，近年來研究人員開始關注裝配應力的影響，因為對發生的一些飛機故障進行分析，其原因是裝配應力過大所致。

在空客350客機復合材料機翼翼盒的裝配中，利用激光掃描裝置測量蒙皮和翼肋緣條的幾何外形，確定配合部位的干涉和間隙的具體位置和分布，在此基礎上，應用機器人原位補償平臺對干涉和間隙進行裝配補償，以減小結構的裝配應力。波音公司787客機的部件裝配中，研制了帶有力傳感器的裝配工藝裝備，通過測量制件作用于工裝上的力，來求解機體結構中重要部位的應力狀況，并通過調節工裝以使裝配應力不超過限定值[35-36]。

文獻[3]以翼肋裝配為對象開展研究，提出了一種基于力反饋的飛機結構裝配方法，基于力控制策略，將結構裝配應力限制在規定的數值內，該值是根據結構裝配完成后的剩余拉應力求出的。

歐盟2012年實施了一個LOOCOMACHS項目，目的是實現復合材料結構制造和裝配的低成本。應用數字化仿真方法和管控手段，對飛機裝配過程進行分析，結合自動化裝備的應用，消除費時費力的不增值環節，提高飛機裝配的自動化水平，以降低制造成本[37]。

研究發現，飛機裝配應力形成的機理復雜，各種影響因素交織在一起，難以定量計算。當前，國內外研究人員以典型裝配結構為對象，建立裝配應力與各因素之間的關聯關系，應用有限元方法，對裝配應力的形成以及各因素的影響進行分析，通過改進和優化裝配工藝方法及流程，對裝配應力進行調節和控制。

4 面向數字孿生的飛機裝配測量與調控技術實現途徑

如圖1所示，面向飛機裝配技術和系統智能化升級迫切需求，針對基于數字孿生的飛機裝配測量與調控核心技術，基于數字孿生、精密測量、人工智能、有限元、數據處理、軟件工程、工業總線、智能調控等理論與技術方法，制定總體技術方案。

圖1 基于數字孿生的飛機裝配測量與調控總體方案

首先，開展基于數字孿生的飛機部件智能裝配系統的研究。飛機部件如機身筒段、機翼盒段、中央翼盒等，其裝配工藝及操作十分復雜。一直以來，飛機部件裝配主要采用傳統工裝，大量的裝配操作需要人工手動勞動，存在勞動強度大、依賴工人經驗、效率較低、數據不量化、質量難評估等問題。為使飛機裝配的質量和效率有質的提升，需要進行物理-數字虛實智能裝配系統總體設計，設計新的基于數字孿生的飛機部件裝配工藝規劃模式。

其次，開展層次化數字孿生體建模技術的研究。部件裝配零件類型多、結構復雜、裝配關系復雜、工藝過程復雜。裝配質量不僅取決于幾何層面，其結構內部的應力狀態也同樣重要。因此，其數字孿生體的建模，需要綜合考慮幾何、拓撲、力、變形等復雜信息。融合多源測量信息和多學科仿真分析模型的數字孿生體架構設計及內部交互連接設計十分復雜，具有挑戰性。將飛機裝配中的復雜問題分解，研究建立層次化的數字孿生體，即幾何形狀層數字孿生體模型、力學性能層數字孿生體模型、物理狀態層數字孿生體模型，可降低數字孿生建模的難度。

第三，開展多源數字化測量綜合系統的研究。各種數字化測量手段有其自身特點，本著取長補短、優勢互補、協同融合的原則，就飛機裝配的總體需求和各環節需求，建立多源數字化測量綜合系統框架，打通之間的數據通道，開發測量數據綜合處理軟件，形成多源數字化測量綜合系統。

第四，開展飛機裝配調控技術的研究。飛機裝配過程中，涉及多方面的補償、協調、調整，在開展上述研究的基礎上，建立補償、協調、調整準則，研究實現具體的調控措施。

5 結語

本文介紹了數字孿生技術在航空航天領域的應用，提出了所面臨的問題和挑戰。闡述了面向飛機裝配過程的多源數字化測量技術，包括大尺寸場景測量技術、面型特征激光掃描測量技術、基于視覺的測量技術和應變測量技術。在介紹飛機裝配中的應力調控技術研究現狀的基礎上，提出了面向數字孿生的飛機裝配測量與調控技術實現途徑。