数字孪生技术在航空机电产品装配工艺中的应用

张璐

（庆安集团有限公司，陕西 西安 710077）

0 引言

航空机电产品生产制造技术的持续提升推动着装配生产复杂程度随之增强，同时，就当前的航空机电产品装配生产过程来看，其中所涉及的专业领域更为多样，因此依赖单一的数字模型无法切实适应生产现场的各种变化情况，难以满足现阶段的航空机电产品装配生产需求。基于此，需要设计一种可以参考现场实际条件落实对航空机电产品装配工艺动态调整的系统，以此维护航空机电产品的总体生产质量。在此过程中，可以引入数字孪生技术搭建数字模型，实现对航空机电产品及其零部件实时状态的真实反映。

1 数字孪生技术的概述

对物理模型、运行历史、传感器更新等数据进行充分利用，集成多领域、多尺度、多物理量以及多概率的仿真，并在虚拟空间范围内实现映射，以此反映出相对应实体装配的全生命周期过程，这一过程即为数字孪生。当前，数字孪生技术在多领域范围内得到应用，特别是在智能制造领域，相应技术的应用深入程度表现出逐步提升的发展趋势。

2 航空机电产品装配工艺对数字模型的主要需求分析

（1）生产过程的复杂性需求更多制造要素信息。在航空机电产品装配生产视域下，存在着较多的产品种类，生产模式与生产组织也有着较高的复杂性，同时，生产准别困难程度偏高、转换周期较短[1]。而为了实现在航空机电产品装配生产中的快速转换，必须要将更多与生产制造相关联的要素信息融入航空机电产品装配生产工艺资料中。

（2）更新产品需要数字模型可以实现对更多要素的描述。当前，航空机电产品的技术持续提升，其复杂程度也随之表现出明显的增强状态，在航空机电产品装配生产过程中，所涉及的专业领域更为多样，具体包括控制、气压、液压、电子、机械等领域，从这一角度来看，航空机电产品装配工艺模型所面对着的要求呈现出更高水平。

（3）数字化仿真需要模型数据可以参与实际运算过程。在基于MBD 的模型设计过程中，要求在相应模型内明确标注出航空机电产品制造要求、零部件制造要求[2]。需要注意的是，这些要求并非全部使用计算机语言完成描述与定义的，这就意味着数字化仿真软件难以全面解读出其中所包含着的全部信息，导致无法完成对相关要求所表述的物理量展开仿真分析，阻碍着利用航空机电产品装配工艺决设计系统完成对产品装配的自主决策。

（4）生产现场需要模型可以实现对生产现场变化的动态响应。从实际生产装配的角度来看，受到生产条件限制的影响，航空机电产品及其零部件在现实条件下所生成的结构数据、尺寸数据等普遍会与设计值之间存在一定差异性。在这样的条件下，若是依旧使用理想数据模型，则因为无法切实响应生产过程中的动态变化，所以难以完成航空机电产品的优化装配生产，所生产出的航空机电产品也极容易出现不合格问题。因此，在当前的航空机电产品装配生产实践中，要求在设计相应产品装配工艺中所使用的数据模型可以迅速响应生产现场的动态变化与现实需求。

3 数字孪生技术支持下航空机电产品装配工艺设计系统的构建

3.1 系统框架

3.1.1 总体框架设计

对于数字孪生技术支持下航空机电产品装配工艺设计系统而言，其可以划分为六个层次，主要有：模型层，其中包含着航空机电产品装配数字孪生模型；物理层，其中包含着航空机电产品装配实物；数据层，其中包含着航空机电产品模型库、装配工艺模型库、仿真数据库、运行数据库以及企业资源库；技术层，其中包含着装配数字孪生模型建模单元、多学科建模仿真单元、实时工艺决策单元、仿真结果显示单元；功能层，其中主要包含着数字孪生环境下的装配工艺设计单元、装配工程验证与优化单元、装配工艺实时修正单元、装配现场可视化单元；用户层，其中包含着设计人员、工艺人员、生产管理人员、装配人员、检验人员。对于模型层与数据层、物理层与数据层而言，均使用数据接口完成连接，其中，数据层利用数据接口向模型层提供充足运行数据，模型层则利用相同途径向数据层传输优化结果；数据层利用数据接口向物理层提供工艺流程以及实时修正数据，物理层则利用相同途径向数据层传输来源于航空机电产品装配实物的实时运行结果信息。

3.1.2 系统框架的细化设计

（1）模型层。在该层次内，主要依托数字孪生技术完成对航空机电产品数字装配孪生模型的构建，对于该模型而言，其中涵盖着航空机电产品的大量参数信息，包括航空机电产品结构、性能指标、技术指标、功能等等，同时也实现对装配过程制造全要素信息的定义。

（2）物理层。在该层次内，主要包含由产品与运行环境共同组成的航空机电产品装配实物，为航空机电产品装配过程的修正与更新提供大量数据参考，支持多学科建模仿真。同时，在该层次内生成修正后的装配指令之后，能够为现场装配提供工艺方面的优化指导，达到实时修正航空机电产品装配过程的成效。

（3）数据层。在该层次内，主要包含着数字孪生技术支持下航空机电产品装配工艺设计过程中所生成的所有数据信息，具体有航空机电产品数据信息、工艺数据信息、航空机电产品实物运行数据信息、仿真验证过程中的所有仿真数据信息等等，其运行目标在于为整个装配工艺设计系统的运行提供充足的数据信息基础支撑，确保本系统所有操作的展开均有所依据与参考。

（4）技术层。在该层次内，主要包含着大量应用技术，具体有数字孪生模型建模技术、多学科建模仿真技术、实时工艺决策技术等等，为航空机电产品装配工艺的优化提供核心技术方面的支持，促使利用该系统完成航空机电产品装配工艺规划设计成为现实。

（5）功能层。在该层次内，主要包含大量支持航空机电产品装配工艺优化设计的功能单元，包括产品装配工艺设计单元、装配工艺实时修正单元等等，为航空机电产品装配模型的全过程管控提供支持，促使产品装配工艺虚拟反馈与实物反馈这两条线路逐步形成。

（6）用户层。在该层次内，主要由本系统的用户构成，如航空机电产品装配工艺设计人员、现场装配管理人员、检验人员等等，为航空机电产品装配工艺的优化设定以及切实落实提供人员方面的支持。

3.2 设计过程

3.2.1 设计主要流程

数字孪生技术支持下航空机电产品装配工艺设计的主要流程如下所示：提取基于MBD 的航空机电产品设计模型；分析建模需求并完成装配数字孪生模型的搭建，此时需要建立个学科模型、各持续模型等等；对工艺落实总体策划，规划装配路径；整合数字孪生模型与装配路径规划，进行装配流程、物流的仿真模拟，分析装配产能；对工艺流程落实进一步细化分解，选择装配方法，描述详细过程并发布工艺规程；整合数字孪生模型与装配详细过程，进行运动学仿真分析、流体与控制仿真分析；对可视化工艺规程进行调用，配置零部件并对其状态实施检验，判断零部件是否符合工艺要求，如果判断结果为“是”则迅速转入装配以及产品装配结果检验操作中，如果判断结果为“不是”则自动跳转回数字孪生建模步骤，结合采集到的实时数据更新模型；对产品装配结果进行检验，判断产品是否符合工艺要求，如果判断结果为“是”则转入装配完成状态，如果判断结果为“不是”则自动跳转回数字孪生建模步骤，结合采集到的实时数据更新模型，并依照上述流程重新完成后续操作。

3.2.2 设计过程的多环节内容

（1）装配数字孪生模型建模环节。在这一环节内，主要对基于MBD 的航空机电产品设计模型进行获取与分析，从而确定出在建立航空机电产品装配数字孪生模型过程中需要引入的产品特征信息；参考相应模型搭建的现实要求，围绕学科、层次、物理量等方面的不同，搭建起航空机电产品数字孪生模型。该环节所需要的时间普遍维持在较高状态，要求相关人员着重明确、把握建模需要，避免在后续操作中出现返工行为。

（2）工艺规划环节。在这一环节内，主要完成对航空机电产品装配过程的总体性规划，实践中，要求在总体规划出航空机电产品装配路径的基础上，实施装配过程细化，由此设定出航空机电产品装配过程的大工位，以此为后续航空机电产品装配线的物流仿真、产能分析操作的展开奠定更好基础。

（3）多学科仿真与验证环节。在这一环节内，主要依托航空机电产品的数字孪生模型，结合多学科分析工具的利用，完成对航空机电产品装配工艺过程的仿真模拟与分析。在此过程中，依托LMS Virtual Lab 的投放，实现对航空机电产品的动力学仿真；依托DELMIA的投放，实现对航空机电产品装配物流过程的仿真；依托生产物流仿真软件的投放，实现对航空机电产品物流的仿真，计算产能[3]。综合上述分析结果，工艺人员能够进一步优化航空机电产品装配数字模型以及相应装配工艺的整体性规划设计。

（4）工艺详细设计环节。在这一环节内，依托CAPP系统的使用，工艺人员可以详细设计出航空机电产品装配的工艺规程，具体包括细致划分装配工序与步骤、选取更为具体的装配方法、详细描述所有步骤的操作等等，并在此基础上完成对航空机电产品理想状态下装配工艺流程的确定。同时，在该环节中，还要落实对产品装配工艺设计结果的仿真验证，要求在虚拟环境中对相应工艺落实仿真模拟运行，实践中，依托多体动力学分析软件的投放，实现对航空机电产品运动性能的仿真分析；依托液压建模仿真软件的投放，实现对航空机电产品液压通路的仿真分析等等。综合这些仿真模拟与分析结果，工艺人员可以迅速掌握虚拟环境中产品装配工艺设计方案的效果，确保所生成的装配工艺方案具备可操作性、可靠性以及科学合理性。在完成对航空机电产品装配工艺设计方案的仿真分析且所得结果理想后，才能够组织对相应工艺设计结果及对应工艺规程的正式发布。

（5）装配现场使用与反馈修正环节。在这一环节内，主要落实对航空机电产品装配工艺的调整。实践中，依托装配现场可视化终端，现场操作人员能够在调用装配工艺规程并准备实施航空机电产品生产的过程中，对各个零部件的主要参数落实及时检验，判断相应参数是否保持在装配工艺规程所要求及允许的范畴内。此时，若是得到的判断结果表明，零部件实际参数与设计参数之间存在着较为明显的偏差，那么该系统可以迅速实现对零部件实际参数的实时采集与反馈。在航空机电产品装配完成，并转入调试与试验阶段后，该系统可以对相应航空机电产品的功能性能指标进行采集，对比产品设计需求，实现对航空机电产品性能的判断。如果所得到的判断结果表明，航空机电产品实际性能与设计性能之间存在着较大偏差，那么该系统可以迅速实现对航空机电产品实际性能的实时采集与反馈。在数据接口的支持下，工艺人员能够在更短时间内获取到航空机电产品零部件的真实参数，并以此为参考更新产品所对应的数字孪生模型，由此构建起实作数字孪生模型。依托多学科仿真工具的利用，工艺人员可以实现对航空机电产品实际参数偏差与产品性能之间关系性的探究，确定产品实际参数偏差对产品性能所造成的影响，同时结合利用仿真结果，对航空机电产品装配的理想工艺规程展开迅速修正更新，由此生成新工艺规程。对于这种新形成的航空机电产品装配工艺规程而言，其能够对生产现场航空机电产品的真实状态进行反应，还可以达到切实满足航空机电产品实时装配需求的效果，能够为现场装配工作的优化展开提供指导，促使航空机电产品的功能水平以及性能指标均达到预设的目标要求。

4 结语

综上所述，数字孪生技术可以针对航空机电产品的任意一项特征进行数字模型建立以及深入研究，因此将相应技术引入航空机电产品装配工艺的优化设计实践中，并同时搭建起航空机电产品装配工艺设计系统有着极高的可操作性，也能够满足航空机电产品装配工艺对数字模型的现实需求。实践中，依托数字孪生技术的应用，搭建起包含模型层、物理层、数据层、技术层、功能层与用户层的航空机电产品装配工艺设计系统，实现了对航空机电产品装配工艺规程的动态变更优化，更好保护了航空机电产品装配生产的质量水平。