工艺节点流驱动的装配工艺孪生模型构建

2023-01-06罗富文

兵器装备工程学报 2022年12期

成彬,罗富文

(西安建筑科技大学机电工程学院，西安 710055)

1 引言

装配是将零件按规定的技术要求组装，并经过调试、检验形成合格产品的全过程[1]。在产品装配过程中，完整、准确、实时地记录并管理装配工艺信息，对于实现规范化装配指导和持续化装配工艺改进具有重要意义[2]。国内外学者在装配工艺信息建模方面进行了大量的研究。乔立红等[3]提出一种几何增强的装配工艺本体模型。王崴等[4]构建了工艺因素、属性及装配质量的多色集合信息模型。刘欢连等[5]以三维装配过程模型为载体进行产品装配工艺模型表达与管理。刘晓军等[6-7]构建了3种阶段的装配工艺模型。乔立红等[8]运用不同的表达模型构建了数字化多视角产品三维工艺信息表达框架。孟倩等[9]建立了一种基于流程的结构化装配工艺模型。近年来，数字孪生技术为产品装配提供了新的思路、方法和实施路径[10]。孙学民等[11]构建了包含装配全要素的高精密产品数字孪生体实施智能化装配。Sun等[12]建立了高精度产品装配调试全要素信息模型，支持装配工艺的自适应优化。Yi等[13-14]提出一种数字孪生装配模型，实现了物理装配实体的模型状态和装配行为真实映射。Zhuang等[15]提出了一种数字孪生驱动的复杂产品装配数据管理和追溯方法，对工艺数据和演变过程进行集成管理。周石恩[16]提出一种融合多层次信息的数字孪生装配模型表达方法。孙惠斌等[17]研究了数字孪生驱动的航空发动机装配技术。胡兴等[18]构建了面向复杂产品装配过程管控的数字孪生模型，实现了装配过程实时管控。Sun等[19]提出一种基于数字孪生装调的高精度伺服阀性能预测方法，实现了装配性能准确预测和调试决策快速迭代。Yan等[20]提出一种数字孪生驱动的生产线变型设计方法，以智能手机装配线为例验证了方法的可行性。

综上所述，虽然产品装配工艺模型构建研究取得了丰富成果，但还存在以下不足：以工艺设计信息表达与管理为主，物理装配数据缺乏高效组织，工艺模型写实性有待继续提高；装配工艺信息组织离散，各过程关联性较低。因此，本文提出一种工艺节点流驱动的装配工艺孪生模型。该模型引入节点流概念，将用于指导物理装配的原理模型和真实映射物理装配精度的状态模型与工艺流统一关联，保证信息集成、写实建模的同时实现对工艺信息结构化组织管理。

2 装配工艺孪生模型

智能制造模式下，基于产品设计模型的工艺建模难以满足装配过程工艺信息组织管理集成化、动态化、敏捷化的要求。因此，引入物理装配因素构建一个真实映射装配过程的工艺模型，进一步保证装配精度，实现高质量装配。在融合多源工艺数据的基础上，构建信息组织与管理的载体，提出装配工艺孪生模型的具体结构，如图1所示。

图1 装配工艺孪生模型结构示意图Fig.1 Structure of assembly process twinning model

装配工艺孪生模型(assembly process twinning model,APTM)将物理装配数据与工艺设计信息有效集成，以装配工艺节点流为信息组织和管理的载体，描述产品由零件累计叠加的演变过程，反映真实装配精度，动态指导物理装配。

APTM结构包含装配原理模型、装配状态模型及关联的装配工艺节点流，其中装配原理模型描述装配设计信息，在装配过程中依据工艺反馈动态更新；装配状态模型描述物理装配真实精度状态，其引用装配设计信息构建生成。2个子模型以节点为单元，与节点流统一关联，实现装配工艺孪生建模。

2.1 装配原理模型

装配原理模型(assembly principle model,APM)指反映装配设计意图，用于指导物理装配的所有工艺数据集合。如图2所示，在工艺设计阶段，APM继承来自模型设计和工艺规划系统的数据，是基于三维数字模型的理想工艺模型；在工艺执行阶段，考虑到物理装配过程中存在的工艺偏差等问题，需进行相应工艺更改，该阶段APM引用实际执行的工艺实例构建，从而动态指导物理装配。

图2 装配原理模型构建过程示意图Fig.2 Construction process of assembly principle model

APM模型表示为：

APM={ACM,API}

(1)

式中:ACM为装配结构模型;API为装配工艺模型。

2.1.1装配结构模型

装配结构模型以装配体设计几何结构为基础，包含完整装配关系信息，反映产品结构组成。表示为：

ACM={DGS,ACI}

(2)

式中:DGS为装配体设计几何结构，包括零部件组成、装配体几何尺寸和零件信息模型；ACI为装配关系信息，包括连接关系、配合关系、位置关系和相对运动关系等。

零件信息模型分为零件信息和装配特征信息，是面向装配活动的区域及其相关信息的集合[21]。在物理装配过程中，为避免基于MBD的零件设计信息无差别引用导致数据量过大、数据冗余等问题，只考虑零件实际参与装配的特征。图3为轴孔装配中的零件信息模型示意图。

图3 零件信息模型示意图Fig.3 Part information model

装配关系中，连接关系反映零件中各功能件连接方式，包括紧固连接和配合连接。配合关系用来表达配合连接中零件间基于特征的关联关系，如不同零件的平面重合、柱面轴线重合等，利用实体装配特征与辅助装配特征并行构建装配特征对的方法进行零件间配合关系的描述[21]。连接关系与配合关系是装配序列规划和装配工艺设计的主要依据。位置关系表达零件在装配体中的空间位置布局，采用位姿变换矩阵表达。相对运动关系描述装配体中存在约束关系的零部件之间在装配功能方向上的相对运动情况，如活塞在缸体内直线运动、轴在孔内的旋转运动等，它为装配路径规划提供了依据。各装配关系表达如表1所示。

表1 装配关系表达

2.1.2装配工艺模型

装配工艺模型是指导物理装配所需要的工艺信息的集合，包括工艺版本、工艺过程信息、零(部)件集合、装配关系、装配精度和物料资源等，装配工艺模型表示为：

(3)

式中:EID为工艺版本；PWIi为工序i的工艺过程信息，包括工序名称、内容等以及关联的工艺简图、说明等信息；PARi为工序i涉及的零部件集合；ARIi为工序i涉及的配合关系；GDIi为工序i需保证的装配精度，包括尺寸精度和形位精度；AMRi为工序i涉及的物料资源，包括工装、设备工具和辅料等。

2.2装配状态模型

装配状态模型(assembly state model,ASM)指以关键装配特征为基础，通过与装配特征对应关联的质量特性参数在虚拟空间中真实映射物理装配体尺寸、形位精度，反映和记录物理装配质量的模型。ASM表示为：

ASM={AGM,kAFP,QCP}

(4)

式中:AGM为装配体几何模型，反映装配工艺执行后生成装配体的结构组成，是包含真实配合关系的装配体结构。kAFP为影响装配质量的关键装配特征对集，描述零件间关键的装配约束关系。QCP是与关键装配特征关联的质量特性参数集合，表示为：

QCP={GE1,GE2,PT,PV}

(5)

式中：GE1,GE2为质量特性参数关联的几何元素，如轴孔装配以同轴度作为质量特性参数时，关联的轴外圆柱面和孔内圆柱面。PT为参数类型，包括尺寸参数(如装配间隙)和形位参数(如垂直度)。PV为参数的实测值。图4所示为某轴系齿轮装配ASM构建过程。

图4 装配状态模型构建过程示意图Fig.4 Construction process of assembly state model

3 装配工艺节点流生成

产品装配工艺活动具有典型的工作流结构特点，引入工作流技术对装配工艺信息组织管理，以工艺节点为单元描述工艺信息，能够准确刻画装配动态演变过程，同时清晰描述装配工艺活动中各中间过程工艺设计意图和最终技术状态。

3.1 基本概念

3.1.1装配工艺节点

装配工艺节点(process node,PN)是描述装配工艺活动的基本单元，其表达装配活动属性信息、工艺信息和偏差信息等，模型表示为：

PNi={C,APMi,ASMi,U}

(6)

式中:C为节点属性集合，包括节点名称、代号等，可根据需要更改集合内容；APMi为节点关联的原理模型；ASMi为节点关联的状态模型；U为节点引入的基于关键装配特征的装配偏差。

3.1.2装配工艺节点流

装配工艺节点流(assembly process node flow,APNF)是指根据工艺设计意图，将装配工艺节点按照一定的关联关系排列，反映装配精度及偏差由输入经中间过程传递到输出的动态过程的流模型结构，其模型表示为：

(7)

式中:PN={PNi|i=1,2,…，n},n∈Z+为装配工艺节点集合；Nr为节点间组织关系集合，其中Lr为逻辑关系，通过逻辑关系节点表达；Or={Rt,Num} 为顺序关系，其中Rt∈{0,1} 为关系类型(Rt=1为前驱/Rt=0为后继)，Num为顺序关系节点数量；Dc为关系判定规则；Att为节点流属性集合，其中Na为节点流代号；Ty为节点流类型，包括单线流和混合流；Le为节点流的层级，包括总装层和组部件层；prN为节点流关联的装配体结构树节点；VID为节点流版本标识符。

3.2节点间关联关系3.2.1顺序关系

顺序关系指各相邻两节点间先后顺序，其判定依据装配工艺设计给出的装配序列，按照序列规划信息判定各相邻两节点中前驱节点和后继节点，形成由前驱节点流向后继节点的顺序关系。

3.2.2逻辑关系

逻辑关系指考虑串并联、交换等逻辑的节点间顺序，逻辑关系节点包括分支节点、汇合节点和选择节点，其中分支节点表示存在若干并联后继节点，即并行执行的装配工艺；汇合节点表示存在若干并联前驱节点，即并行装配工艺执行后串行；选择节点表示节点顺序可交换。

APNF有工艺节点PNi,PNj∈PN,i,j∈[1,n]。节点间逻辑关系规则如下：

1) 若PNi,PNj可交换顺序执行，且执行后累积偏差相同，则PNi,PNj前插入选择节点。

2) 若∀PNi,Or={0，≤1}∩{1，≤1}，则节点流无分支节点和汇合节点，为单线节点流。

3.3 节点流动态构建

节点流动态构建是指依据节点间关联关系，以工艺节点为基础构建反映装配精度与偏差的装配工艺流模型过程，如图5所示。该过程以节点流触发和基于节点流的装配偏差传递为核心。

图5 节点流动态构建过程示意图Fig.5 Dynamic construction process of assembly process node flow

3.3.1节点流触发

节点流触发指按照节点间关联关系，依次执行节点所定义的工艺活动，节点间关联关系和节点启动、终止条件共同构成节点流触发条件。由3.1.1节装配工艺节点表示一个装配工艺活动，工艺活动执行需在上游工艺满足设计要求前提下启动，且执行后经检验同样满足相应要求后终止。因此，装配工艺节点启动和终止条件为节点工艺质量满足要求且获得物理装配工艺，前驱节点终止条件即为后继节点启动条件。具体的，一方面节点状态模型中装配体模型与三维设计模型一致，质量特性参数实测值在设计要求范围内；另一方面，节点原理模型引用物理工艺信息完成构建。

此外，节点间关联关系中主要考虑逻辑关系对各节点启动的影响。汇合节点后的工艺节点启动，需所有前驱节点均满足终止条件，即所有并行工艺全部满足设计要求后执行串行；分支节点后的工艺节点启动，其前驱节点满足终止条件后所有后继节点即同时启动。例如，图5中PN4启动需前驱节点PN2,PN3均满足终止条件；当PN1满足终止条件后，PN2,PN3,PN5或PN2,PN3,PN6同时启动(存在选择节点)。

3.3.2节点偏差引入与传递

节点流触发时，由于物理环境随机扰动，工艺节点将引入装配偏差，并随装配工艺流动方向不断传递并累积叠加，最终影响装配质量。装配偏差的传递累积与节点间关联关系密切相关，总体上，装配偏差按照顺序关系由前驱节点向后继节点传递。考虑逻辑关系中分支与汇合节点，装配偏差传递方式如下：

1) 分支节点

分支关系中前驱节点累积误差传递至所有后继节点，即所有下游并行装配工序均包含前驱节点误差，详述如下：

(8)

2) 汇合节点

汇合关系中所有前驱节点累积误差均传递至后继节点，即下游装配工序包含所有前驱节点误差，详述如下：

设节点PNi有若干前驱节点，其前驱节点集合则节点PNi工艺执行完成后，同类型的装配体偏差累积状态量为：

(9)

4 基于节点流的APTM构建

4.1 数据输入

基于数据在虚拟空间中对物理装配精度真实映射，是APTM构建的重要步骤，而数据输入则是映射的前提。APTM通过关键装配特征对应质量特性参数反映真实装配精度，因此将数据输入嵌入装配工艺节点，与对应装配活动一一关联，为装配精度映射提供数据支持，如图6所示。

物理装配活动数据首先通过传感器、坐标测量仪等硬件设备和相关软件系统获取后，进行过滤、清洗等数据预处理，利用可扩展标记语言(extensible markup language,XML)统一建模后，通过OPC-UA标准通讯协议上传至虚拟装配工艺系统，也可通过系统接口进行二次开发，实现从其他系统间接输入。

图6 物理装配数据输入过程示意图Fig.6 Process of physical assembly data input

4.2 节点信息关联

基于节点流将工艺信息与对应节点关联是APTM构建的关键。装配节点包含指导物理装配的工艺设计信息，又融合了工艺执行后的真实精度数据，因此其节点信息关联以工艺阶段为主线包括APM构建关联、ASM构建关联和APM重构关联三个阶段，可表示为：

As(PN)=∑{M(Ti,r)|PNi},PNi∈PN,

Ti∈{APMi,ASMi}

(10)

式中:As(PN)表示整个节点流节点信息关联过程；M(Ti,r)|PNi表示目标节点PNi的信息关联过程M(Ti,r)；Ti表示关联信息源；r表示关联关系。

信息关联过程详述如下：① 获取设计系统的工艺及模型设计信息，以工序/工步为基本单元构建工序APMi作为关联数据来源，与目标工艺节点关联；② 工艺节点定义的装配工艺活动完成后，生成对应装配体模型，并输入间隙、位置精度和尺寸形状等数据进一步得到工序ASMi，与目标节点关联；③ 若后续存在工艺更改，获取实际执行的物理工艺替换设计阶段基于理论三维模型的工艺数据完成工序APMi重构，并与目标节点关联。

4.3 APTM建模

APNF为装配工艺信息组织与管理提供了涵盖全流程的数据载体，APM与ASM则将全要素装配信息有效组织并统一建模，为集成工艺设计信息与物理装配数据的APTM构建提供了信息基础。从装配初始阶段，按照预规划装配工艺构建APMi进行物理装配，通过物理装配数据输入，生成装配完成后反映真实精度的ASMi，随装配进程模型不断交互，驱动APMi持续更新、修正和完善。借助装配工艺节点流APNF，通过生成信息与节点之间关联映射关系As(PN)，以节点为单元组织装配过程，信息模型随节点流向交互迭代直至完成整个装配并最终形成描述装配体由零件累计叠加的演变过程，反映真实装配精度与偏差的APTM。基于上述过程，APTM建模可表示为：

(11)

式中，n为装配工艺节点个数。

4.4 APTM构建智能算法

基于以上理论，为实现基于节点流的APTM完整建模，构建APTM构建智能算法，实现装配设计信息与工艺执行信息的有效集成和结构化组织管理与应用，具体流程如图 7 所示。

图7 APTM构建智能算法流程框图Fig.7 Flow chart of APTM constructed by intelligent algorithm

Step 1：通过装配工艺设计系统，获取工艺设计与模型设计信息，为模型构建提供信息基础。

Step 2：根据2.1节模型结构，提取零部件及其特征信息生成ACM，组织工艺设计信息生成API，集成装配结构模型和装配工艺模型构建APMi。

Step 3：由3.2节所提节点间组织关系，依据装配序列信息对工艺节点进行排列组织，确定工艺节点流基本流向。

Step 4：按照节点流向获取节点PNi，根据4.2节信息关联方法，将设计工艺信息与目标工艺节点关联，即M(Ti,r)|PNi,Ti={APMi}，并指导物理装配。

Step 5：节点装配工艺执行后，由2.2节遍历装配体结构树生成当前节点AGM。依据4.1节输入物理装配数据QCP，基于装配体模型构建当前节点对应ASMi。

Step 6：依据真实装配精度进行装配质量评价，判断是否更改工艺，若更改则转置Step 2，替换工艺设计信息重构APMi，否则转置Step 7。

Step 7：输出当前节点引入的装配偏差U。

Step 8：根据4.2节信息关联方法，将节点物理装配工艺信息与目标工艺节点关联，即M(Ti,r)|PNi,Ti={ASMi}。

Step 9：判断当前获取的节点是否为节点流最后一个节点，若是转置Step 10，否则转置Step 4继续获取节点。

Step 10：输出节点流综合装配偏差，模型构建结束。

5 实例验证

以单缸发动机装配体为例，应用所提工艺孪生模型进行装配工艺信息组织和管理，验证模型的可行性。图8为单缸发动机装配体爆炸图，其主要功能件包括机体、机座、轴承、活塞、连杆和曲轴等，连接件包括销轴、螺栓、螺母和垫片等。在实际装配阶段，需要先分别将A1组装形成曲轴总成，A2组装形成活塞连杆总成，A3组装形成汽化器总成，再进一步进行装配活动。

P1-调整螺母；P2-夹紧盘；P3-驱动盘；P4-轴承垫片；P5-机体；P6-端盖垫片；P7-端盖；P8-螺钉M3×4；P9-侧出口堵销；P10-活塞衬套；P11-缸盖垫片；P12-缸盖；P13-螺钉M3×6；A1-曲轴总成：P101-轴承1；P102-轴承2；P103-曲轴；P14-半圆键.A2-活塞连杆总成：P21-连杆；P22-活塞；P23-销轴；P24-销轴挡圈×2；P25-活塞环×2.A3-汽化器总成：P31-紧固螺钉；P32-节流阀支架；P33-汽化器；P34-针型阀；P35-燃料入管

本文基于Visual Studio 2012、UG/Open和NX/Open二次开发技术，在NX 10.0的平台上开发原型系统“装配工艺孪生系统”，系统包括两大模块，分别为工艺节点流和工艺孪生模型，下文主要以单缸发动机总装工艺验证系统各模块的功能。

5.1 工艺节点流生成

如图9所示为装配工艺节点流生成模块，包括节点流结构及其类型、层级等属性信息。在单缸发动机总装工艺中，首先将汽化器总成、曲轴总成装入机体，再装入活塞连杆总成及其他零件，因此其节点流包含分支节点、汇合节点等，为混合节点流。

图9 装配工艺节点流生成模块界面Fig.9 Interface of assembly process node flow generation

该工艺系统中，“-”表示分支节点，“+”表示汇合节点，“/”表示选择节点，括号内为存在逻辑关系的节点及其关联关系，顺序关系由“_”表示，“”为节点流结束符。单缸发动机装配工艺节点流构建信息如表2所示，表中末尾栏“节点流对应装配序列”按照“节点及关联关系”栏表达方法，给出对应工艺节点装配的零部件，描述节点流对应装配序列信息。特别的，装配序列中起始基体零件无对应工艺节点。

表2 装配工艺节点流构建信息

5.2 APM和ASM模型构建

APM、ASM是基于节点流构建的APTM的重要组成部分。下文以节点HS0.1为例验证模型构建过程，HS0.1定义的工艺活动为活塞连杆总成装入气缸。图10中节点HS0.1装配体结构模型模块以装配体几何结构树为载体，将零件设计信息与结构树零件节点关联，将装配关系信息与组部件节点关联，通过子菜单形式查看零件信息、装配体尺寸和装配关系信息等。以活塞连杆组为例，可查看其装配尺寸及装配关系，也可查看活塞预览及活塞特征信息，包括其ID、定位自由度、实体特征等。

图10 装配结构模型构建界面Fig.10 Interface of building assembly structure model

图11所示为该节点装配工艺模型模块，包括信息版本及工艺信息内容。输入版本ID号可检索历史工艺信息，实现工艺设计回溯。工艺信息内容包括所构建的原理模型中API的所有数据，通过文本、动画和图片等多种可视化方式描述，用于指导物理装配。若出现工艺更改，将同步进行版本更新。

图11 装配工艺模型模块界面Fig.11 Interface of assembly process model module

图12所示为状态模型构建及偏差分析模块。节点HS0.1将活塞连杆总成装入气缸，其关键配合约束为活塞与活塞衬套同轴配合，保证活塞壁与衬套内壁配合间隙符合要求。间隙过大会导致密封性能下降，间隙过小易产生运动卡阻甚至拉缸现象。节点工艺执行后，遍历装配体结构树，生成节点对应装配体几何模型。输入实测尺寸、形位数据，通过关键装配特征关联的质量特性参数生成状态模型。模型构建后，通过将实测数据与理论数据对比分析输出装配偏差，并依据节点间组织关系计算得到累积装配偏差。节点HS0.1装配状态模型表示如下：

ASMHS0.1={(AGMHS0.1),(PF10-1,PF22-1,同轴),

(GE10-1,GE22-1,间隙,0.026)}

(12)

式中：AGMHS0.1为节点HS0.1装配体几何模型；PF10-1为活塞衬套孔特征；PF22-1为活塞轴特征；GE10-1为活塞衬套内壁圆柱面；GE22-1为活塞外壁圆柱面。

图12 装配状态模型构建及偏差分析界面Fig.12 Interface of building assembly state model and analyzing deviation

5.3 节点流驱动的APTM生成

由ASMHS0.1分析得知，节点HS0.1执行后装配精度满足设计要求，无需进行工艺更改。此外，节点HS0.1满足节点终止条件，下游节点可启动。

在执行活塞连杆总成装配过程中，将所有工艺设计信息与目标节点HS0.1关联，形成独立的信息模块，节点代号作为该模块唯一标识符，用于检索所有活塞连杆总成装配相关工艺信息，实现工艺设计信息关联。将ASMHS0.1与设计信息融合，完善节点HS0.1信息模块内容，完成物理装配信息关联。此时，节点HS0.1包含指导物理装配的工艺设计信息，又融合了工艺执行后的真实精度数据，且可通过标识符快速检索读取与回溯，该节点模型构建完毕。

按照节点流向，依次获取工艺节点，基于4.4节APTM构建智能算法，执行各节点工艺活动完成信息组织与建模,直至完成整个单缸发动机装配并最终形成基于节点流的APTM，单缸发动机装配全流程工艺信息可在该系统中以工艺节点为单元准确快速获取。