唐文獻(xiàn) 武鋒鋒 武 甜

（①太原理工大學(xué)機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院，山西 太原 030024；②太原理大學(xué)航空航天學(xué)院，山西 晉中 030600）

航空整體加強(qiáng)框具備大尺寸超薄整體化結(jié)構(gòu)特征，其加工工藝性差、加工難度大，加工后的變形量難以控制[1]。而在飛機(jī)機(jī)身部件裝配中，整體加強(qiáng)框由制造差異和半強(qiáng)迫定位方式造成的裝配定位應(yīng)力水平難以在傳統(tǒng)靜態(tài)裝配定位工藝方案規(guī)劃時(shí)預(yù)估，過大或不均布的裝配應(yīng)力在機(jī)身部件下架后會(huì)有一部分釋放。釋放的裝配應(yīng)力最終會(huì)導(dǎo)致機(jī)身部件幾何形狀出現(xiàn)偏差，未釋放的殘余應(yīng)力會(huì)影響機(jī)體的力學(xué)性能[2]。根據(jù)實(shí)際操作現(xiàn)狀，通過有效的分析和優(yōu)化手段，實(shí)現(xiàn)裝配現(xiàn)場(chǎng)工位實(shí)體和工藝信息之間的實(shí)時(shí)互動(dòng)調(diào)整可以兼顧裝配位置精度和裝配應(yīng)力水平的裝配定位要求。

陳文亮等[3]結(jié)合力和位置反饋信息，推導(dǎo)了調(diào)姿系統(tǒng)中測(cè)力傳感器和壁板重力及調(diào)姿內(nèi)力之間的映射關(guān)系，將調(diào)姿內(nèi)力轉(zhuǎn)化為位置修正，控制調(diào)姿機(jī)構(gòu)調(diào)整，提高了中機(jī)身壁板裝配調(diào)姿精度。Jonsson M、Stolt A[4-5]等基于實(shí)體系統(tǒng)反饋的力和扭矩信息，通過優(yōu)化接觸點(diǎn)與接觸力，驅(qū)動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)了翼肋的精確定位。為了進(jìn)一步強(qiáng)化裝配現(xiàn)場(chǎng)和各類信息間的深度融合，助力現(xiàn)場(chǎng)裝配過程實(shí)時(shí)管控優(yōu)化，將數(shù)字孿生技術(shù)引入航空整體加強(qiáng)框裝配定位是可行的。

數(shù)字孿生能夠通過多維虛擬模型、孿生融合數(shù)據(jù)雙驅(qū)動(dòng)和虛實(shí)共生交互機(jī)制，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)、評(píng)估、預(yù)測(cè)、優(yōu)化及控制等功能。孫惠斌等[6]針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)裝配過程，分析了基于數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)的操作引導(dǎo)、間隙控制、狀態(tài)控制等關(guān)鍵技術(shù)，提高了一次裝配成功率和質(zhì)量性能的一致性。本文針對(duì)航空整體加強(qiáng)框數(shù)字化柔性裝配定位特點(diǎn)，構(gòu)建基于數(shù)字孿生的航空整體加強(qiáng)框裝配定位系統(tǒng)?；谘b配進(jìn)度對(duì)應(yīng)工藝編號(hào)、航空整體加強(qiáng)框裝配定位現(xiàn)場(chǎng)實(shí)體的狀態(tài)信息創(chuàng)建數(shù)字孿生模型，將接觸力和監(jiān)測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)作為反饋信號(hào)，通過ANSYS和Unity3D軟件耦合分析，對(duì)微調(diào)量進(jìn)行演算，監(jiān)控柔性工裝末端定位器微調(diào)，實(shí)現(xiàn)裝配現(xiàn)場(chǎng)定位過程的實(shí)時(shí)管控優(yōu)化。

1 裝配定位系統(tǒng)總體框架

航空整體加強(qiáng)框一般采用半強(qiáng)迫定位方式，將柔性工裝調(diào)型到位，然后根據(jù)工藝進(jìn)度依次選擇待裝配的加強(qiáng)框采用孔系定位[7]?；谡w加強(qiáng)框自有定位孔系，固定各定位孔平面內(nèi)位置坐標(biāo)后，按照“定1調(diào)N-1”原則，保證1個(gè)定位孔的航向位置坐標(biāo)，確定整體加強(qiáng)框站位，以裝配定位公差極限為閾值，調(diào)整剩余N-1個(gè)定位孔航向位置坐標(biāo)，最終獲得兼顧平面度和裝配應(yīng)力水平的裝配定位質(zhì)量。

航空整體加強(qiáng)框裝配定位系統(tǒng)包含的數(shù)字孿生部分可以理解為裝配定位工位的動(dòng)態(tài)虛擬映射，如圖1所示。首先，利用數(shù)字孿生技術(shù)，依靠有限元軟件建立現(xiàn)場(chǎng)定位對(duì)象的力學(xué)模型，基于反饋的定位孔處接觸力和監(jiān)測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)信息，分析、評(píng)價(jià)、預(yù)測(cè)定位質(zhì)量，優(yōu)化柔性工裝末端定位器微調(diào)量。然后，借助Unity3D軟件，建立裝配定位過程中涉及硬件的虛擬樣機(jī)模型，對(duì)裝配定位過程進(jìn)行虛擬監(jiān)測(cè)，對(duì)有限元優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行演示。最后，通過控制中心傳輸指令驅(qū)動(dòng)柔性工裝進(jìn)行調(diào)整。

圖1 系統(tǒng)框架圖

2 數(shù)字孿生模型構(gòu)建

數(shù)字孿生模型是對(duì)航空整體加強(qiáng)框裝配定位過程中涉及的柔性工裝、定位對(duì)象和數(shù)字化測(cè)量設(shè)備的實(shí)體、狀態(tài)和行為的數(shù)字化表示。

2.1 力學(xué)模型建立

力學(xué)模型的分析對(duì)象為正在裝配定位的整體加強(qiáng)框，建立主要目的是通過實(shí)體系統(tǒng)反饋的整體加強(qiáng)框與柔性工裝定位器接觸點(diǎn)─整體加強(qiáng)框定位孔處的接觸力和監(jiān)測(cè)點(diǎn)─整體加強(qiáng)框加工過程中用到的定位孔與支撐孔的航向坐標(biāo)值，來評(píng)價(jià)整體加強(qiáng)框的站位、平面度和應(yīng)力水平，預(yù)測(cè)定位質(zhì)量，控制柔性工裝定位器施加力載荷的微調(diào)量。

根據(jù)裝配進(jìn)度確認(rèn)進(jìn)度對(duì)應(yīng)的工藝編號(hào)，從全三維設(shè)計(jì)數(shù)模中提取正在裝配定位整體強(qiáng)框的CAD數(shù)模，獲取其材料信息。將提取到的整體加強(qiáng)框三維CAD數(shù)模導(dǎo)入ANSYS軟件平臺(tái)，為其添加材料信息，按裝配定位現(xiàn)場(chǎng)反饋的接觸力和航向坐標(biāo)值添加約束條件和載荷。

首先，將數(shù)字化測(cè)量設(shè)備反饋的各定位孔處航向坐標(biāo)值xkl（k為裝配定位的第k個(gè)整體加強(qiáng)框，l為第k個(gè)整體加強(qiáng)框上的第l個(gè)接觸點(diǎn)）與前一個(gè)定位的第k-1個(gè)整體加強(qiáng)框平均航向坐標(biāo)值做差，差值最接近理論值的第m個(gè)接觸點(diǎn)處確定為固定約束點(diǎn)；然后，基于ANSYS在第xkl（l≠m）個(gè)接觸點(diǎn)處施加單位位移（0.1 mm），獲得第i（i≠m）個(gè)接觸點(diǎn)處載荷值Kkli，所有變形量組成列向量Kkl；接著，將數(shù)字化測(cè)量設(shè)備反饋的第i（i≠m）個(gè)接觸點(diǎn)處載荷值Pkli，整體應(yīng)力水平可等效由裝配定位力載荷值之和評(píng)價(jià)[8]：

式中：n為第k個(gè)整體加強(qiáng)框接觸點(diǎn)總數(shù)；ykl為第k個(gè)整體加強(qiáng)框上第l個(gè)接觸點(diǎn)處調(diào)整量大小。

接著，將數(shù)字化測(cè)量設(shè)備反饋的第i個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)處航向坐標(biāo)值xki與xkm作 差，裝配定位的位置精度評(píng)價(jià)指標(biāo)為

式中：q為第k個(gè)整體加強(qiáng)框監(jiān)測(cè)點(diǎn)總數(shù)。兼顧裝配位置精度和裝配應(yīng)力水平，量化的裝配定位質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)為

式中： α、 β為加權(quán)系數(shù)。

當(dāng)s值最小時(shí)，求得的各ykl為第k個(gè)整體加強(qiáng)框上第l個(gè)接觸點(diǎn)處調(diào)整量大小。

2.2 虛擬樣機(jī)模型

基于裝配進(jìn)度確認(rèn)已完成裝配定位的機(jī)身骨架零組件，從全三維設(shè)計(jì)數(shù)模中提取其CAD數(shù)模并作合并為1個(gè)零件處理。將合并處理后的零件、現(xiàn)場(chǎng)裝配定位的加強(qiáng)框、柔性工裝和數(shù)字化測(cè)量設(shè)備的數(shù)模導(dǎo)入到3dMax軟件中，增強(qiáng)零件模型的質(zhì)感，輕量化處理模型，處理完畢的模型存儲(chǔ)為.FBX格式導(dǎo)入U(xiǎn)nity3D軟件建立航空整體加強(qiáng)框裝配定位實(shí)體對(duì)應(yīng)虛擬樣機(jī)模型[9]。利用裝配定位現(xiàn)場(chǎng)反饋的加強(qiáng)框定位孔航向坐標(biāo)值，確定柔性工裝定位器運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。虛擬樣機(jī)模型如圖2所示。

圖2 虛擬樣機(jī)模型

Unity3D軟件對(duì)整體加強(qiáng)框裝配定位過程的虛擬仿真主要體現(xiàn)在柔性工裝定位器的航向運(yùn)動(dòng)。Unity3D軟件自帶API程序讀取ANSYS軟件運(yùn)算后的調(diào)整量，通過控制中心驅(qū)動(dòng)柔性工裝定位器以點(diǎn)動(dòng)方式遠(yuǎn)離/接近整體加強(qiáng)框定位孔。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)接觸力和監(jiān)測(cè)點(diǎn)航向坐標(biāo)值，確保調(diào)整量在ANSYS軟件運(yùn)算結(jié)果范圍內(nèi)，且監(jiān)測(cè)點(diǎn)航向坐標(biāo)值滿足站位平面的航向坐標(biāo)差值不大于1 mm，公式為

當(dāng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)航向坐標(biāo)值已超出設(shè)計(jì)允許范圍，或者接觸力已經(jīng)滿足要求，再次將各定位孔處航向坐標(biāo)值和接觸力反饋至ANSYS軟件，進(jìn)一步迭代。

3 數(shù)據(jù)信息交互

航空整體加強(qiáng)框裝配定位現(xiàn)場(chǎng)實(shí)體與數(shù)字孿生模型間需要交互的數(shù)據(jù)包括坐標(biāo)信息、力載荷信息，數(shù)據(jù)類型不同、不同環(huán)節(jié)獲取與輸出方式不同，需要統(tǒng)一的數(shù)據(jù)采集與傳輸方案，避免造成系統(tǒng)“數(shù)據(jù)信息孤島”，影響系統(tǒng)交互性、可靠性[10]。

數(shù)字孿生模型所需位置坐標(biāo)信息一般通過激光跟蹤儀等成熟數(shù)字化測(cè)量設(shè)備獲取，通過配備的專用數(shù)據(jù)導(dǎo)出工具導(dǎo)出為.TXT格式文件，借助控制中心讀取并傳至ANSYS軟件平臺(tái)和Unity3D軟件平臺(tái)驅(qū)動(dòng)數(shù)字孿生模型。數(shù)字孿生模型所需接觸力信息一般借助力傳感器進(jìn)行采集，控制中心通過Visual Studio 2015 軟件開發(fā)的程序訪問力傳感器的PLC，獲取接觸點(diǎn)載荷信息傳至ANSYS軟件平臺(tái)驅(qū)動(dòng)力學(xué)模型，同時(shí)供Unity3D軟件平臺(tái)提取用于監(jiān)控柔性工裝定位器微調(diào)過程[11]。

柔性工裝定位器由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，每次按一固定調(diào)整量進(jìn)行調(diào)整。該固定調(diào)整量根據(jù)設(shè)計(jì)允許站位平面的航向坐標(biāo)最大差值、力傳感器分辨率和電機(jī)運(yùn)動(dòng)精度等確定，微調(diào)距離取0.1 mm。Unity3D根據(jù)ANSYS軟件運(yùn)算后獲得的調(diào)整量及現(xiàn)場(chǎng)反饋的接觸力和加強(qiáng)框定位孔航向坐標(biāo)值，判斷是否需要繼續(xù)調(diào)整的指令，傳遞至控制中心?？刂浦行幕谠撝噶钌呻姍C(jī)PLC所需代碼，控制電機(jī)帶動(dòng)柔性工裝定位器完成微調(diào)運(yùn)動(dòng)。

4 實(shí)例驗(yàn)證

針對(duì)上述對(duì)基于數(shù)字孿生的航空整體加強(qiáng)框裝配定位方法的研究，基于 Visual Studio 2015、MySQL技術(shù)開發(fā)了客戶端-服務(wù)器模式（Client/Server，C/S）的基于數(shù)字孿生的航空整體加強(qiáng)框裝配定位系統(tǒng)，如圖3所示，客戶端-服務(wù)器安裝在同一計(jì)算機(jī)上完成數(shù)據(jù)信息交互功能。

圖3 數(shù)字孿生的航空整體加強(qiáng)框裝配定位系統(tǒng)示意圖

基于數(shù)字孿生的航空整體加強(qiáng)框裝配定位系統(tǒng)包括4個(gè)模塊：數(shù)據(jù)管理模塊、功能服務(wù)、通訊模塊和功能顯示模塊。數(shù)據(jù)管理模塊用于查看系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中存儲(chǔ)的用戶及授權(quán)、定位工藝仿真與文檔、定位對(duì)象二維和三維數(shù)模、設(shè)備三維數(shù)模及相關(guān)參數(shù)等；功能模塊用于維護(hù)數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)，監(jiān)控定位過程；通訊模塊用于測(cè)試、連接各模塊、軟硬件，保障虛實(shí)交互的順暢性；功能顯示模塊用于顯示目前操作過程涉及的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、虛擬樣機(jī)、虛擬仿真、力學(xué)仿真及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)體反饋的監(jiān)測(cè)點(diǎn)航向坐標(biāo)、接觸力載荷值。目前，該系統(tǒng)以一縮比半框試驗(yàn)件為定位對(duì)象，在本課題組搭建的航空整體加強(qiáng)框自適應(yīng)定位試驗(yàn)平臺(tái)上得到試運(yùn)行，效果良好，定位現(xiàn)場(chǎng)實(shí)物圖如圖4所示。

圖4 定位現(xiàn)場(chǎng)示意圖

虛擬樣機(jī)接收力學(xué)仿真結(jié)果，根據(jù)實(shí)體反饋的坐標(biāo)數(shù)據(jù)和力載荷信息，控制監(jiān)控柔性工裝定位器的運(yùn)動(dòng)，系統(tǒng)界面顯示如圖5和圖6所示。

圖5 定位系統(tǒng)主界面

圖6 定位過程監(jiān)控界面

以航空整體加強(qiáng)框定位后航向坐標(biāo)偏差出現(xiàn)外緣，當(dāng) α =1， β =0時(shí)，出現(xiàn)的最大值為0.534 mm，調(diào)整前后裝配力載荷值和試驗(yàn)加測(cè)的5個(gè)支撐孔處應(yīng)力平均值如表1所示，表明該種條件下，本方案可較強(qiáng)迫定位方式的定位質(zhì)量提升19.28%。

表1 調(diào)整前后定位質(zhì)量表

5 結(jié)語

針對(duì)數(shù)字孿生技術(shù)在航空整體加強(qiáng)框數(shù)字化柔性裝配定位過程中的應(yīng)用開展了相關(guān)研究，提出了基于數(shù)字孿生的航空整體加強(qiáng)框裝配定位方法。基于ANSYS和Unity3D軟件創(chuàng)建了實(shí)體對(duì)象的力學(xué)模型和虛擬樣機(jī)模型，通過分析實(shí)體反饋信息實(shí)現(xiàn)了航空整體加強(qiáng)框狀態(tài)的優(yōu)化、監(jiān)控。以一縮比半框試驗(yàn)件為裝配定位對(duì)象，基于本課題組搭建的航空整體加強(qiáng)框自適應(yīng)定位試驗(yàn)平臺(tái)，運(yùn)行了開發(fā)的數(shù)字孿生的航空整體加強(qiáng)框裝配定位系統(tǒng)，驗(yàn)證了方法的可行性，通過實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)體、力學(xué)模型、虛擬樣機(jī)模型以及三者之間的數(shù)據(jù)信息交互搭建的數(shù)字孿生系統(tǒng)，能夠較強(qiáng)迫定位方式將定位質(zhì)量提升了19.28%，為航空整體加強(qiáng)框裝配定位過程的實(shí)時(shí)管控提供了一種有效途徑。