郭飛燕，肖慶東，李 浩，鄭璐晗，張 碩

（1. 北京科技大學(xué)，北京 100083；2. 中國航空制造技術(shù)研究院，北京 100024；3. 北京星航機(jī)電裝備有限公司，北京 100074）

航空輕質(zhì)薄壁結(jié)構(gòu)的裝配過程涉及設(shè)計、零部件制造、裝配工藝規(guī)劃、工裝定位、制孔連接、測量與檢驗(yàn)等復(fù)雜工序環(huán)節(jié)，在型號研制中占據(jù)50%以上的工作量。其裝配質(zhì)量控制面臨以下難點(diǎn)：零件數(shù)量多、尺寸大、剛度弱、氣動外形要求高（需光順流線）；裝配流程長，誤差環(huán)節(jié)多且傳遞路徑復(fù)雜；相配套的裝配工藝裝備種類多，且工裝精度通常是產(chǎn)品零部件精度的3~5倍；無法簡單地采用公差配合制度保證裝配要求，需要復(fù)雜而完善的互換協(xié)調(diào)理論支持[1]。傳統(tǒng)及現(xiàn)行以幾何量控制為主的裝配理論與方法具有以下典型特點(diǎn)。

（1）強(qiáng)調(diào)“控形”，以裝配體幾何尺寸精度控制為核心。

（2）需要預(yù)先制造出大量的實(shí)物樣機(jī)輔助裝配，在物理模型的基礎(chǔ)上對產(chǎn)品的裝配工藝進(jìn)行分析與評測，裝配驗(yàn)證環(huán)境復(fù)雜且驗(yàn)證次數(shù)多。

（3）屬開環(huán)無反饋的裝配系統(tǒng)，裝配質(zhì)量保障靠工藝補(bǔ)償措施及操作者能力。

為減少采用實(shí)物樣機(jī)輔助裝配時存在的“被動修配控形”裝配質(zhì)量控制難題，虛擬裝配技術(shù)[2–5]與數(shù)字樣機(jī)技術(shù)[6–9]在裝配工藝設(shè)計及裝配質(zhì)量保障方面得到了發(fā)展應(yīng)用。虛擬裝配技術(shù)主要采用計算機(jī)建模、仿真和智能算法等手段對產(chǎn)品裝配過程進(jìn)行模擬設(shè)計，在建立的虛擬環(huán)境中對裝配工藝過程進(jìn)行調(diào)整、測試與評價，從而得出滿意的裝配方案。數(shù)字樣機(jī)是對機(jī)械產(chǎn)品整機(jī)或具有獨(dú)立功能子系統(tǒng)的數(shù)字化描述，這種描述不僅反映了產(chǎn)品對象的幾何屬性，還至少在某一領(lǐng)域反映了產(chǎn)品對象的功能和性能。在飛機(jī)裝配工藝的評估與優(yōu)化中，數(shù)字樣機(jī)技術(shù)是以產(chǎn)品CAX/DFX技術(shù)為基礎(chǔ)，從計算機(jī)圖形學(xué)角度出發(fā)，在虛擬環(huán)境中建立描述產(chǎn)品各種設(shè)計屬性的數(shù)字模型，可對產(chǎn)品模型制造、使用、維護(hù)等過程進(jìn)行分析，進(jìn)而對其進(jìn)行設(shè)計優(yōu)化。產(chǎn)品的數(shù)字樣機(jī)設(shè)計模型通常包含詳細(xì)的產(chǎn)品零部件細(xì)節(jié)特征和準(zhǔn)確的尺寸參數(shù)，并且定義了完整的裝配關(guān)系和運(yùn)動副關(guān)系，甚至還會包含零件材料屬性、制造工藝參數(shù)等內(nèi)容。這種產(chǎn)品數(shù)字化研發(fā)技術(shù)在一定程度上可以取代設(shè)計過程中的物理模型，且同物理樣機(jī)一樣可以展示產(chǎn)品的外觀、結(jié)構(gòu)、功能、性能和行為等特性[10]。此外，為在數(shù)字化產(chǎn)品創(chuàng)建早期豐富數(shù)字樣機(jī)DMU的功能和行為，空客提出“functional DMU”（功能性的DMU）。FDMU以DMU為載體，提取部組件并賦予物理意義，支撐需求與功能分析、系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計與綜合性能仿真等工作。此外，為控制裝配誤差并實(shí)現(xiàn)裝配協(xié)調(diào)信息在裝配過程中的連續(xù)傳遞，研究者相繼提出了協(xié)調(diào)模型、裝配工藝樣機(jī)等概念。Guo等[11]將協(xié)調(diào)模型定義為由協(xié)調(diào)要素、協(xié)調(diào)關(guān)系與協(xié)調(diào)方法組成的一種工藝模型，其關(guān)鍵要素為各類坐標(biāo)系統(tǒng)、設(shè)計/工藝基準(zhǔn)系統(tǒng)及約束關(guān)系等協(xié)調(diào)信息，通過數(shù)字量協(xié)調(diào)信息的精確傳遞，對比分析檢測結(jié)果與協(xié)調(diào)模型中的精度要求，對加工、成形、定位、裝配等工藝過程及協(xié)調(diào)模型中的協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)進(jìn)行反饋調(diào)整，以滿足協(xié)調(diào)要求。靳江艷[12]將裝配工藝樣機(jī)定位為以產(chǎn)品三維模型為載體，以裝配工藝結(jié)構(gòu)為主模型，對其他如基準(zhǔn)、協(xié)調(diào)特征、工裝設(shè)計依據(jù)以及附加工藝特征等工藝信息的幾何信息、三維標(biāo)注信息和工藝屬性進(jìn)行結(jié)構(gòu)化定義和表示。邱世廣等[13]針對當(dāng)前制造工藝協(xié)調(diào)信息表達(dá)方法嚴(yán)重滯后，協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)分散、一致性差以及傳遞效率低，設(shè)計更改響應(yīng)不及時的現(xiàn)狀，構(gòu)建基于模型定義的飛機(jī)工藝數(shù)字樣機(jī)體系，實(shí)現(xiàn)以三維模型為核心的飛機(jī)數(shù)字化工藝設(shè)計和制造模式。但是上述手段普遍以產(chǎn)品理想狀態(tài)進(jìn)行裝配精度的建模與仿真，對裝配現(xiàn)場時變工藝要素的控制弱，實(shí)用性較差，且無法從根源上提升裝配質(zhì)量。

隨著新一代信息與通信技術(shù)的發(fā)展，制造業(yè)生產(chǎn)方式的根本性改革正在加快，航空航天產(chǎn)品的裝配正在加速走向數(shù)字化與智能化時代。數(shù)字化建模仿真、數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)分析及試驗(yàn)測試技術(shù)的發(fā)展，為裝配難題的解決提供了新的思路和研究工具。結(jié)合裝配工藝過程，近年來發(fā)展的數(shù)字孿生技術(shù)適用于上述技術(shù)難題的解決，比如強(qiáng)調(diào)“以裝配結(jié)構(gòu)的物理性能控制為核心”[14–15]。戴晟等[10]針對數(shù)字化產(chǎn)品定義，從數(shù)字樣機(jī)到數(shù)字孿生的發(fā)展過程進(jìn)行綜述，并提出產(chǎn)品數(shù)字孿生的構(gòu)建是在虛擬空間中對物理實(shí)體的工作狀態(tài)和工作進(jìn)展開展全要素重建及數(shù)字化映射的過程；Grieves等[16]提出數(shù)字孿生的實(shí)質(zhì)是在整個系統(tǒng)生命周期內(nèi)與物理系統(tǒng)鏈接信息的“雙胞胎”，可加強(qiáng)復(fù)雜系統(tǒng)中的預(yù)測性；Schleich等[17]歸納了生產(chǎn)過程管理中的“Reference model”，認(rèn)為數(shù)字孿生具有互操作性、保真度、可伸縮性及可擴(kuò)展性；S?derberg等[18]從設(shè)計、生產(chǎn)前到生產(chǎn)中對產(chǎn)品物理幾何尺寸使用數(shù)字孿生方法進(jìn)行實(shí)時保證。在孿生模型構(gòu)建方面，有限元模型、異構(gòu)系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)交換模型、架構(gòu)參考模型、多物理場模型及全參數(shù)虛擬模型等已開展研究[19]。美國國防部仿真辦公室指出：“虛擬裝配樣機(jī)是與物理原型系統(tǒng)具有相似功能的系統(tǒng)，可替代物理樣機(jī)，對候選設(shè)計方案進(jìn)行仿真測試與和評估”[20]；Aromaa等[21]將虛擬樣機(jī)技術(shù)定義為虛擬現(xiàn)實(shí)和幾何/功能仿真的計算機(jī)模型；在非剛體裝配匹配和修配行為預(yù)測方面，Lindau等[22]指出物理驗(yàn)證向虛擬驗(yàn)證轉(zhuǎn)變所面臨的挑戰(zhàn)是幾何建模與計算效率。在國外，學(xué)者們側(cè)重研究數(shù)字孿生概念、產(chǎn)品使用維護(hù)以及工廠運(yùn)營[23]。在國內(nèi)，陶飛等[24–25]創(chuàng)造性地提出數(shù)字孿生五維模型，并與機(jī)床、衛(wèi)星、發(fā)動機(jī)等行業(yè)共同建立數(shù)字孿生標(biāo)準(zhǔn)體系架構(gòu)；劉檢華等[26–27]提出基于實(shí)時信息的航天產(chǎn)品生產(chǎn)車間三維可視化監(jiān)控方法，并針對裝配過程運(yùn)行狀態(tài)在線分析與預(yù)測難題，提出基于數(shù)字孿生的裝配過程管控方法；周成等[28]針對制造車間實(shí)時性差及模型缺乏的問題，在數(shù)字孿生五維模型[24]基礎(chǔ)上增加了前端展示功能，提出車間三維可視化監(jiān)控系統(tǒng)六維模型。但是在航空弱剛性薄壁結(jié)構(gòu)的裝配工藝方面，應(yīng)用數(shù)字孿生的技術(shù)難度較大，存在產(chǎn)品的低剛度特點(diǎn)造成易變形易損傷、裝配連接及定位約束關(guān)系復(fù)雜、裝配環(huán)節(jié)繁多、裝配過程動態(tài)變化、裝配幾何精度與裝配物理內(nèi)應(yīng)力的大小及分布狀態(tài)不確定性強(qiáng)等問題，難以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜航空異質(zhì)疊層結(jié)構(gòu)裝配的“形性協(xié)同控制”。郭飛燕等[29–30]提出裝配閉環(huán)協(xié)調(diào)控制工作模式與裝配質(zhì)量的主動實(shí)時控制技術(shù)體系，可指導(dǎo)裝配工藝優(yōu)化設(shè)計，但是仍未實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生的“虛實(shí)融合、以虛控實(shí)”功能。

綜上，針對實(shí)現(xiàn)低剛度航空薄壁結(jié)構(gòu)組件/部件高性能裝配缺少現(xiàn)場物理特性數(shù)據(jù)與模型基礎(chǔ)的問題，本文首先解釋了虛擬裝配樣機(jī)的技術(shù)內(nèi)涵及構(gòu)建技術(shù)框架，然后從多源異構(gòu)裝配數(shù)據(jù)采集與處理、多類別裝配孿生模型融合性建模、裝配樣機(jī)系統(tǒng)虛實(shí)融合同步性建模、裝配過程與裝配質(zhì)量狀態(tài)可視化建模4個關(guān)鍵方面闡述了融合現(xiàn)場物理特性約束的航空薄壁結(jié)構(gòu)虛擬裝配樣機(jī)構(gòu)建及實(shí)現(xiàn)技術(shù)，為裝配過程的擬實(shí)化仿真及裝配質(zhì)量的精準(zhǔn)控制提供數(shù)字及模型依據(jù)。

1 虛擬裝配樣機(jī)的技術(shù)內(nèi)涵

為實(shí)現(xiàn)航空薄壁結(jié)構(gòu)的高質(zhì)高效裝配，本文提出了融合現(xiàn)場物理特性約束的虛擬裝配樣機(jī)概念。虛擬裝配樣機(jī)是虛擬裝配技術(shù)與樣機(jī)技術(shù)的融合體，其本質(zhì)是產(chǎn)品及工裝的多層級數(shù)字孿生模型、裝配工序變遷流程及裝配操作信息的綜合體，也就是一個高度擬實(shí)化的數(shù)字孿生裝配系統(tǒng)。通過真實(shí)場景全要素的虛擬表示，并融合裝配現(xiàn)場的載荷場和溫度場等物理特性因素，可以在虛擬環(huán)境中進(jìn)行多尺度的裝配幾何量與物理量仿真，即借助虛實(shí)仿真驗(yàn)證的手段，真實(shí)反映裝配現(xiàn)場的實(shí)際狀態(tài)，并用于裝配質(zhì)量數(shù)據(jù)的預(yù)測分析及裝配現(xiàn)場工裝設(shè)備的力位協(xié)同調(diào)型控制，而且以此反作用于物理裝配現(xiàn)場，實(shí)現(xiàn)裝配性能的預(yù)先分析并獲取與裝配現(xiàn)場相一致的裝配精度與內(nèi)應(yīng)力等裝配性能數(shù)值大小及分布狀態(tài)。當(dāng)虛擬裝配質(zhì)量達(dá)到要求后，即可開展實(shí)際裝配工作，從而保障裝配質(zhì)量與成功率。

綜上，融合裝配資源、裝配操作及現(xiàn)場物理特性數(shù)據(jù)，構(gòu)建包含產(chǎn)品孿生模型與裝配工藝流程數(shù)據(jù)相融合的虛擬裝配樣機(jī)，實(shí)現(xiàn)“虛實(shí)融合”，并使用虛擬裝配樣機(jī)進(jìn)行裝配質(zhì)量的主動仿真以“控形控性”這一過程，具有以下典型特點(diǎn)。

（1）以高保真虛擬裝配樣機(jī)為裝配依據(jù)，可減少實(shí)物裝配試驗(yàn)次數(shù)及簡化試驗(yàn)環(huán)境。

（2）借助建模仿真手段，在虛擬裝配環(huán)境中，事先驗(yàn)證不同裝配工藝方案及工藝參數(shù)對應(yīng)的裝配性能、修配區(qū)域及修配量，并進(jìn)行閉環(huán)反饋修正，可精準(zhǔn)控制裝配過程。

虛擬裝配樣機(jī)的高保真構(gòu)建，是建立在裝配關(guān)鍵要素的測量感知及孿生模型的精確構(gòu)建基礎(chǔ)上。因此，數(shù)字孿生模型構(gòu)建過程所需的基礎(chǔ)技術(shù)應(yīng)該被重點(diǎn)研究。首先需要通過現(xiàn)場測量傳感與虛實(shí)融合的方式，對裝配現(xiàn)場物理特性數(shù)據(jù)進(jìn)行在位測量及處理，構(gòu)建虛擬裝配樣機(jī)構(gòu)建所需的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)；此后，通過基于物理拓?fù)潢P(guān)系的幾何重構(gòu)，提取裝配體配合協(xié)調(diào)狀態(tài)的間隙與階差幾何特征、裝配內(nèi)應(yīng)力狀態(tài)的演變分布情況，動態(tài)高保真構(gòu)建數(shù)字孿生模型，并以此分別構(gòu)建裝配零件級、零件間的裝配精度/應(yīng)力狀態(tài)級、裝配流程級的孿生模型，以及整個裝配工裝設(shè)備系統(tǒng)對應(yīng)的虛擬裝配樣機(jī)。具體地，通過對裝配現(xiàn)場物理特性的測量傳感，研究裝配孿生工藝模型及虛擬裝配樣機(jī)構(gòu)建方法，對裝配單元的“虛實(shí)融合”動態(tài)及高保真建模，用于裝配現(xiàn)場監(jiān)測、表征以及裝配幾何物理性能預(yù)測，為實(shí)現(xiàn)高性能裝配的優(yōu)化反饋控制奠定數(shù)據(jù)與模型基礎(chǔ)。此后，在三維空間內(nèi)構(gòu)建裝配場景，融合現(xiàn)場裝配資源、裝配操作步驟，實(shí)現(xiàn)面向裝配全流程及現(xiàn)場操作的虛擬裝配樣機(jī)構(gòu)建。即通過分級孿生（零件狀態(tài)、裝配組件/部件狀態(tài)、裝配流程及操作）與雙線孿生（產(chǎn)品線、裝配工藝線）的協(xié)同構(gòu)建，實(shí)現(xiàn)“虛實(shí)融合”，可用于裝配幾何物理性能的有效預(yù)測及裝配作業(yè)的有效開展。

構(gòu)建融合現(xiàn)場物理特性的高保真孿生模型及虛擬裝配樣機(jī)，是準(zhǔn)確預(yù)測裝配現(xiàn)場的產(chǎn)品精度、變形、應(yīng)力狀態(tài)，以及裝配工裝系統(tǒng)工作狀態(tài)適應(yīng)性控制的基礎(chǔ)。在上述技術(shù)內(nèi)涵中，考慮物理拓?fù)潢P(guān)系的孿生工藝模型動態(tài)高保真構(gòu)建與分析，是虛擬裝配樣機(jī)構(gòu)建的關(guān)鍵。這是因?yàn)檠b配現(xiàn)場的環(huán)境復(fù)雜，帶曲率的弱剛性零件受裝配載荷作用，其變形狀態(tài)隨裝配工序的進(jìn)行而發(fā)生變遷，導(dǎo)致型面重構(gòu)困難，無法在虛擬空間中高效精準(zhǔn)地動態(tài)映射零件的實(shí)際狀態(tài)；此外，受到裝配過程溫度場、重力場、外載荷場等“多場”因素影響，關(guān)鍵裝配特征的力位參量具有復(fù)雜的動態(tài)耦合關(guān)系，導(dǎo)致難以準(zhǔn)確計算與定義零件間的裝配間隙/階差協(xié)調(diào)狀態(tài)、應(yīng)力分布狀態(tài)，以及根據(jù)裝配進(jìn)程變化進(jìn)行的狀態(tài)動態(tài)更新，導(dǎo)致裝配過程物理信息難以作為孿生系統(tǒng)構(gòu)建的基礎(chǔ)。因此，通過對零件偏差狀態(tài)、裝配變形及應(yīng)力狀態(tài)的測量傳感，動態(tài)重構(gòu)融合裝配現(xiàn)場物理特性的幾何模型及裝配性能參量間的拓?fù)潢P(guān)系，達(dá)到零件級、裝配狀態(tài)級的虛擬裝配樣機(jī)高保真構(gòu)建，是實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生“虛實(shí)融合”建模及高性能裝配驗(yàn)證分析的關(guān)鍵。

2 虛擬裝配樣機(jī)構(gòu)建技術(shù) 框架

根據(jù)采集到的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)與構(gòu)建的多維度孿生模型，結(jié)合裝配工藝流程與工藝節(jié)點(diǎn)，融合產(chǎn)品狀態(tài)、裝配工裝設(shè)備狀態(tài)及裝配環(huán)境狀態(tài)，通過裝配數(shù)據(jù)處理、多層次模型組裝等操作，構(gòu)建具備反映裝配單元作業(yè)過程及裝配質(zhì)量狀態(tài)的可視化同步顯示等特點(diǎn)的裝配虛擬樣機(jī)，實(shí)現(xiàn)基于工序狀態(tài)變遷的真實(shí)裝配場景映射，如圖1所示。此后基于裝配虛擬樣機(jī)可為裝配工裝設(shè)備的力位協(xié)同控制、裝配過程質(zhì)量的預(yù)測、分析與閉環(huán)控制提供數(shù)據(jù)與模型基礎(chǔ)。

圖1 基于工序狀態(tài)變遷的虛擬裝配樣機(jī)模型構(gòu)建Fig.1 Construction of virtual assembly prototype model based on process state transition

在虛擬裝配樣機(jī)具體構(gòu)建過程中，首先需明確物理現(xiàn)場裝配（圖1實(shí)線框）與虛擬裝配樣機(jī)（圖1虛線框）之間的映射關(guān)系，借助物理裝配現(xiàn)場的裝配狀態(tài)可視化建模與虛實(shí)融合同步性建模等手段，并通過對兩者進(jìn)行比對分析，構(gòu)建虛擬裝配樣機(jī)以反映物理裝配現(xiàn)場的真實(shí)情況。此外，通過虛擬裝配樣機(jī)的全場裝配可視化建模及同步性顯示，借助閉環(huán)控制的手段，完成裝配質(zhì)量數(shù)據(jù)的預(yù)測分析及工裝設(shè)備的力位協(xié)同控制，以此反作用于物理裝配現(xiàn)場，保障虛實(shí)融合的同步性及以虛控實(shí)的準(zhǔn)確性。具體地，在物理裝配現(xiàn)場，不同工步/工序?qū)?yīng)的子裝配體之間會隨著裝配工序的進(jìn)行，在裝配工序n上形成最終裝配體。在每個裝配工序?qū)?yīng)的孿生模型構(gòu)建中，都需要考慮產(chǎn)品零件制造誤差狀態(tài)、工裝服役狀態(tài)、產(chǎn)品的裝配狀態(tài)及裝配環(huán)境狀態(tài)等信息，這些數(shù)據(jù)及模型也是依據(jù)各工步/工序信息進(jìn)行采集、感知或測量的對象。結(jié)合在裝配過程中從不同工步/工序中采集的產(chǎn)品位姿、裝配變形及內(nèi)應(yīng)力分布狀態(tài)等數(shù)據(jù)，通過對這些多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的處理、不可測部位的質(zhì)量狀態(tài)預(yù)測操作及模型的精確重構(gòu)等預(yù)處理工作，建立多個與各工序相對應(yīng)的孿生模型。此后，通過各層級孿生模型的組裝/融合、與裝配現(xiàn)場一致性的評價、工步/工序狀態(tài)轉(zhuǎn)移，以及隨裝配現(xiàn)場的動態(tài)交互更新等操作，將裝配準(zhǔn)備數(shù)據(jù)、裝配工藝方案數(shù)據(jù)、工裝定位/調(diào)型數(shù)據(jù)、裝配過程物理仿真數(shù)據(jù)及裝配環(huán)境/載荷數(shù)據(jù)等集成在一起，加載至完整的虛擬裝配樣機(jī)中。

3 虛擬裝配樣機(jī)構(gòu)建關(guān)鍵 實(shí)現(xiàn)技術(shù)

依據(jù)虛擬裝配樣機(jī)的定義及技術(shù)內(nèi)涵，為了實(shí)現(xiàn)虛擬裝配樣機(jī)所具備的功能，結(jié)合圖1中的虛擬裝配樣機(jī)構(gòu)建流程，總結(jié)出關(guān)鍵實(shí)現(xiàn)技術(shù)，其主要包含4個方面：多源異構(gòu)裝配數(shù)據(jù)采集與處理、多類別裝配孿生模型融合性建模、裝配樣機(jī)系統(tǒng)虛實(shí)融合同步性建模，以及裝配過程與裝配質(zhì)量狀態(tài)可視化建模。

3.1 多源異構(gòu)裝配數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)

數(shù)據(jù)不僅是裝配場景實(shí)時可視化顯示的驅(qū)動源，還為虛擬裝配樣機(jī)中的仿真計算模型提供數(shù)據(jù)支持。其采集一般通過人機(jī)交互的方式，借助測量感知硬件設(shè)備建立基于多個裝配工序流程節(jié)點(diǎn)的裝配過程數(shù)據(jù)采集模型，將數(shù)據(jù)直接上傳至計算機(jī)終端和軟件系統(tǒng)中。對于裝配現(xiàn)場操作前的數(shù)據(jù)類型，可在工藝流程節(jié)點(diǎn)上加載基本信息與執(zhí)行裝配工序所需的所有工藝設(shè)計信息，通過工藝系統(tǒng)采集上傳至服務(wù)器。對于裝配過程中涉及的質(zhì)量與運(yùn)行數(shù)據(jù)，通?；诋?dāng)前裝配單元的裝配工作流程開展，比如工步/工序流程節(jié)點(diǎn)，通過硬件設(shè)備采集系統(tǒng)反映產(chǎn)品工藝狀態(tài)和質(zhì)量狀態(tài)、裝配工序狀態(tài)（如工序是否穩(wěn)定）、制造資源狀態(tài)和環(huán)境狀態(tài)等。在多源異構(gòu)數(shù)據(jù)采集完成后，為構(gòu)建后續(xù)的孿生模型及虛擬裝配樣機(jī)，還需要進(jìn)行復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理等工作，具體流程如圖2所示。

圖2 面向裝配虛擬樣機(jī)構(gòu)建的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)采集與處理方法Fig.2 Multi-source heterogeneous data acquisition and processing method for assembly virtual prototype construction

（1）數(shù)據(jù)采集。在各類裝配工藝數(shù)據(jù)及產(chǎn)品質(zhì)量數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)上，基于各類傳感器對應(yīng)的信號采集和分析系統(tǒng)，可通過軟件API應(yīng)用程序編程接口打開的數(shù)據(jù)庫接口來收集軟件數(shù)據(jù)，并與MES、ERP等系統(tǒng)關(guān)聯(lián)。除裝配前數(shù)據(jù)與裝配過程質(zhì)量與運(yùn)行數(shù)據(jù)類型外，對于裝配流程數(shù)據(jù)，可由裝配節(jié)點(diǎn)組成的串并聯(lián)鏈表進(jìn)行表示，在進(jìn)入下一個裝配工藝節(jié)點(diǎn)或裝配工藝狀態(tài)變更時，建立數(shù)據(jù)周期性采集更新模板，用于驅(qū)動模型運(yùn)轉(zhuǎn)與后期裝配作業(yè)過程追溯。對于裝配工裝設(shè)備，采集的物理設(shè)備實(shí)時動作數(shù)據(jù)還包括設(shè)備各子節(jié)點(diǎn)的調(diào)型動作數(shù)據(jù)，可借助嵌入式系統(tǒng)、各類位移傳感器和力傳感器實(shí)現(xiàn)裝配設(shè)備的數(shù)據(jù)采集。

（2）數(shù)據(jù)傳輸。通過配置多源異構(gòu)的數(shù)據(jù)接口與標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議，根據(jù)傳輸協(xié)議FTP/HTTP、訪問方法、多址方案、信道多路復(fù)用調(diào)制和編碼及多用戶檢測等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在不同系統(tǒng)間的傳輸，用于裝配單元現(xiàn)場底層數(shù)據(jù)和上層生產(chǎn)裝配計劃信息的集成。其中Aspera數(shù)據(jù)傳輸工具可支持Web界面、客戶端、命令行和API進(jìn)行傳輸，以及計算機(jī)、移動設(shè)備間的傳輸，應(yīng)用效果較好。

（3）數(shù)據(jù)存儲。針對數(shù)據(jù)的多源異構(gòu)屬性，首先需定義通用的工程數(shù)據(jù)格式。通過配置JDBC、ODBC等數(shù)據(jù)庫接口與通信協(xié)議，將采集的孿生模型仿真分析等數(shù)據(jù)實(shí)時結(jié)構(gòu)化存儲到數(shù)據(jù)庫中，不同的數(shù)據(jù)類型以不同的存儲結(jié)構(gòu)、存取路徑和存取方式進(jìn)行。大數(shù)據(jù)存儲技術(shù)，如具體的分布式文件存儲（DFS）、MySQL數(shù)據(jù)庫、NoSQL數(shù)據(jù)庫及NewSQL數(shù)據(jù)庫，對在裝配現(xiàn)場產(chǎn)生的多類型多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的存儲適用性較強(qiáng)。其中，DFS使多個主機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)同時訪問共享文件和目錄；NoSQL能夠水平擴(kuò)展應(yīng)對海量數(shù)據(jù)；NewSQL數(shù)據(jù)庫表示新的可擴(kuò)展的高性能數(shù)據(jù)庫，不僅具有海量數(shù)據(jù)的存儲和管理功能，還支持傳統(tǒng)SQL數(shù)據(jù)庫；此外，HBase是一個高度可靠、高性能的實(shí)時速寫分布式數(shù)據(jù)庫，可支持半結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的存儲，以及獨(dú)立索引、高可靠性和大量瞬時寫入。

（4）數(shù)據(jù)處理。其目的是提取原始數(shù)據(jù)中對孿生建模以及裝配質(zhì)量優(yōu)化改進(jìn)的有用信息，主要包括以下步驟。第一步，數(shù)據(jù)預(yù)處理與清洗，主要針對各階段裝配過程數(shù)據(jù)、裝配質(zhì)量數(shù)據(jù)與工裝設(shè)備數(shù)據(jù)易產(chǎn)生空值、重復(fù)、異常等錯誤。在裝配過程中，需通過時序?qū)?zhǔn)，建立以時空為索引的時空數(shù)據(jù)模型。第二步，數(shù)據(jù)分析，采用統(tǒng)計方法（如描述性統(tǒng)計、假設(shè)檢驗(yàn)、相關(guān)性分析、回歸分析、聚類分析、判別分析、降維及時間序列分析等）、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法，分析數(shù)據(jù)間的關(guān)聯(lián)性，以及對數(shù)據(jù)的聚類、挖掘、演化與融合。比如，Spark軟件支持多種語言編寫數(shù)據(jù)分析的應(yīng)用程序。在開展上述兩個步驟之前，通常還需進(jìn)行數(shù)據(jù)的歸一化處理及數(shù)據(jù)特征提取的工作。通過數(shù)據(jù)的歸一化處理，可將多源異構(gòu)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為無量綱數(shù)據(jù)，一般采用Z–score、Min–Max、[–1，1]等歸一化方法；數(shù)據(jù)的特征提取用于降低后續(xù)學(xué)習(xí)訓(xùn)練的難度，短時傅里葉變換和小波包分解等方法可提取信號的時頻特性，用于模型的訓(xùn)練與評估、孿生模型的調(diào)試與優(yōu)化等工作。

（5）數(shù)據(jù)融合。通過合成、過濾、關(guān)聯(lián)和集成應(yīng)對多源異構(gòu)數(shù)據(jù)，包括原始數(shù)據(jù)級、特征級和決策級融合。采用的融合方法主要包括隨機(jī)方法和人工智能方法。此外，根據(jù)數(shù)據(jù)采集方式、數(shù)據(jù)類型及存儲方式不同，可分為實(shí)時數(shù)據(jù)/在線數(shù)據(jù)/離線數(shù)據(jù)的融合、物理數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)融合、結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)與非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)融合。Spyder軟件是可支持Python轉(zhuǎn)換的常用數(shù)據(jù)融合工具。

（6）數(shù)據(jù)可視化。以直接、直觀和交互的方式呈現(xiàn)數(shù)據(jù)分析結(jié)果，用于實(shí)時監(jiān)控和快速捕獲目標(biāo)信息，并使用實(shí)時數(shù)據(jù)流周期性地更新數(shù)據(jù)。根據(jù)可視化原理，通過從數(shù)據(jù)庫中匹配多層次協(xié)同可視化所對應(yīng)的數(shù)據(jù)，作為裝配作業(yè)過程轉(zhuǎn)換和狀態(tài)展示更新的驅(qū)動數(shù)據(jù)源，具體可采用基于幾何技術(shù)、像素導(dǎo)入技術(shù)、圖標(biāo)技術(shù)、層技術(shù)和圖像技術(shù)等方法實(shí)現(xiàn)。開源軟件Echarts可為大量動態(tài)數(shù)據(jù)提供直觀、生動和自定義的數(shù)據(jù)可視化方式。

綜上，利用各種傳感器、嵌入式系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集卡等對裝配現(xiàn)場的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時采集，通過MTConnect、OPC–UA、MQTT等協(xié)議規(guī)范傳輸至虛擬裝配樣機(jī)數(shù)據(jù)庫中。相應(yīng)地，實(shí)時讀取數(shù)據(jù)庫中的融合數(shù)據(jù)、關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)等驅(qū)動動態(tài)仿真，以事件觸發(fā)為啟停信號，驅(qū)動虛擬設(shè)備模型動態(tài)映射，從而轉(zhuǎn)化為控制指令，此后孿生數(shù)據(jù)庫中靜處理的數(shù)據(jù)或指令可通過OPC–UA、MQTT等協(xié)議規(guī)范傳輸并下達(dá)至裝配現(xiàn)場執(zhí)行器，反饋給物理裝配現(xiàn)場。此外，還可通過Socket、RPC、MQSeries等軟件接口實(shí)現(xiàn)孿生模型與裝配單元系統(tǒng)的通信，基于孿生模型所產(chǎn)生的操作指導(dǎo)、專業(yè)分析、決策優(yōu)化等結(jié)果以應(yīng)用軟件的形式提供給裝配工藝人員，通過人機(jī)交互操作實(shí)現(xiàn)對裝配現(xiàn)場的控制。

3.2 多類別裝配孿生模型融合性建模技術(shù)

由虛擬裝配樣機(jī)的內(nèi)涵可知，其具備多維度屬性與多尺度屬性。產(chǎn)品自身狀態(tài)、裝配現(xiàn)場工裝運(yùn)行及調(diào)整狀態(tài)、物理環(huán)境狀態(tài)和裝配工序變遷狀態(tài)，再加上設(shè)計數(shù)模，共同組成虛擬裝配樣機(jī)。樣機(jī)的表現(xiàn)形式分為多個層級并包含產(chǎn)品和裝配流程及操作。具體地，根據(jù)以上描述，多維度屬性是指虛擬裝配樣機(jī)包含的物理、模型及數(shù)據(jù)屬性。物理屬性反映裝配現(xiàn)場的裝配狀態(tài)。樣機(jī)包含的模型主要包括可視化模型、計算模型、數(shù)據(jù)模型3種類型。其中，可視化模型主要用于實(shí)現(xiàn)裝配過程狀態(tài)的同步映射，包含裝配體的幾何與物理模型；計算模型主要用于中間裝配狀態(tài)、裝配質(zhì)量的預(yù)測分析；數(shù)據(jù)模型主要包括基于工作流的裝配過程數(shù)據(jù)，通常基于BOM實(shí)現(xiàn)裝配過程數(shù)據(jù)的層次化管理。多尺度屬性是指虛擬裝配樣機(jī)包含產(chǎn)品零件級、組件級/部件級孿生模型，以及由產(chǎn)品裝配模型與裝配工裝設(shè)備組成的整套虛擬裝配樣機(jī)系統(tǒng)。為實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品零件級與組件級孿生模型隨裝配流程的融合，需以裝配工作流為基礎(chǔ)進(jìn)行建模，建立各尺度模型間的關(guān)聯(lián)關(guān)系及多維度模型間的集成關(guān)系。此后還需對融合后的模型進(jìn)行驗(yàn)證與校正，在模型精度不符合真實(shí)裝配場景時，需采取措施對融合后的模型進(jìn)行更新，從而實(shí)現(xiàn)虛擬裝配樣機(jī)的高保真構(gòu)建，真實(shí)展現(xiàn)裝配現(xiàn)場物理實(shí)體的裝配性能狀態(tài)，具體流程如圖3所示。

圖3 多級別孿生模型融合建模方法Fig.3 Multi-level digital twin model fusion modeling method

為實(shí)現(xiàn)虛擬裝配樣機(jī)的融合性構(gòu)建，需在第一步完成各類尺度零組件孿生模型與裝配工裝模型的組裝，即從空間維度出發(fā)建立多級別孿生模型間的空間位置、空間姿態(tài)等關(guān)聯(lián)綜合關(guān)系。在實(shí)現(xiàn)方式上，首先，采用層次化的結(jié)構(gòu)形式組織裝配資源模型，建立模型間的父子嵌套關(guān)系，并描述子節(jié)點(diǎn)模型在父節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)系中的幾何位置，對葉節(jié)點(diǎn)進(jìn)行三維建模，依據(jù)層次組合模型最終建立與實(shí)際裝配場景相一致的虛擬裝配場景。具體地，根據(jù)所需構(gòu)建模型的層級關(guān)系與模型的組裝順序，在組裝過程中添加合適的空間約束條件，比如零部件之間的角度約束、接觸約束和偏移約束等約束關(guān)系，或者裝配工裝設(shè)備與產(chǎn)品之間的空間布局關(guān)系，從而基于構(gòu)建的各類別模型的約束關(guān)系與模型組裝順序?qū)崿F(xiàn)模型的組裝。由于虛擬裝配樣機(jī)中需要反映產(chǎn)品與工裝的真實(shí)狀態(tài)，考慮到薄壁結(jié)構(gòu)裝配具有易變形的特質(zhì)，其相對于理論數(shù)模中的位置與姿態(tài)會有一定的偏差，因此需要依據(jù)關(guān)鍵擬合點(diǎn)在裝配坐標(biāo)系中的實(shí)際空間位置修正并確定模型間彼此的空間位置及姿態(tài)關(guān)系。

在模擬組裝的基礎(chǔ)上，需要結(jié)合具體的裝配工況與現(xiàn)場物理特性實(shí)現(xiàn)各類模型更深層次的融合，即采用基于工作流的數(shù)據(jù)管理思想對產(chǎn)品線與工藝線間所涉及的可視化模型、計算模型和數(shù)據(jù)模型進(jìn)行有機(jī)融合，形成面向裝配過程的虛擬裝配樣機(jī)。在具體的實(shí)現(xiàn)方式上，首先，將工藝流程節(jié)點(diǎn)、數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)與裝配工序相關(guān)聯(lián)，構(gòu)建出由裝配節(jié)點(diǎn)組成的串并聯(lián)鏈表；其次，結(jié)合具體的裝配場景與裝配工序過程，根據(jù)所感知獲取的產(chǎn)品狀態(tài)、裝配工裝狀態(tài)與環(huán)境狀態(tài)，將裝配現(xiàn)場物理實(shí)體的真實(shí)物理特性賦予到幾何模型中，以此構(gòu)建裝配物理模型，比如裝配過程幾何量與物理量對應(yīng)的傳感器數(shù)據(jù)可用于定義幾何模型的實(shí)時邊界條件，然后通過該物理模型在虛擬裝配環(huán)境中分析物理實(shí)體的裝配幾何精度與內(nèi)應(yīng)力性能狀態(tài)；隨后，通過流程節(jié)點(diǎn)相關(guān)信息的加載，如裝配工藝基本信息、工藝卡、BOM清單、質(zhì)檢信息及三維裝配動畫等，體現(xiàn)執(zhí)行當(dāng)前工序所需的所有裝配信息，并將產(chǎn)品的可視化模型關(guān)聯(lián)到該產(chǎn)品的裝配工藝流程、裝配工序完成情況、目前所屬狀態(tài)等具體信息，從而在產(chǎn)品和工裝模型上直觀顯示真實(shí)感知數(shù)據(jù)及虛擬仿真結(jié)果，實(shí)現(xiàn)可視化模型、計算模型和數(shù)據(jù)模型在虛擬裝配樣機(jī)系統(tǒng)內(nèi)的融合。隨后可通過薄壁結(jié)構(gòu)裝配模型隨裝配現(xiàn)場及產(chǎn)品實(shí)物裝配的動態(tài)轉(zhuǎn)換，綜合反映物理實(shí)體的裝配工作過程及質(zhì)量狀態(tài)。

3.3 裝配樣機(jī)系統(tǒng)虛實(shí)融合同步性建模技術(shù)

以薄壁結(jié)構(gòu)裝配過程中采集的實(shí)時幾何/物理數(shù)據(jù)為驅(qū)動，在虛實(shí)結(jié)合的準(zhǔn)確性與逼真性基礎(chǔ)上，將采集到的實(shí)時數(shù)據(jù)驅(qū)動可視化模型同步進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)三維模型的動態(tài)裝配調(diào)整及裝配質(zhì)量狀態(tài)的動態(tài)映射過程，即虛擬裝配樣機(jī)與裝配現(xiàn)場的同步性建模，實(shí)現(xiàn)流程如圖4所示。

圖4 裝配樣機(jī)系統(tǒng)虛實(shí)融合同步性建模方法Fig.4 Synchronous modeling method of virtual-reality fusion for assembly prototype system

在工藝流程的順序基礎(chǔ)上，構(gòu)建裝配工序與產(chǎn)品的可視化模型，對產(chǎn)品工藝狀態(tài)變化、工裝設(shè)備定位和運(yùn)行調(diào)整狀態(tài)進(jìn)行虛實(shí)同步映射，形成裝配過程的數(shù)字化鏡像。在實(shí)現(xiàn)方式上，首先，建立裝配事件，并將其關(guān)聯(lián)到對應(yīng)的實(shí)時采集數(shù)據(jù)及虛擬裝配樣機(jī)三維模型中，隨后引入時間觸發(fā)及變遷規(guī)則，展現(xiàn)虛擬裝配樣機(jī)對應(yīng)裝配操作的動態(tài)變化過程；其次，根據(jù)工藝流程確定正在進(jìn)行的工序，依據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)，并考慮航空薄壁結(jié)構(gòu)的物理屬性和裝配受力變形等因素，將修正或重構(gòu)后的產(chǎn)品三維模型轉(zhuǎn)化為相應(yīng)工藝階段的模型，對工藝狀態(tài)與詳細(xì)屬性進(jìn)行實(shí)時顯示，保障構(gòu)建的虛擬樣機(jī)裝配系統(tǒng)具有較高的擬實(shí)性，直觀反映裝配工序變遷后的真實(shí)現(xiàn)場情況；最后，基于所建立的裝配現(xiàn)場測量感知系統(tǒng)、定位器運(yùn)動控制系統(tǒng)和建模軟件系統(tǒng)之間的網(wǎng)絡(luò)連接，根據(jù)工裝設(shè)備末端的實(shí)際工作狀態(tài)，即工裝定位位置誤差以及受力變形，以及在定位調(diào)姿過程中的運(yùn)行調(diào)整狀態(tài)（如各運(yùn)動方向上的調(diào)整位移、順序等運(yùn)行參數(shù)），通過數(shù)據(jù)驅(qū)動指令控制的手段，選取合適的帶自動更新功能的運(yùn)動控制腳本，并用實(shí)時位姿數(shù)據(jù)對其進(jìn)行賦值，將工裝調(diào)型動作轉(zhuǎn)化為工裝各運(yùn)動軸子節(jié)點(diǎn)的平移與旋轉(zhuǎn)變換，以工裝啟停信號啟動與結(jié)束設(shè)備的動作監(jiān)控，并在三維模型上添加相應(yīng)約束，使真實(shí)位置與聯(lián)動機(jī)構(gòu)的運(yùn)動保持一致，以實(shí)時位姿數(shù)據(jù)為驅(qū)動實(shí)現(xiàn)裝配定位的虛實(shí)同步調(diào)型映射。

此外，針對虛擬裝配樣機(jī)的動態(tài)性構(gòu)建問題，按照不同的裝配工步/工序，首先將其離散為多個狀態(tài)，并采用有限狀態(tài)機(jī)描述裝配狀態(tài)轉(zhuǎn)移機(jī)制，將完工后的當(dāng)前工序作為狀態(tài)轉(zhuǎn)移的條件，然后通過定義狀態(tài)轉(zhuǎn)移函數(shù)來判斷裝配狀態(tài)是否發(fā)生轉(zhuǎn)移。狀態(tài)轉(zhuǎn)移的過程反映了產(chǎn)品工裝模型及裝配操作隨著實(shí)物裝配進(jìn)程發(fā)生的動態(tài)轉(zhuǎn)換，以及虛擬裝配樣機(jī)的逐步建模過程，從而精準(zhǔn)動態(tài)地形成裝配過程的數(shù)字化鏡像。

在虛擬裝配樣機(jī)系統(tǒng)同步性建模的具體實(shí)現(xiàn)介質(zhì)上，ThingWorx平臺可提供工業(yè)協(xié)議轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)采集、設(shè)備管理和大數(shù)據(jù)分析等服務(wù)，充當(dāng)傳感器與數(shù)字模型之間的網(wǎng)關(guān)，并可將數(shù)字孿生模型連接到正在運(yùn)行的產(chǎn)品，以顯示各類傳感器數(shù)據(jù)，并通過Web應(yīng)用程序分析建模結(jié)果。因此，此平臺在實(shí)際工程中的應(yīng)用范圍較廣。

3.4 裝配過程與裝配質(zhì)量狀態(tài)可視化建模技術(shù)

在各層級裝配孿生模型和實(shí)時數(shù)據(jù)的支持下，以各裝配工步工序流程為節(jié)點(diǎn)，建立產(chǎn)品的可視化模型，以此關(guān)聯(lián)到該產(chǎn)品的裝配工藝流程、裝配作業(yè)完成情況、目前所屬質(zhì)量狀態(tài)等具體信息，從而對動態(tài)的裝配過程、產(chǎn)品中間/最終裝配狀態(tài)與工裝設(shè)備的詳細(xì)屬性和狀態(tài)信息、裝配環(huán)境狀態(tài)進(jìn)行虛實(shí)同步映射，并生成關(guān)鍵數(shù)據(jù)及裝配狀態(tài)監(jiān)控看板，實(shí)現(xiàn)裝配過程質(zhì)量可視化，具體流程如圖5所示。

圖5 裝配過程與裝配質(zhì)量狀態(tài)可視化建模方法Fig.5 Visual modeling method of assembly process and assembly quality state

在可視化建模的總體實(shí)現(xiàn)思路上，以幾何、物理、行為和規(guī)則等層面[24，28]的實(shí)時數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，建立裝配數(shù)據(jù)與對應(yīng)裝配事件間的關(guān)系，對離散裝配狀態(tài)的變遷進(jìn)行集成演示，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為三維模型多層面的逼真動態(tài)顯示，此后即可驅(qū)動可視化模型的同步運(yùn)行，實(shí)時映射工裝設(shè)備的裝配作業(yè)過程與產(chǎn)品質(zhì)量的實(shí)時狀態(tài)信息，并借助現(xiàn)場狀態(tài)看板對裝配執(zhí)行過程進(jìn)行可視化實(shí)時監(jiān)控。

在可視化建模的具體實(shí)現(xiàn)方式方面，首先，對于裝配進(jìn)度及狀態(tài)的可視化，結(jié)合PDM系統(tǒng)中三維裝配AO包含的工藝指導(dǎo)信息，讀取MES系統(tǒng)中的工藝流程與工序節(jié)點(diǎn)、裝配過程狀態(tài)和完工狀態(tài)所涉及的動態(tài)裝配操作與裝配過程數(shù)據(jù)采集信息，采用基于Sim 3D視景仿真的圖形渲染引擎，通過3D裝配模型可視化和UI數(shù)據(jù)可視化對當(dāng)前裝配場景建模，進(jìn)行模型的導(dǎo)入和實(shí)時生產(chǎn)數(shù)據(jù)的通信，建立起實(shí)時數(shù)據(jù)和孿生模型間的映射關(guān)系；其次，設(shè)計狀態(tài)看板和開發(fā)各模型的C#腳本組件，通過腳本控制裝配作業(yè)邏輯及人機(jī)交互的方式，綜合反映裝配單元的工作狀態(tài)與裝配過程可視化同步運(yùn)行狀況。此外，還可通過進(jìn)度條空間顯示、不同工序?qū)?yīng)裝配狀態(tài)的切換查看及顯示窗口的交互操作進(jìn)行產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及裝配細(xì)節(jié)方面的展示。

對于裝配過程中二維要素的監(jiān)控，主要借助電子看板及三維標(biāo)注手段，在實(shí)時數(shù)據(jù)驅(qū)動下，按照裝配工藝流程更新相關(guān)數(shù)據(jù)和生產(chǎn)統(tǒng)計信息，如裝配工步工序進(jìn)度、工序完成情況和環(huán)境狀態(tài)等，通過文字、圖表等方式詳細(xì)展示裝配現(xiàn)場數(shù)據(jù)。其中，當(dāng)前工步工序下的詳細(xì)質(zhì)量數(shù)據(jù)可視化，主要包括所屬薄壁結(jié)構(gòu)產(chǎn)品、質(zhì)量數(shù)據(jù)上下限值、質(zhì)量數(shù)據(jù)采集時間、質(zhì)量數(shù)據(jù)歷史采集數(shù)值和質(zhì)量數(shù)據(jù)預(yù)測數(shù)值，在可視化界面上還可觀察到質(zhì)量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計信息，如均值、標(biāo)準(zhǔn)差和統(tǒng)計量等。

為實(shí)現(xiàn)裝配過程中的三維監(jiān)控，首先，基于裝配單元數(shù)字孿生體可視化模型，根據(jù)采集的監(jiān)測數(shù)據(jù)和工藝過程質(zhì)量數(shù)據(jù)，通過在不同裝配工藝階段的工步/工序幾何狀態(tài)與物理狀態(tài)更新，對產(chǎn)品各級孿生模型進(jìn)行修正或重構(gòu)，實(shí)現(xiàn)裝配質(zhì)量狀態(tài)、工藝狀態(tài)、裝配動作的可視化及實(shí)時動態(tài)顯示；其次，將裝配工裝設(shè)備的定位狀態(tài)數(shù)據(jù)及運(yùn)行數(shù)據(jù)與相對應(yīng)的幾何模型相關(guān)聯(lián)，即將采集的設(shè)備運(yùn)行參數(shù)映射到設(shè)備的三維模型上，在工裝設(shè)備動作數(shù)據(jù)驅(qū)動下各嵌套子節(jié)點(diǎn)聯(lián)合執(zhí)行動作命令，進(jìn)行關(guān)鍵實(shí)時工序中關(guān)鍵三維模型的變化，結(jié)合工裝具體的裝配平移、旋轉(zhuǎn)等位姿調(diào)整動作，也就是各級運(yùn)動軸節(jié)點(diǎn)的動作數(shù)據(jù)，實(shí)時更新位置信息并進(jìn)行插值處理，擬合出連續(xù)的裝配調(diào)型過程，并根據(jù)狀態(tài)轉(zhuǎn)移算法驅(qū)動狀態(tài)機(jī)運(yùn)行，保證工裝設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的同步性，以此實(shí)現(xiàn)在不同工位之間的狀態(tài)轉(zhuǎn)換；最后，使用實(shí)時數(shù)據(jù)對裝配環(huán)境數(shù)據(jù)和裝配動作進(jìn)行虛實(shí)同步映射，并以人機(jī)交互的方式進(jìn)行多視圖的動態(tài)展示。此外，對于裝配過程中的異常數(shù)據(jù)消息，可通過警告彈窗進(jìn)行提醒，還可通過人機(jī)交互方式來顯示和隱藏各設(shè)備和關(guān)鍵的狀態(tài)信息看板。

4 虛擬裝配樣機(jī)綜合構(gòu)建

綜上，通過對多源異構(gòu)裝配數(shù)據(jù)采集與處理、多類別裝配孿生模型融合性建模、裝配樣機(jī)系統(tǒng)虛實(shí)融合同步性建模、裝配過程與裝配質(zhì)量狀態(tài)可視化建模等操作，結(jié)合飛機(jī)薄壁結(jié)構(gòu)件典型裝配環(huán)節(jié)及裝配全過程場景，建立具有裝配場景虛實(shí)融合特點(diǎn)的虛擬裝配樣機(jī)系統(tǒng)，如圖6所示。在虛擬裝配樣機(jī)中，體現(xiàn)了“雙線”（產(chǎn)品及工裝模型線、多工序裝配工藝流程線）、“多層級”（零件/組件產(chǎn)品級、裝配精度及內(nèi)應(yīng)力等性能狀態(tài)級、裝配全流程及裝配操作級）的組織及展現(xiàn)方式；同時，也反映了裝配質(zhì)量隨裝配工序的進(jìn)行在時間與空間維度上的動態(tài)更新過程，具體包括產(chǎn)品零組件在上架前后、緊固前后、完成后的裝配操作階段。此外，在虛擬裝配樣機(jī)系統(tǒng)中，通過實(shí)測數(shù)據(jù)虛擬交互及虛擬仿真驗(yàn)證的手段，在其中也融合了薄壁結(jié)構(gòu)真實(shí)的裝配幾何與物理特性，包含了溫度場、裝配件的空間位姿、裝配件內(nèi)部的應(yīng)力及應(yīng)變狀態(tài)、裝配幾何偏差等信息。與數(shù)字孿生模型不同的是，虛擬裝配樣機(jī)包含了裝配場景資源信息與裝配操作信息，比如裝配工裝上的載荷/變形/精度的監(jiān)測數(shù)據(jù)及工裝模型信息、使用幾何/物理傳感測量設(shè)備獲取的產(chǎn)品幾何及變形測量信息、溫濕度等裝配環(huán)境信息。此外，設(shè)計階段的產(chǎn)品模型信息也是虛擬裝配模型中不可缺少的關(guān)鍵部分，一方面作為在裝配虛擬樣機(jī)中進(jìn)行精度與性能仿真的基礎(chǔ)，另一方面還可與實(shí)際監(jiān)測值作對比分析，作為反映裝配性能虛擬仿真準(zhǔn)確度的依據(jù)，從而切實(shí)保障裝配工裝的高效精確定位與薄壁結(jié)構(gòu)的精準(zhǔn)裝配。

圖6 融合動態(tài)裝配流程、裝配操作及現(xiàn)場物理特性的虛擬裝配樣機(jī)綜合構(gòu)建Fig.6 Comprehensive construction of virtual assembly prototype integrating dynamic assembly process, assembly operation and on-site physical characteristics

5 結(jié)論

（1）定義了航空薄壁結(jié)構(gòu)虛擬裝配樣機(jī)的技術(shù)內(nèi)涵，其本質(zhì)是一個高度擬實(shí)化的數(shù)字孿生裝配系統(tǒng)，可以借助其在虛擬環(huán)境中進(jìn)行多尺度裝配幾何量與物理量仿真，預(yù)先進(jìn)行裝配性能的分析并獲取與裝配現(xiàn)場相一致的裝配精度與內(nèi)應(yīng)力等性能數(shù)值大小及分布狀態(tài)，當(dāng)虛擬裝配質(zhì)量達(dá)到要求后，即可開展實(shí)際裝配工作，切實(shí)保障裝配質(zhì)量及一次成功率。

（2）在虛擬裝配樣機(jī)構(gòu)建的實(shí)現(xiàn)方式上，提出4項(xiàng)關(guān)鍵實(shí)現(xiàn)技術(shù)，包括多源異構(gòu)裝配數(shù)據(jù)采集與處理、多類別裝配孿生模型融合性建模、裝配樣機(jī)系統(tǒng)虛實(shí)融合同步性建模、裝配過程與裝配質(zhì)量狀態(tài)可視化建模等內(nèi)容，并對其操作步驟進(jìn)行了深度分析。

（3）提出了虛擬裝配樣機(jī)的綜合構(gòu)建措施，即通過考慮動態(tài)裝配流程、裝配操作及現(xiàn)場物理特性，明確了“雙線”、“分級”的綜合方案。

（4）下一步的研究將在本文技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，結(jié)合典型航空薄壁結(jié)構(gòu)件的真實(shí)裝配場景，實(shí)現(xiàn)虛擬裝配樣機(jī)的精確、高保真及動態(tài)構(gòu)建，為裝配質(zhì)量的主動實(shí)時控制提供模型與數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。