李梅平，張永亮，劉宏偉，安魯陵，趙聰

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

0 引言

飛機(jī)裝配是飛機(jī)制造的重要內(nèi)容，其特點(diǎn)是采用一種獨(dú)特的尺寸傳遞與協(xié)調(diào)方式，以保證零件與零件、零件與工裝、工裝與工裝之間的協(xié)調(diào)，進(jìn)而保證裝配準(zhǔn)確度。傳統(tǒng)的飛機(jī)裝配是使用模擬量尺寸傳遞模式，飛機(jī)設(shè)計(jì)師利用模線定義飛機(jī)的外形與結(jié)構(gòu)，將飛機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸和形狀利用實(shí)物形式的標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行協(xié)調(diào)與檢測，在當(dāng)時(shí)的科技水平下，這種協(xié)調(diào)方法是一種達(dá)到較高協(xié)調(diào)準(zhǔn)確度的有效方法。自20世紀(jì)80年代后期以來，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，數(shù)字化技術(shù)開始應(yīng)用于飛機(jī)裝配，并在國內(nèi)外航空工業(yè)中得到了普遍應(yīng)用。在新型飛機(jī)的研制和生產(chǎn)中，集成了工業(yè)領(lǐng)域最先進(jìn)的科技成果，如數(shù)字化設(shè)計(jì)制造、虛擬現(xiàn)實(shí)、激光跟蹤定位、自動(dòng)控制等，這些技術(shù)的應(yīng)用顯著提高了飛機(jī)裝配質(zhì)量和效率。對(duì)飛機(jī)機(jī)體來說，最主要的目標(biāo)是保證其裝配的幾何準(zhǔn)確度，包括外形準(zhǔn)確度、大部件之間相對(duì)位置的準(zhǔn)確度等，主要是滿足裝配協(xié)調(diào)的要求[1]。

目前，整體結(jié)構(gòu)件和復(fù)合材料構(gòu)件在飛機(jī)機(jī)體上的應(yīng)用日漸增多，在裝配中要經(jīng)歷定位、夾緊、連接等環(huán)節(jié)。零構(gòu)件不可避免地存在制造偏差，要滿足裝配幾何準(zhǔn)確度要求，在上述環(huán)節(jié)中需要進(jìn)行校形、補(bǔ)償、加工（制孔等）和連接，這些操作將會(huì)引入一定程度的裝配應(yīng)力，裝配應(yīng)力會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能造成影響，應(yīng)力過大時(shí)甚至導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的局部損傷，降低結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和疲勞壽命[2-5]。因此，僅僅以幾何準(zhǔn)確度為依據(jù)的飛機(jī)裝配質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)已不夠全面，需要結(jié)合裝配結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性，從裝配過程中飛機(jī)結(jié)構(gòu)的外在形貌和內(nèi)在狀態(tài)對(duì)其進(jìn)行全面的監(jiān)測和評(píng)估，對(duì)保證飛機(jī)裝配結(jié)構(gòu)的幾何精度和力學(xué)性能至關(guān)重要。

如上所述，為保證飛機(jī)裝配質(zhì)量，除了滿足幾何精度要求以外，還應(yīng)使裝配結(jié)構(gòu)中不出現(xiàn)過大的裝配應(yīng)力，數(shù)字孿生可以為定義新的裝配質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)提供支撐。數(shù)字孿生概念的出現(xiàn)已有20年的歷史，有關(guān)數(shù)字孿生的定義以2012年美國NASA給出的廣為業(yè)界接受[6]，莊存波等[7]也提出了數(shù)字孿生體的概念。歸納起來，數(shù)字孿生是在計(jì)算機(jī)中力圖真實(shí)表征物理實(shí)體的數(shù)字體，兩者之間進(jìn)行信息交換和數(shù)據(jù)傳遞，并利用傳感器、求解器進(jìn)行信息和數(shù)據(jù)的更新，以保持兩者之間的實(shí)時(shí)同步，達(dá)到真正的孿生。就飛機(jī)裝配的上述問題，本文就數(shù)字孿生與飛機(jī)裝配的結(jié)合進(jìn)行分析，結(jié)合當(dāng)前迅猛發(fā)展的數(shù)字化測量，也就是物理世界和計(jì)算機(jī)世界的聯(lián)系載體，探討飛機(jī)高質(zhì)量裝配的有效途徑。

1 數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用

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

隨著數(shù)字化技術(shù)的進(jìn)步，從初期用數(shù)字化模型來表達(dá)物理實(shí)體的形態(tài)和特性，發(fā)展到今天用來模擬其行為和性能。這個(gè)概念早在2003年被Michael Grieves教授叫做“鏡像的空間模型”，也被認(rèn)為是數(shù)字孿生體的原型。

數(shù)字孿生技術(shù)在航空工業(yè)的應(yīng)用首先是從美國波音公司開展的，波音公司在787客機(jī)的研制中，應(yīng)用CATIA建立飛機(jī)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(guī)程和流程。MBD模型是一種全三維的數(shù)字化模型，其中既包含了定義產(chǎn)品的幾何數(shù)據(jù)、拓?fù)湫畔?，又包含有關(guān)制造裝配檢測等的非幾何信息，構(gòu)成了產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造的完整數(shù)據(jù)集。在制造的各環(huán)節(jié)中，使用上述單一的全三維數(shù)據(jù)集，避免了由于多源數(shù)據(jù)造成的差錯(cuò)，顯著降低了工程更改和工藝更改工作量[9]?？湛凸緦?shù)字化技術(shù)用于380客機(jī)和A400M軍用運(yùn)輸機(jī)的研制，建立了數(shù)模與實(shí)物的關(guān)聯(lián)關(guān)系，通過數(shù)字化檢測手段，獲知物理實(shí)體的實(shí)際狀態(tài)，反饋到工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)對(duì)裝配工藝的修正[10]。洛馬公司將數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用于F-35戰(zhàn)斗機(jī)項(xiàng)目中，建立了飛機(jī)的數(shù)字孿生模型，與飛機(jī)實(shí)物相對(duì)應(yīng)、相互關(guān)聯(lián)，應(yīng)用數(shù)字化仿真技術(shù)，模擬飛機(jī)在現(xiàn)實(shí)世界中的制造、裝配和飛行過程[11]。美國空軍引入數(shù)字孿生技術(shù)，建立了某新型航天器的數(shù)字孿生模型，用于解決飛機(jī)機(jī)體健康的檢測[12]。ANSYS公司推出的多物理域建模與仿真平臺(tái)功能十分強(qiáng)大，可用于構(gòu)建產(chǎn)品的數(shù)字孿生模型，與物理實(shí)體相關(guān)聯(lián)，無需停機(jī)即可預(yù)測和診斷產(chǎn)品的功能和性能、運(yùn)行故障，并推薦相應(yīng)處理方案。

目前，我國飛機(jī)制造業(yè)均已經(jīng)全面應(yīng)用全三維的數(shù)字化設(shè)計(jì)制造技術(shù)，基于所建立的數(shù)字化測量場，將自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用于飛機(jī)裝配，一方面就裝配過程中的各個(gè)環(huán)節(jié)對(duì)裝配方案進(jìn)行仿真和驗(yàn)證，另一方面通過數(shù)字化測量手段，獲取裝配過程中的數(shù)據(jù)，對(duì)裝配狀態(tài)進(jìn)行調(diào)控，有效地保證了飛機(jī)裝配質(zhì)量和產(chǎn)品性能[13]。最近的幾年里，飛機(jī)制造企業(yè)越來越重視數(shù)字孿生技術(shù)，借助于多種電子標(biāo)志與識(shí)別手段，采集飛機(jī)制造過程中各個(gè)環(huán)節(jié)的信息和數(shù)據(jù)，監(jiān)測和記錄生產(chǎn)實(shí)施過程中出現(xiàn)的問題、解決方法，對(duì)這些現(xiàn)場的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和整理，存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫中，為今后的數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用提供基礎(chǔ)[14]。文獻(xiàn)[15]研究了某航空發(fā)動(dòng)機(jī)低壓渦輪的裝配，建立了產(chǎn)品、工裝、工藝的數(shù)字化模型，使用多種類型的傳感器監(jiān)測裝配過程中的產(chǎn)品、工裝的實(shí)際狀況，并與數(shù)字化模型中的理論狀況相比對(duì)，實(shí)現(xiàn)虛擬環(huán)境中理論模型與現(xiàn)實(shí)環(huán)境中物理實(shí)體之間數(shù)據(jù)的映射。在此基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)裝配過程中的故障預(yù)測、干預(yù)決策。

目前，國內(nèi)外學(xué)者雖然在基于數(shù)字孿生技術(shù)的復(fù)雜裝備裝配領(lǐng)域做了一些探索，但在此領(lǐng)域，虛擬模型-物理實(shí)體的實(shí)時(shí)映射和數(shù)字孿生建模仍存在不少問題和挑戰(zhàn)，影響著數(shù)字孿生在飛機(jī)裝配領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展，因此面向數(shù)字孿生技術(shù)，開展飛機(jī)裝配中的測量與調(diào)控技術(shù)研究，有助于推動(dòng)數(shù)字孿生技術(shù)的發(fā)展和落地。

2 裝配過程多源數(shù)字化測量技術(shù)應(yīng)用

數(shù)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(jì)算機(jī)世界的本能，在數(shù)字孿生建模和飛機(jī)裝配中是至關(guān)重要的手段。當(dāng)前，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，數(shù)字化測量技術(shù)迅猛發(fā)展，多種多樣的儀器和方法為飛機(jī)裝配提供了有力的支持。

2.1 大尺寸場景測量技術(shù)

20世紀(jì)90年代以來，Indoor GPS[16]、激光跟蹤儀[17-18]、激光雷達(dá)[19]等數(shù)字化檢測技術(shù)在國內(nèi)外飛機(jī)制造領(lǐng)域應(yīng)用愈加廣泛，已由關(guān)重件單一方法的檢測發(fā)展到整體產(chǎn)品生產(chǎn)過程中多傳感器融合的全面監(jiān)測，制訂了相應(yīng)的測量標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，并將數(shù)字化檢測與監(jiān)測的數(shù)據(jù)反饋到零部件生產(chǎn)現(xiàn)場，通過參數(shù)調(diào)整、補(bǔ)償措施，實(shí)現(xiàn)飛機(jī)部裝和總裝的過程調(diào)控和質(zhì)量保證，提升飛機(jī)制造的總體水平。

波音公司率先開展Indoor GPS系統(tǒng)的研究與開發(fā)，首先將其應(yīng)用于747飛機(jī)的生產(chǎn)中，成功實(shí)現(xiàn)機(jī)身段的對(duì)接裝配。隨后，又被應(yīng)用到波音787及F/A18飛機(jī)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(diào)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(tái)激光跟蹤儀，建立總體坐標(biāo)系，實(shí)現(xiàn)多激光跟蹤儀的集成，用于翼身對(duì)接、機(jī)身成龍等過程中的大部件對(duì)接。飛機(jī)機(jī)體外形的測量用到了激光雷達(dá)、激光及結(jié)構(gòu)光測量儀等測量手段。

國外飛機(jī)裝配領(lǐng)域，多源傳感數(shù)控自動(dòng)定位和自動(dòng)對(duì)接等技術(shù)應(yīng)用于零部件的制造和裝配中，如在部件裝配工位，激光雷達(dá)、激光跟蹤儀等數(shù)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(jī)大部件裝配朝著自動(dòng)化、數(shù)字化和柔性化的方向發(fā)展，提高了飛機(jī)生產(chǎn)的質(zhì)量和效率，減少了裝配工裝數(shù)量，縮短了生產(chǎn)準(zhǔn)備周期。

國內(nèi)航空制造企業(yè)、研究院所和高校對(duì)多源智能測量技術(shù)開展了大量的研究[20-24]，包括飛機(jī)零件的制造與檢驗(yàn)、裝配型架的安裝與定檢、翼身對(duì)接、飛機(jī)水平測量等工作，涵蓋了飛機(jī)零件的加工、組件裝配、部件裝配、飛機(jī)總裝、測試交付等飛機(jī)制造全過程，構(gòu)建了多測量手段構(gòu)成的多源智能測量平臺(tái)，構(gòu)成了多測量系統(tǒng)和制造裝配工裝與裝備互聯(lián)互通的有機(jī)體。

2.2 面型特征激光掃描測量技術(shù)

目前，高性能激光掃描儀的最高掃描速度達(dá)到120 萬/s，巨大的數(shù)據(jù)量會(huì)影響點(diǎn)云模型的傳輸和處理效率。三維點(diǎn)云簡化的主要目標(biāo)是保持模型有效特征前提下，盡可能多地減少點(diǎn)云數(shù)據(jù)量，主要方法有基于曲面擬合的簡化方法、基于網(wǎng)格的簡化方法和基于三維點(diǎn)云的簡化方法[25]。對(duì)大型客機(jī)、大型運(yùn)輸機(jī)來說，測量數(shù)據(jù)簡化需求更為迫切。一般的點(diǎn)云數(shù)據(jù)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(duì)象特征的前提下，提高數(shù)據(jù)處理的效率，依然是工程中亟需解決的問題。

在多源測量數(shù)據(jù)融合方面，國防科技大學(xué)的楊景照等[26]針對(duì)激光跟蹤儀，提出了一種測量網(wǎng)絡(luò)的評(píng)測方法和數(shù)據(jù)融合方法，結(jié)合GPS和STEP標(biāo)準(zhǔn)，建立了基于要素的坐標(biāo)測量信息規(guī)范模型，并開發(fā)了全三維評(píng)測與規(guī)劃系統(tǒng)。

2.3 基于視覺的測量技術(shù)

基于視覺的測量方法是利用視覺檢測設(shè)備獲取被測對(duì)象的圖像，據(jù)此計(jì)算其有關(guān)幾何尺寸與形狀或位置的數(shù)據(jù)。這種方法屬于非接觸測量方式，不會(huì)損傷被測對(duì)象的表面，且操作簡便靈活，檢測效率高，因而在飛機(jī)制造企業(yè)的應(yīng)用十分廣泛，主要用于零構(gòu)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(jié)構(gòu)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(dòng)式光學(xué)掃描儀，前者方便測量局部曲面，可用于發(fā)動(dòng)機(jī)葉片、飛機(jī)壁板形面的測量，后者基于光柵測量原理，通過多視場的數(shù)據(jù)拼合來實(shí)現(xiàn)大型曲面零件的測量。為了提高ATOS在測量大型曲面時(shí)的定位精度，可利用Tritop測得的參考點(diǎn)實(shí)現(xiàn)拼接。

V-STARS系統(tǒng)是美國GSI公司研制的工業(yè)數(shù)字近景攝影三維坐標(biāo)測量系統(tǒng)，測量精度可達(dá)4 μm，且測量速度快、自動(dòng)化程度高，在航空航天領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，如波音737工藝裝備的測量、空客320機(jī)翼吊掛的測量、西飛轉(zhuǎn)包項(xiàng)目中的部件測量等。

2.4 應(yīng)變測量技術(shù)

在航空航天、汽車、船舶、機(jī)械等行業(yè)領(lǐng)域，結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能至關(guān)重要，應(yīng)變是表征結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的一個(gè)重要指標(biāo)，對(duì)產(chǎn)品的壽命、安全性和可靠性影響顯著。目前，零件表面應(yīng)變測量的主要手段是電阻應(yīng)變片法，測得應(yīng)變后，再根據(jù)本構(gòu)關(guān)系得到零件表面的應(yīng)力。隨著火箭、導(dǎo)彈、飛機(jī)等性能的日益提高，其結(jié)構(gòu)和受載狀態(tài)愈加復(fù)雜，對(duì)結(jié)構(gòu)可靠性提出了更高的要求，對(duì)應(yīng)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(yīng)變，而且還需要掌握結(jié)構(gòu)區(qū)域的應(yīng)變場的分布和演變。

目前，除了應(yīng)變片電測法外，利用光學(xué)測試應(yīng)變的方法發(fā)展迅速，這種光學(xué)測試方法是基于現(xiàn)代光學(xué)技術(shù)、機(jī)器視覺和計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)而發(fā)展的，可用于測量結(jié)構(gòu)表面或內(nèi)部的應(yīng)變、應(yīng)力、位移、振動(dòng)等。這方面有數(shù)字圖像相關(guān)[29-30]技術(shù)（Digital Image Correlation，DIC）、雙折射應(yīng)力測量技術(shù)、數(shù)字光彈性法，以及光纖Bragg光柵應(yīng)變傳感器法等。

光纖Bragg光柵傳感器[31]是一種波長調(diào)制型光纖傳感器，是近年來出現(xiàn)的一種測試方法。其工作原理是通過外界物理參量對(duì)光纖Bragg波長的調(diào)制來獲取像應(yīng)變、溫度、加速度、位移、壓力、流量等信息。而應(yīng)變測量是在光纖的纖芯上刻出Bragg光柵，當(dāng)被測件產(chǎn)生變形時(shí)，利用光纖Bragg對(duì)特定波長光的選擇性反射特性，致使其反射的波長也相應(yīng)變化，通過光纖光柵解調(diào)儀測得變化值，從而得到應(yīng)變。光纖Bragg光柵傳感器的優(yōu)點(diǎn)是抗電磁干擾，適用于長距離信號(hào)傳輸，測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可以大為簡化，非常容易構(gòu)建分布式傳感網(wǎng)絡(luò)。

光彈性法是一種利用光學(xué)原理進(jìn)行應(yīng)變測量的實(shí)驗(yàn)方法[32-34]，結(jié)構(gòu)模型由具有雙折射效應(yīng)的材料制成，將其置于偏振光場中，自由狀態(tài)下不會(huì)出現(xiàn)雙折射，但當(dāng)給結(jié)構(gòu)模型施加載荷致使其產(chǎn)生變形時(shí)，就會(huì)表現(xiàn)出光學(xué)各向異性，在模型上可見干涉條紋。對(duì)干涉條紋進(jìn)行測量，通過計(jì)算即可求解結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力狀態(tài)。光彈性法可用于三維空間中的全場應(yīng)變應(yīng)力測量，屬于非接觸式測量方法，具有電測方法不能達(dá)到的全場測量優(yōu)勢，既可以測量外表應(yīng)變，又可以測量內(nèi)部應(yīng)變。

3 飛機(jī)裝配中的調(diào)控技術(shù)

飛機(jī)裝配是一個(gè)綜合的過程，各個(gè)參與裝配的零構(gòu)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(xié)調(diào)。因此，需要用系統(tǒng)工程的思路進(jìn)行統(tǒng)籌和權(quán)衡，具體實(shí)現(xiàn)上就要進(jìn)行多方面調(diào)節(jié)和控制。在飛機(jī)裝配中，近年來研究人員開始關(guān)注裝配應(yīng)力的影響，因?yàn)閷?duì)發(fā)生的一些飛機(jī)故障進(jìn)行分析，其原因是裝配應(yīng)力過大所致。

在空客350客機(jī)復(fù)合材料機(jī)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(chǔ)上，應(yīng)用機(jī)器人原位補(bǔ)償平臺(tái)對(duì)干涉和間隙進(jìn)行裝配補(bǔ)償，以減小結(jié)構(gòu)的裝配應(yīng)力。波音公司787客機(jī)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(jī)體結(jié)構(gòu)中重要部位的應(yīng)力狀況，并通過調(diào)節(jié)工裝以使裝配應(yīng)力不超過限定值[35-36]。

文獻(xiàn)[3]以翼肋裝配為對(duì)象開展研究，提出了一種基于力反饋的飛機(jī)結(jié)構(gòu)裝配方法，基于力控制策略，將結(jié)構(gòu)裝配應(yīng)力限制在規(guī)定的數(shù)值內(nèi)，該值是根據(jù)結(jié)構(gòu)裝配完成后的剩余拉應(yīng)力求出的。

歐盟2012年實(shí)施了一個(gè)LOOCOMACHS項(xiàng)目，目的是實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)制造和裝配的低成本。應(yīng)用數(shù)字化仿真方法和管控手段，對(duì)飛機(jī)裝配過程進(jìn)行分析，結(jié)合自動(dòng)化裝備的應(yīng)用，消除費(fèi)時(shí)費(fèi)力的不增值環(huán)節(jié)，提高飛機(jī)裝配的自動(dòng)化水平，以降低制造成本[37]。

研究發(fā)現(xiàn)，飛機(jī)裝配應(yīng)力形成的機(jī)理復(fù)雜，各種影響因素交織在一起，難以定量計(jì)算。當(dāng)前，國內(nèi)外研究人員以典型裝配結(jié)構(gòu)為對(duì)象，建立裝配應(yīng)力與各因素之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，應(yīng)用有限元方法，對(duì)裝配應(yīng)力的形成以及各因素的影響進(jìn)行分析，通過改進(jìn)和優(yōu)化裝配工藝方法及流程，對(duì)裝配應(yīng)力進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制。

4 面向數(shù)字孿生的飛機(jī)裝配測量與調(diào)控技術(shù)實(shí)現(xiàn)途徑

如圖1所示，面向飛機(jī)裝配技術(shù)和系統(tǒng)智能化升級(jí)迫切需求，針對(duì)基于數(shù)字孿生的飛機(jī)裝配測量與調(diào)控核心技術(shù)，基于數(shù)字孿生、精密測量、人工智能、有限元、數(shù)據(jù)處理、軟件工程、工業(yè)總線、智能調(diào)控等理論與技術(shù)方法，制定總體技術(shù)方案。

圖1 基于數(shù)字孿生的飛機(jī)裝配測量與調(diào)控總體方案

首先，開展基于數(shù)字孿生的飛機(jī)部件智能裝配系統(tǒng)的研究。飛機(jī)部件如機(jī)身筒段、機(jī)翼盒段、中央翼盒等，其裝配工藝及操作十分復(fù)雜。一直以來，飛機(jī)部件裝配主要采用傳統(tǒng)工裝，大量的裝配操作需要人工手動(dòng)勞動(dòng)，存在勞動(dòng)強(qiáng)度大、依賴工人經(jīng)驗(yàn)、效率較低、數(shù)據(jù)不量化、質(zhì)量難評(píng)估等問題。為使飛機(jī)裝配的質(zhì)量和效率有質(zhì)的提升，需要進(jìn)行物理-數(shù)字虛實(shí)智能裝配系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)新的基于數(shù)字孿生的飛機(jī)部件裝配工藝規(guī)劃模式。

其次，開展層次化數(shù)字孿生體建模技術(shù)的研究。部件裝配零件類型多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、裝配關(guān)系復(fù)雜、工藝過程復(fù)雜。裝配質(zhì)量不僅取決于幾何層面，其結(jié)構(gòu)內(nèi)部的應(yīng)力狀態(tài)也同樣重要。因此，其數(shù)字孿生體的建模，需要綜合考慮幾何、拓?fù)?、力、變形等?fù)雜信息。融合多源測量信息和多學(xué)科仿真分析模型的數(shù)字孿生體架構(gòu)設(shè)計(jì)及內(nèi)部交互連接設(shè)計(jì)十分復(fù)雜，具有挑戰(zhàn)性。將飛機(jī)裝配中的復(fù)雜問題分解，研究建立層次化的數(shù)字孿生體，即幾何形狀層數(shù)字孿生體模型、力學(xué)性能層數(shù)字孿生體模型、物理狀態(tài)層數(shù)字孿生體模型，可降低數(shù)字孿生建模的難度。

第三，開展多源數(shù)字化測量綜合系統(tǒng)的研究。各種數(shù)字化測量手段有其自身特點(diǎn)，本著取長補(bǔ)短、優(yōu)勢互補(bǔ)、協(xié)同融合的原則，就飛機(jī)裝配的總體需求和各環(huán)節(jié)需求，建立多源數(shù)字化測量綜合系統(tǒng)框架，打通之間的數(shù)據(jù)通道，開發(fā)測量數(shù)據(jù)綜合處理軟件，形成多源數(shù)字化測量綜合系統(tǒng)。

第四，開展飛機(jī)裝配調(diào)控技術(shù)的研究。飛機(jī)裝配過程中，涉及多方面的補(bǔ)償、協(xié)調(diào)、調(diào)整，在開展上述研究的基礎(chǔ)上，建立補(bǔ)償、協(xié)調(diào)、調(diào)整準(zhǔn)則，研究實(shí)現(xiàn)具體的調(diào)控措施。

5 結(jié)語

本文介紹了數(shù)字孿生技術(shù)在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用，提出了所面臨的問題和挑戰(zhàn)。闡述了面向飛機(jī)裝配過程的多源數(shù)字化測量技術(shù)，包括大尺寸場景測量技術(shù)、面型特征激光掃描測量技術(shù)、基于視覺的測量技術(shù)和應(yīng)變測量技術(shù)。在介紹飛機(jī)裝配中的應(yīng)力調(diào)控技術(shù)研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，提出了面向數(shù)字孿生的飛機(jī)裝配測量與調(diào)控技術(shù)實(shí)現(xiàn)途徑。