郭飛燕，肖慶東，李 浩，鄭璐晗，張 碩

（1. 北京科技大學，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、測量與檢驗等復雜工序環(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：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。

（1）強調(diào)“控形”，以裝配體幾何尺寸精度控制為核心。

（2）需要預先制造出大量的實物樣機輔助裝配，在物理模型的基礎上對產(chǎn)品的裝配工藝進行分析與評測，裝配驗證環(huán)境復雜且驗證次數(shù)多。

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

為減少采用實物樣機輔助裝配時存在的“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)字樣機技術(shù)[6–9]在裝配工藝設計及裝配質(zhì)量保障方面得到了發(fā)展應用。虛擬裝配技術(shù)主要采用計算機建模、仿真和智能算法等手段對產(chǎn)品裝配過程進行模擬設計，在建立的虛擬環(huán)境中對裝配工藝過程進行調(diào)整、測試與評價，從而得出滿意的裝配方案。數(shù)字樣機是對機械產(chǎn)品整機或具有獨立功能子系統(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，還至少在某一領域反映了產(chǎn)品對象的功能和性能。在飛機裝配工藝的評估與優(yōu)化中，數(shù)字樣機技術(shù)是以產(chǎn)品CAX/DFX技術(shù)為基礎，從計算機圖形學角度出發(fā)，在虛擬環(huán)境中建立描述產(chǎn)品各種設計屬性的數(shù)字模型，可對產(chǎn)品模型制造、使用、維護等過程進行分析，進而對其進行設計優(yōu)化。產(chǎn)品的數(shù)字樣機設計模型通常包含詳細的產(chǎn)品零部件細節(jié)特征和準確的尺寸參數(shù)，并且定義了完整的裝配關系和運動副關系，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計過程中的物理模型，且同物理樣機一樣可以展示產(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)設計與綜合性能仿真等工作。此外，為控制裝配誤差并實現(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)關系與協(xié)調(diào)方法組成的一種工藝模型，其關鍵要素為各類坐標系統(tǒng)、設計/工藝基準系統(tǒng)及約束關系等協(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、協(xié)調(diào)特征、工裝設計依據(jù)以及附加工藝特征等工藝信息的幾何信息、三維標注信息和工藝屬性進行結(jié)構(gòu)化定義和表示。邱世廣等[13]針對當前制造工藝協(xié)調(diào)信息表達方法嚴重滯后，協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)分散、一致性差以及傳遞效率低，設計更改響應不及時的現(xiàn)狀，構(gòu)建基于模型定義的飛機工藝數(shù)字樣機體系，實現(xiàn)以三維模型為核心的飛機數(shù)字化工藝設計和制造模式。但是上述手段普遍以產(chǎn)品理想狀態(tài)進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)學習分析及試驗測試技術(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)字樣機到數(shù)字孿生的發(fā)展過程進行綜述，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體的工作狀態(tài)和工作進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”，可加強復雜系統(tǒng)中的預測性；Schleich等[17]歸納了生產(chǎn)過程管理中的“Reference model”，認為數(shù)字孿生具有互操作性、保真度、可伸縮性及可擴展性；S?derberg等[18]從設計、生產(chǎn)前到生產(chǎn)中對產(chǎn)品物理幾何尺寸使用數(shù)字孿生方法進行實時保證。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，對候選設計方案進行仿真測試與和評估”[20]；Aromaa等[21]將虛擬樣機技術(shù)定義為虛擬現(xiàn)實和幾何/功能仿真的計算機模型；在非剛體裝配匹配和修配行為預測方面，Lindau等[22]指出物理驗證向虛擬驗證轉(zhuǎn)變所面臨的挑戰(zhàn)是幾何建模與計算效率。在國外，學者們側(cè)重研究數(shù)字孿生概念、產(chǎn)品使用維護以及工廠運營[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，并與機床、衛(wèi)星、發(fā)動機等行業(yè)共同建立數(shù)字孿生標準體系架構(gòu)；劉檢華等[26–27]提出基于實時信息的航天產(chǎn)品生產(chǎn)車間三維可視化監(jiān)控方法，并針對裝配過程運行狀態(tài)在線分析與預測難題，提出基于數(shù)字孿生的裝配過程管控方法；周成等[28]針對制造車間實時性差及模型缺乏的問題，在數(shù)字孿生五維模型[24]基礎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)品的低剛度特點造成易變形易損傷、裝配連接及定位約束關系復雜、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)應力的大小及分布狀態(tài)不確定性強等問題，難以實現(xiàn)復雜航空異質(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)量的主動實時控制技術(shù)體系，可指導裝配工藝優(yōu)化設計，但是仍未實現(xiàn)數(shù)字孿生的“虛實融合、以虛控實”功能。

綜上，針對實現(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)與模型基礎的問題，本文首先解釋了虛擬裝配樣機的技術(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、裝配樣機系統(tǒng)虛實融合同步性建模、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)虛擬裝配樣機構(gòu)建及實現(xiàn)技術(shù)，為裝配過程的擬實化仿真及裝配質(zhì)量的精準控制提供數(shù)字及模型依據(jù)。

1 虛擬裝配樣機的技術(shù)內(nèi)涵

為實現(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概念。虛擬裝配樣機是虛擬裝配技術(shù)與樣機技術(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化的數(shù)字孿生裝配系統(tǒng)。通過真實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)境中進行多尺度的裝配幾何量與物理量仿真，即借助虛實仿真驗證的手段，真實反映裝配現(xiàn)場的實際狀態(tài)，并用于裝配質(zhì)量數(shù)據(jù)的預測分析及裝配現(xiàn)場工裝設備的力位協(xié)同調(diào)型控制，而且以此反作用于物理裝配現(xiàn)場，實現(xiàn)裝配性能的預先分析并獲取與裝配現(xiàn)場相一致的裝配精度與內(nèi)應力等裝配性能數(shù)值大小及分布狀態(tài)。當虛擬裝配質(zhì)量達到要求后，即可開展實際裝配工作，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，實現(xiàn)“虛實融合”，并使用虛擬裝配樣機進行裝配質(zhì)量的主動仿真以“控形控性”這一過程，具有以下典型特點。

（1）以高保真虛擬裝配樣機為裝配依據(jù)，可減少實物裝配試驗次數(shù)及簡化試驗環(huán)境。

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

虛擬裝配樣機的高保真構(gòu)建，是建立在裝配關鍵要素的測量感知及孿生模型的精確構(gòu)建基礎上。因此，數(shù)字孿生模型構(gòu)建過程所需的基礎技術(shù)應該被重點研究。首先需要通過現(xiàn)場測量傳感與虛實融合的方式，對裝配現(xiàn)場物理特性數(shù)據(jù)進行在位測量及處理，構(gòu)建虛擬裝配樣機構(gòu)建所需的數(shù)據(jù)基礎；此后，通過基于物理拓撲關系的幾何重構(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/應力狀態(tài)級、裝配流程級的孿生模型，以及整個裝配工裝設備系統(tǒng)對應的虛擬裝配樣機。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構(gòu)建方法，對裝配單元的“虛實融合”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測，為實現(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。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，實現(xiàn)面向裝配全流程及現(xiàn)場操作的虛擬裝配樣機構(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，實現(xiàn)“虛實融合”，可用于裝配幾何物理性能的有效預測及裝配作業(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，是準確預測裝配現(xiàn)場的產(chǎn)品精度、變形、應力狀態(tài)，以及裝配工裝系統(tǒng)工作狀態(tài)適應性控制的基礎。在上述技術(shù)內(nèi)涵中，考慮物理拓撲關系的孿生工藝模型動態(tài)高保真構(gòu)建與分析，是虛擬裝配樣機構(gòu)建的關鍵。這是因為裝配現(xiàn)場的環(huán)境復雜，帶曲率的弱剛性零件受裝配載荷作用，其變形狀態(tài)隨裝配工序的進行而發(fā)生變遷，導致型面重構(gòu)困難，無法在虛擬空間中高效精準地動態(tài)映射零件的實際狀態(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，關鍵裝配特征的力位參量具有復雜的動態(tài)耦合關系，導致難以準確計算與定義零件間的裝配間隙/階差協(xié)調(diào)狀態(tài)、應力分布狀態(tài)，以及根據(jù)裝配進程變化進行的狀態(tài)動態(tài)更新，導致裝配過程物理信息難以作為孿生系統(tǒng)構(gòu)建的基礎。因此，通過對零件偏差狀態(tài)、裝配變形及應力狀態(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撲關系，達到零件級、裝配狀態(tài)級的虛擬裝配樣機高保真構(gòu)建，是實現(xiàn)數(shù)字孿生“虛實融合”建模及高性能裝配驗證分析的關鍵。

2 虛擬裝配樣機構(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，融合產(chǎn)品狀態(tài)、裝配工裝設備狀態(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的裝配虛擬樣機，實現(xiàn)基于工序狀態(tài)變遷的真實裝配場景映射，如圖1所示。此后基于裝配虛擬樣機可為裝配工裝設備的力位協(xié)同控制、裝配過程質(zhì)量的預測、分析與閉環(huán)控制提供數(shù)據(jù)與模型基礎。

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

在虛擬裝配樣機具體構(gòu)建過程中，首先需明確物理現(xiàn)場裝配（圖1實線框）與虛擬裝配樣機（圖1虛線框）之間的映射關系，借助物理裝配現(xiàn)場的裝配狀態(tài)可視化建模與虛實融合同步性建模等手段，并通過對兩者進行比對分析，構(gòu)建虛擬裝配樣機以反映物理裝配現(xiàn)場的真實情況。此外，通過虛擬裝配樣機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)的預測分析及工裝設備的力位協(xié)同控制，以此反作用于物理裝配現(xiàn)場，保障虛實融合的同步性及以虛控實的準確性。具體地，在物理裝配現(xiàn)場，不同工步/工序?qū)淖友b配體之間會隨著裝配工序的進行，在裝配工序n上形成最終裝配體。在每個裝配工序?qū)膶\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)預測操作及模型的精確重構(gòu)等預處理工作，建立多個與各工序相對應的孿生模型。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中。

3 虛擬裝配樣機構(gòu)建關鍵 實現(xiàn)技術(shù)

依據(jù)虛擬裝配樣機的定義及技術(shù)內(nèi)涵，為了實現(xiàn)虛擬裝配樣機所具備的功能，結(jié)合圖1中的虛擬裝配樣機構(gòu)建流程，總結(jié)出關鍵實現(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、裝配樣機系統(tǒng)虛實融合同步性建模，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)不僅是裝配場景實時可視化顯示的驅(qū)動源，還為虛擬裝配樣機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交互的方式，借助測量感知硬件設備建立基于多個裝配工序流程節(jié)點的裝配過程數(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)點上加載基本信息與執(zhí)行裝配工序所需的所有工藝設計信息，通過工藝系統(tǒng)采集上傳至服務器。對于裝配過程中涉及的質(zhì)量與運行數(shù)據(jù)，通?；诋斍把b配單元的裝配工作流程開展，比如工步/工序流程節(jié)點，通過硬件設備采集系統(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，還需要進行復雜的數(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)點上，基于各類傳感器對應的信號采集和分析系統(tǒng)，可通過軟件API應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)關聯(lián)。除裝配前數(shù)據(jù)與裝配過程質(zhì)量與運行數(shù)據(jù)類型外，對于裝配流程數(shù)據(jù)，可由裝配節(jié)點組成的串并聯(lián)鏈表進行表示，在進入下一個裝配工藝節(jié)點或裝配工藝狀態(tài)變更時，建立數(shù)據(jù)周期性采集更新模板，用于驅(qū)動模型運轉(zhuǎn)與后期裝配作業(yè)過程追溯。對于裝配工裝設備，采集的物理設備實時動作數(shù)據(jù)還包括設備各子節(jié)點的調(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現(xiàn)裝配設備的數(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)接口與標準通信協(xié)議，根據(jù)傳輸協(xié)議FTP/HTTP、訪問方法、多址方案、信道多路復用調(diào)制和編碼及多用戶檢測等技術(shù)，實現(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進行傳輸，以及計算機、移動設備間的傳輸，應用效果較好。

（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。其中，DFS使多個主機通過網(wǎng)絡同時訪問共享文件和目錄；NoSQL能夠水平擴展應對海量數(shù)據(jù)；NewSQL數(shù)據(jù)庫表示新的可擴展的高性能數(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)化改進的有用信息，主要包括以下步驟。第一步，數(shù)據(jù)預處理與清洗，主要針對各階段裝配過程數(shù)據(jù)、裝配質(zhì)量數(shù)據(jù)與工裝設備數(shù)據(jù)易產(chǎn)生空值、重復、異常等錯誤。在裝配過程中，需通過時序?qū)剩⒁詴r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、假設檢驗、相關性分析、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)絡方法，分析數(shù)據(jù)間的關聯(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)分析的應用程序。在開展上述兩個步驟之前，通常還需進行數(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)學習訓練的難度，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、關聯(lián)和集成應對多源異構(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，用于實時監(jiān)控和快速捕獲目標信息，并使用實時數(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)、像素導入技術(shù)、圖標技術(shù)、層技術(shù)和圖像技術(shù)等方法實現(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)進行實時采集，通過MTConnect、OPC–UA、MQTT等協(xié)議規(guī)范傳輸至虛擬裝配樣機數(shù)據(jù)庫中。相應地，實時讀取數(shù)據(jù)庫中的融合數(shù)據(jù)、關聯(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、專業(yè)分析、決策優(yōu)化等結(jié)果以應用軟件的形式提供給裝配工藝人員，通過人機交互操作實現(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)，再加上設計數(shù)模，共同組成虛擬裝配樣機。樣機的表現(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?；贐OM實現(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備組成的整套虛擬裝配樣機系統(tǒng)。為實現(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進行建模，建立各尺度模型間的關聯(lián)關系及多維度模型間的集成關系。此后還需對融合后的模型進行驗證與校正，在模型精度不符合真實裝配場景時，需采取措施對融合后的模型進行更新，從而實現(xiàn)虛擬裝配樣機的高保真構(gòu)建，真實展現(xiàn)裝配現(xiàn)場物理實體的裝配性能狀態(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

為實現(xiàn)虛擬裝配樣機的融合性構(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)等關聯(lián)綜合關系。在實現(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系，并描述子節(jié)點模型在父節(jié)點坐標系中的幾何位置，對葉節(jié)點進行三維建模，依據(jù)層次組合模型最終建立與實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系，或者裝配工裝設備與產(chǎn)品之間的空間布局關系，從而基于構(gòu)建的各類別模型的約束關系與模型組裝順序?qū)崿F(xiàn)模型的組裝。由于虛擬裝配樣機中需要反映產(chǎn)品與工裝的真實狀態(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)關鍵擬合點在裝配坐標系中的實際空間位置修正并確定模型間彼此的空間位置及姿態(tài)關系。

在模擬組裝的基礎上，需要結(jié)合具體的裝配工況與現(xiàn)場物理特性實現(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)模型進行有機融合，形成面向裝配過程的虛擬裝配樣機。在具體的實現(xiàn)方式上，首先，將工藝流程節(jié)點、數(shù)據(jù)采集節(jié)點與裝配工序相關聯(lián)，構(gòu)建出由裝配節(jié)點組成的串并聯(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)場物理實體的真實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的傳感器數(shù)據(jù)可用于定義幾何模型的實時邊界條件，然后通過該物理模型在虛擬裝配環(huán)境中分析物理實體的裝配幾何精度與內(nèi)應力性能狀態(tài)；隨后，通過流程節(jié)點相關信息的加載，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)行當前工序所需的所有裝配信息，并將產(chǎn)品的可視化模型關聯(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感知數(shù)據(jù)及虛擬仿真結(jié)果，實現(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)品實物裝配的動態(tài)轉(zhuǎn)換，綜合反映物理實體的裝配工作過程及質(zhì)量狀態(tài)。

3.3 裝配樣機系統(tǒng)虛實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時幾何/物理數(shù)據(jù)為驅(qū)動，在虛實結(jié)合的準確性與逼真性基礎上，將采集到的實時數(shù)據(jù)驅(qū)動可視化模型同步進行，實現(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，即虛擬裝配樣機與裝配現(xiàn)場的同步性建模，實現(xiàn)流程如圖4所示。

圖4 裝配樣機系統(tǒng)虛實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、工裝設備定位和運行調(diào)整狀態(tài)進行虛實同步映射，形成裝配過程的數(shù)字化鏡像。在實現(xiàn)方式上，首先，建立裝配事件，并將其關聯(lián)到對應的實時采集數(shù)據(jù)及虛擬裝配樣機三維模型中，隨后引入時間觸發(fā)及變遷規(guī)則，展現(xiàn)虛擬裝配樣機對應裝配操作的動態(tài)變化過程；其次，根據(jù)工藝流程確定正在進行的工序，依據(jù)實測數(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)化為相應工藝階段的模型，對工藝狀態(tài)與詳細屬性進行實時顯示，保障構(gòu)建的虛擬樣機裝配系統(tǒng)具有較高的擬實性，直觀反映裝配工序變遷后的真實現(xiàn)場情況；最后，基于所建立的裝配現(xiàn)場測量感知系統(tǒng)、定位器運動控制系統(tǒng)和建模軟件系統(tǒng)之間的網(wǎng)絡連接，根據(jù)工裝設備末端的實際工作狀態(tài)，即工裝定位位置誤差以及受力變形，以及在定位調(diào)姿過程中的運行調(diào)整狀態(tài)（如各運動方向上的調(diào)整位移、順序等運行參數(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動控制腳本，并用實時位姿數(shù)據(jù)對其進行賦值，將工裝調(diào)型動作轉(zhuǎn)化為工裝各運動軸子節(jié)點的平移與旋轉(zhuǎn)變換，以工裝啟停信號啟動與結(jié)束設備的動作監(jiān)控，并在三維模型上添加相應約束，使真實位置與聯(lián)動機構(gòu)的運動保持一致，以實時位姿數(shù)據(jù)為驅(qū)動實現(xiàn)裝配定位的虛實同步調(diào)型映射。

此外，針對虛擬裝配樣機的動態(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)機描述裝配狀態(tài)轉(zhuǎn)移機制，將完工后的當前工序作為狀態(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物裝配進程發(fā)生的動態(tài)轉(zhuǎn)換，以及虛擬裝配樣機的逐步建模過程，從而精準動態(tài)地形成裝配過程的數(shù)字化鏡像。

在虛擬裝配樣機系統(tǒng)同步性建模的具體實現(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、設備管理和大數(shù)據(jù)分析等服務，充當傳感器與數(shù)字模型之間的網(wǎng)關，并可將數(shù)字孿生模型連接到正在運行的產(chǎn)品，以顯示各類傳感器數(shù)據(jù)，并通過Web應用程序分析建模結(jié)果。因此，此平臺在實際工程中的應用范圍較廣。

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時數(shù)據(jù)的支持下，以各裝配工步工序流程為節(jié)點，建立產(chǎn)品的可視化模型，以此關聯(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)與工裝設備的詳細屬性和狀態(tài)信息、裝配環(huán)境狀態(tài)進行虛實同步映射，并生成關鍵數(shù)據(jù)及裝配狀態(tài)監(jiān)控看板，實現(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現(xiàn)思路上，以幾何、物理、行為和規(guī)則等層面[24，28]的實時數(shù)據(jù)為基礎，建立裝配數(shù)據(jù)與對應裝配事件間的關系，對離散裝配狀態(tài)的變遷進行集成演示，進而轉(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行，實時映射工裝設備的裝配作業(yè)過程與產(chǎn)品質(zhì)量的實時狀態(tài)信息，并借助現(xiàn)場狀態(tài)看板對裝配執(zhí)行過程進行可視化實時監(jiān)控。

在可視化建模的具體實現(xiàn)方式方面，首先，對于裝配進度及狀態(tài)的可視化，結(jié)合PDM系統(tǒng)中三維裝配AO包含的工藝指導信息，讀取MES系統(tǒng)中的工藝流程與工序節(jié)點、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)可視化對當前裝配場景建模，進行模型的導入和實時生產(chǎn)數(shù)據(jù)的通信，建立起實時數(shù)據(jù)和孿生模型間的映射關系；其次，設計狀態(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行狀況。此外，還可通過進度條空間顯示、不同工序?qū)b配狀態(tài)的切換查看及顯示窗口的交互操作進行產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及裝配細節(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注手段，在實時數(shù)據(jù)驅(qū)動下，按照裝配工藝流程更新相關數(shù)據(jù)和生產(chǎn)統(tǒng)計信息，如裝配工步工序進度、工序完成情況和環(huán)境狀態(tài)等，通過文字、圖表等方式詳細展示裝配現(xiàn)場數(shù)據(jù)。其中，當前工步工序下的詳細質(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、標準差和統(tǒng)計量等。

為實現(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)品各級孿生模型進行修正或重構(gòu)，實現(xiàn)裝配質(zhì)量狀態(tài)、工藝狀態(tài)、裝配動作的可視化及實時動態(tài)顯示；其次，將裝配工裝設備的定位狀態(tài)數(shù)據(jù)及運行數(shù)據(jù)與相對應的幾何模型相關聯(lián)，即將采集的設備運行參數(shù)映射到設備的三維模型上，在工裝設備動作數(shù)據(jù)驅(qū)動下各嵌套子節(jié)點聯(lián)合執(zhí)行動作命令，進行關鍵實時工序中關鍵三維模型的變化，結(jié)合工裝具體的裝配平移、旋轉(zhuǎn)等位姿調(diào)整動作，也就是各級運動軸節(jié)點的動作數(shù)據(jù)，實時更新位置信息并進行插值處理，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)機運行，保證工裝設備運行狀態(tài)的同步性，以此實現(xiàn)在不同工位之間的狀態(tài)轉(zhuǎn)換；最后，使用實時數(shù)據(jù)對裝配環(huán)境數(shù)據(jù)和裝配動作進行虛實同步映射，并以人機交互的方式進行多視圖的動態(tài)展示。此外，對于裝配過程中的異常數(shù)據(jù)消息，可通過警告彈窗進行提醒，還可通過人機交互方式來顯示和隱藏各設備和關鍵的狀態(tài)信息看板。

4 虛擬裝配樣機綜合構(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、裝配樣機系統(tǒng)虛實融合同步性建模、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融合特點的虛擬裝配樣機系統(tǒng)，如圖6所示。在虛擬裝配樣機中，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，在虛擬裝配樣機系統(tǒng)中，通過實測數(shù)據(jù)虛擬交互及虛擬仿真驗證的手段，在其中也融合了薄壁結(jié)構(gòu)真實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)部的應力及應變狀態(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鍵部分，一方面作為在裝配虛擬樣機中進行精度與性能仿真的基礎，另一方面還可與實際監(jiān)測值作對比分析，作為反映裝配性能虛擬仿真準確度的依據(jù)，從而切實保障裝配工裝的高效精確定位與薄壁結(jié)構(gòu)的精準裝配。

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)虛擬裝配樣機的技術(shù)內(nèi)涵，其本質(zhì)是一個高度擬實化的數(shù)字孿生裝配系統(tǒng)，可以借助其在虛擬環(huán)境中進行多尺度裝配幾何量與物理量仿真，預先進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)應力等性能數(shù)值大小及分布狀態(tài)，當虛擬裝配質(zhì)量達到要求后，即可開展實際裝配工作，切實保障裝配質(zhì)量及一次成功率。

（2）在虛擬裝配樣機構(gòu)建的實現(xiàn)方式上，提出4項關鍵實現(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、裝配樣機系統(tǒng)虛實融合同步性建模、裝配過程與裝配質(zhì)量狀態(tài)可視化建模等內(nèi)容，并對其操作步驟進行了深度分析。

（3）提出了虛擬裝配樣機的綜合構(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)方案的基礎上，結(jié)合典型航空薄壁結(jié)構(gòu)件的真實裝配場景，實現(xiàn)虛擬裝配樣機的精確、高保真及動態(tài)構(gòu)建，為裝配質(zhì)量的主動實時控制提供模型與數(shù)據(jù)基礎。