基于数字孪生的飞机部件装配管理

Aircraft component assembly management based on digital twin

摘要

针对现代飞机部件装配过程中存在的装配信息量大、装配工艺复杂的问题，提出了一种基于数字孪生等相关理念的在线可视化装配模型。综合考虑飞机部件装配过程前后所涉及的零件、装配件和段件的尺寸准确度等物理数据和工艺参数，并结合Oracle数据库技术搭建信息集成平台，以映射表的形式实现物理空间和孪生空间的数据交互，将装配过程中的各种信息进行可视化管理。该模型能够提高装配效率，同时帮助工作人员科学决策。

Abstract

To solve the problems of the large amount of assembly information and complex assembly process in modern aircraft component assembly，an online visual assembly model based on digital twin and other related concepts was proposed.Comprehensively considering physical data and process parameters such as the dimensional accuracy of parts，assemblies and segments involved before and after the assembly process of aircraft component，an information integration platform was built combined with Oracle database technology，which realized the data interaction between physical space and twin space in the form of mapping tables，visually managed various information in the assembly process.The model improves assembly efficiency，at the same time helps staff make scientific decisions.

Graphical abstract

关键词

数字孪生 / 轻量化模型 / 三维可视化 / 飞机部件装配 / B/S架构

Key words

digital twin / lightweight model / 3D visualization / aircraft component assembly / B/S architecture

飞机结构具有零件多、尺寸大、外形复杂、精度要求高的特点，从而导致在装配过程中容易出现数据偏差累积的情况^［1］。如果将这些数据以表格和模型的方式实现可视化，就能直观处理数据且避免不必要的误差，但不能满足飞机装配过程中对数据的动态需求。交互式可视化在数据库技术的支持下，不仅能有效地管理庞大的数据，还能做到实时数据动态交互，因此可视化技术在飞机装配过程中显得尤为重要。伴随着数字孪生技术的发展，国内外学者在数字孪生领域内做了大量的研究。在数字孪生装配方法上，丁志昆等^［2］提出了与AR相结合的多人协作装配方法，通过利用根锚点的协同方式实现了协同装配。在应对飞机等复杂产品装配上，胡兴等^［3］、武颖等^［4］从管控装配过程的角度出发，研究了一种基于数字孪生的复杂产品装配过程管控方法，实现了产品装配过程的实时可视化监控、运行状态在线分析与预测。以装配体修正模型为核心，从装配过程调控方法和数字孪生装配车间的运行机制角度，胡秀琨等^［5］解决了车间内物理空间与信息空间融合的瓶颈，为复杂产品装配车间的改进提供了新的思路。在优化装配工艺设计方面，郭飞燕等^［6］通过虚实融合、以虚控实的手段，对数字孪生模型驱动的航空产品装配工艺优化—反馈—改进机制进行了分析与研究。杨浩然等^［7］针对飞机装配中柔性结构的装配偏差分析与控制问题，阐述和总结了国内外对于飞机结构中柔性件装配偏差分析与控制的研究进展，为飞机柔性件装配提供参考。陶飞等^［8］针对构建数字孪生模型问题，以数字孪生车间为例，从车间要素实体建模、生产过程动态建模、生产系统仿真建模等3个方面对数字孪生车间模型构建理论与技术开展了研究和实践。李西宁等^［9］基于多传感器信息融合方法，设计多传感器信息融合模型，对感知的多源异构信息进行融合处理，通过构建状态感知模型，实现了对部件装配单元定位状态的直观表达。唐健钧等^［10］为改善飞机装配过程中增强现实应用系统在通用性、一体化方面的不适应性，提出一种新的飞机装配作业AR智能引导系统，初步实现了在液压管路装配过程中实时引导和智能检查。耿育科^［11］从理论上对装配工装目标精度进行定量分析，并在某机型装配工装设计中进行了应用，为统一量化的装配工装精度分析提供了新的思路。张永亮等^［12］分析了飞机确定性装配技术的国外应用发展和国内研究应用现状，总结了飞机确定性装配所需的关键技术，针对某型号飞机复合材料壁板装配提出了全尺寸确定性装配的技术方案。杨文等^［13］针对我国各型飞机种类及数量需求快速增长、飞机制造业迫切需要新建或改建装配线的实际需求，总结了一种飞机移动装配线总体设计模式，并于某型国产飞机移动装配线建设中投入应用，取得了良好效果。以上分析可知，目前学者们对于数字孪生装配的重点仍然是从装配过程管控、装配方法等方面来提高装配效率，但是数字孪生模型迭代的过程多变、数据流大、实时性要求高，这就容易导致模型难以高效更新并筛选庞大的数据量。本文构建基于数字孪生的驱动模型，利用数据库、映射表等相关知识完成了工装环境下的装配三维可视化模型，用表格化、模块化、可视化的方式处理信息，对解决此类问题有一定的参考意义。

1 基于数字孪生的信息交互映射模型设计

1.1 孪生数据虚实实时映射模型

在实际生产过程中，工作人员通过扫码枪扫取二维码或者依靠射频识别系统来完成电子标签识别信息的存储和传递。这些信息包括装配件的自身测量数据、装配件的实时装配状态、负责工装的人员和仪器状态，还包括装配完成后的工程数据及满足物料、工艺可追溯性的历史数据等。将这些信息分类管理并存储在相应的数据库中，这些数据会通过映射表的形式与孪生空间的数模形成一一对应的映射关系。这种映射是自动建立的，意味着系统会自动捕获和映射实时数据，而不需要用户手动干预。这种自动建立的映射可以帮助系统实时地反映数据的变化，从而支持实时分析和决策，如图1所示。

当物理空间的状况发生改变时，实时采集的数据会立刻传输到信息交互平台用来更新数据库中对应的映射表格。当孪生空间需要查看、更改某些信息时，平台会通过指令检索对应数据表中的数据，核对数据表格的生成和变动时间，从而对数据表进行更新、调用，这样就实现了物理空间和孪生空间在数据上的实时映射关系。整个动态更新机制如图2所示。

1.2 结构树映射控制

结构树通常是在设计阶段建立的，用来表示产品的组成结构和各个零部件之间的关系。在实际装配过程中，模型结构树所展示的是一种静态的装配关系，可以利用智能装配工具实时对应实际装配过程中各种装配模式及装配状态。通过扫描零部件上的标识码或使用RFID技术，可以将装配过程中的零部件与静态结构树进行实时匹配，确保装配的准确性和完整性。根据物理空间传输的数据及表头信息，将装配任务及完成一个独立装配任务的其他相关信息导入到结构树数据库中，反馈到信息交互平台后根据不同的任务阶段划分不同的装配节点，通过赋予每个节点不同的ID来实现结构树的划分。图3是在Oracle数据库中编写的结构树信息映射表，图中所有的ID都是通过自增生成，每一个节点都有对应的ID。当平台发出查询某个节点下的装配信息指令时，通过相关语句查询对应的ROWID，匹配到当前节点的ID。同理，与当前装配任务相关的工作人员、装配件、装配设备等信息也可以通过这种方式存放在对应的节点下。最后通过规范接口实现数据转换，最终以图4结构树和表格的形式呈现。

1.3 装配状态属性控制

物理空间中各装配件和装配设备的状态数据反馈到信息交互平台的装配状态属性数据库之后，通过规范接口实现数据转换，在结构树的对应节点下以可视化表格的形式展现。当设备或零件处于待装配状态时，对应的基本属性会输出为待装配；当装配完成后基本属性会输出为正常。整个装配特性控制操作流程如图5所示，M1和M2分别为判断装配仪器和装配件状态输出的最终值。只有当装配仪器和装配件输出的最终值相等且为1时才会加载并渲染三维轻量化模型，否则就会返回信息交互平台，更新并查询映射表，直至最终值相等且为1时再开始下一步操作。

1.4 装配特征多种关系控制

在装配过程中会涉及到零部件组装、位置、尺寸、功能、材料等多种装配特征关系，由于EXCEL表单的结构表达不够完备，因此采用了表格分类存放及多个标签页并行的方式来对应装配数据的结构层次。例如在VS平台中，一个EXCEL表用来对标数据库中的tables节点，而不同的标签页用来对标tables节点下各个装配任务节点。VS平台中部分表格的分类存放关系如图6所示，对应数据库中的表格结构树节点如图7所示。

在数据库中存放了大量的装配件和装配仪器数据，这些数据决定了最终装配的结果是否精准。设备名称、设备代号、鉴定状态、工装时间等信息在通过映射表映射到信息交互平台后，按照制定好的规范将表头信息和对应的结构树ID相匹配，每一个装配进程所需的人员信息、设备状态、测量数据等都放在相应的装配节点下，便于统一监控和管理。

2 关键要素建模

2.1 模型构建

构建数字孪生模型参考了“四化四可八用”的构建准则^［14］，即以可用、通用、速用、易用、联用、合用、活用、好用为目标，满足精准化、标准化、轻量化、可视化及可交互、可融合、可重构、可进化的要求，从“几何-物理-行为-规则”多维度出发，包括装配的设备、装配的物料、装配型架、人员安排等要素，然后以CATIA轻量化模型的方式进行建模。通过仪器设备反馈的实时数据以图8映射表的形式进行映射，装配件的状态、名称、属性等信息映射在表中后，会按照表中的ID放在对应节点的ID下。由于ID的对应关系是一一对应的，所以当信息交互平台发出指令时，系统能更快速、精准地找到对应ID下的信息。基于这种映射机理，数模不仅可以进行实时的调整和更新，同时也方便实现数模和数据表格之间的动态交互。

2.2 模型信息获取

想要更直观地获取当前的装配状态，读取结构树是比较有效的手段，因此准确建立轻量化模型和结构树之间的连接信息是实现装配三维可视化的关键。在系统界面内，装配件的装配状态信息是以属性的形式显示在对应结构树节点下的，而Oracle数据库中映射表的信息与这些属性又是一一对应的关系。因此通过循环遍历装配状态属性控制模块，对结构树的节点进行匹配识别，然后通过鼠标点击调用回调函数将对应节点信息提取到界面的展示框内。具体的实现过程如下：

（1）基于映射表和结构树之间的映射机理，通过监听函数获取鼠标当前的操作事件来获取被选中的装配任务节点，然后通过遍历结构树的方法获取当前节点下的所有子节点。

（2）将所有子节点的ID依次存入一个集合，集合中的第一个元素就是当前装配任务节点下的根节点，其他节点依此类推。

（3）循环执行步骤（2）就可以获取当前节点的所有属性。在整个节点循环的过程中，可以得到这些装配件的装配状态、完成循环节点及接下来要进入循环节点的ID等信息，将这些信息读取之后再以表格的形式呈现出来。

3 信息交互平台功能实现

3.1 平台搭建

孪生空间和物理空间的映射交互需要借助信息交互平台来体现，首先要初始化应用程序，以Visual C# 作为开发语言，新建一个空的ASP.NET Web应用程序，在新建的空网站项目上添加一个Web窗体。接下来通过VS开发应用平台来设定和开发Web应用程序。为方便后续操作，先设置好用来存储图片、框架数据等信息的前置文件夹。前端设计引用了Bootstrap前端开发框架。Bootstrap 是一个基于 HTML、CSS、JAVASCRIPT 的、用于快速开发 Web 应用程序和网站的前端框架，在包括导航图、列表等内容的框架基础上做了完善，搭建了一个如图9所示的基于B/S架构的软件体系，使其更能满足实际装配过程的需要。展示层主要是对CATIA轻量化后的模型进行渲染，将其三维形态在Web端显示；业务逻辑层负责各项功能的具体实现，包含了各个功能模块之间的运行逻辑；数据访问层包含了大量的数据访问接口，通过这些接口与后台数据库之间进行数据上的反馈和驱动。

以某飞机机翼装配为例，在信息统筹阶段，设计部门会记录审签信息、提供发送和更改指示的文件，制订工艺总方案，由制工部制订装配制造计划，规定装配流程的站位、工作内容、工装、重要协调部位、标工等信息，这些信息都会以文件、表格的形式暂存在信息交互平台中。系统功能区域展示如图10所示，可划分为3个主要的功能区：①为结构树管理模块，在此模块中可以选择正在进行装配的任务，查看并编辑相关内容；②为当前结构树节点下的装配任务菜单，可以查看负责装配的人员、装配时间、装配状态控制等内容；③是显示模块，用于显示任务说明、工程图纸、零件名称和零件号、工装要求、工序检验点及完成一个独立的装配任务所必须的其他信息，这些信息都会通过映射表呈现在相应的功能节点中。

3.2 孪生模型交互功能

张博等^［15］在建模时从几何模型、工艺模型、行为逻辑模型和约束规则模型的角度出发，研究了复杂构件装配从物理空间到虚拟空间的真实映射。在实际生产过程中，来自映射表的信息通过接口传入信息交互平台，根据物理车间的装配状态赋予数模属性，然后对当前的数模进行渲染，使其在视觉上更逼近真实的物理实体，从而生成基于物理空间的孪生模型。交互操作的主要作用是为了更好地帮助装配人员和管理人员直观且方便地掌握各个装配件的装配细节和装配状态。当映射表的数据更新时，模型也会进行自我更新，保持与物理空间信息同步。

4 结论

针对现代飞机装配孪生车间中存在的孪生信息简单、数据与装配过程映射机理不清晰的问题，本文提出了一套基于映射表的数字孪生在线可视化装配模型，同时依托ASP.NET软件设计和Web开发等技术设计了飞机装配过程管控系统，并以某飞机的机翼装配为例，验证了这种基于映射表的数字孪生三维可视化方法的可行性。该研究可以与MES系统进行有效对接，对于提高飞机装配的效率和装配的质量都具有一定的意义。

参考文献

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基金资助

国家自然科学基金(52001217)