数字孪生在工艺设计中的应用探讨

数字孪生在工艺设计中的应用探讨

冯岩

哈尔滨飞机工业集团有限责任公司 黑龙江省哈尔滨市 150066

摘要：数字孪生作为赛博物理系统的关键技术，能够对物理世界进行数字化描述并有效管控产品全生命周期的数据，随着对CAPP研究的不断深入，CAPP逐渐朝着智能化的方向发展：对STEP—NC非线性工艺规划中加工工序序列的生成问题，提出了一种基于BP神经网络的工步序列智能化决策方法；Kang利用本体技术对工艺知识进行建模，建立了基于本体的工艺决策专家系统，加工特征工艺方法的自动选择和排序；实现了零件特征级工艺设计成果的有效重用。

关键词：数字孪生；装配；工艺设计

航空机电产品是飞行器的重要组成部分，对于保障飞行器的飞行安全，达成飞行任务具有非常关键的作用。装配工艺所使用的模型也是来源于单一形式的产品设计模型，只能表征产品几何特征和尺寸要求，难以满足对产品特征和性能参数的表征要求，所运用的工具也难以满足对于产品性能指标的仿真验证需求。借鉴数字孪生技术，重新定义装配过程的数字模型，为实现装配过程各要素的全面数字化提供了新的思路。

一、数字孪生与装配工艺模型

装配工艺的设计过程，就是在已有的人员、材料、工具和设备等生产资料的约束下，满足装配工作的时间、成本和质量目标，规划产品的装配流程和工艺参数的决策过程。而装配工艺模型的建立，则是工艺设计过程中进行决策的基础。由于数字孪生模型具有跨学科、多尺度和多物理量的特点，装配工艺数字孪生模型已经不再是传统意义的某一个或某一类模型，而是由描述产品装配过程的多个不同学科的数字模型所组成的模型集。这个模型集由基于 MBD 的产品模型引申和发展而来，分别从产品模型中提取了所需的产品装配结构、几何信息、技术条件和工艺要求等信息，并运用相应学科的建模工具进行建模，进而形成了一个包含各种不同物理量，能满足不同学科仿真与技术需求的数字模型集。

装配数字孪生模型具有层次性。通过将产品分别从系统、分系统、部件、组件和零件等层次进行划分，根据产品的装配结构特点，每一个高层级的模型中包含若干个低层级模型，不同层级中可以关注不同细粒度的指标，用于满足不同层级的仿真需求。装配数字孪生模型能参与多学科领域的仿真计算，其所包含的模型集，是在产品基本设计模型的基础上，衍生出应用几何、结构、力学、热学和材料等不同特性的物理参数，能供包括机械、电子、液压、气压和信息等不同的学科领域进行多学科联合仿真。通过运用各学科的仿真工具，工艺人员可以分别运用数字孪生模型中所包含的模型集，对产品的装配进行工程分析，并可以进行虚拟环境下的装配和试验工艺的仿真，并将仿真的结果进行输出，运用视景仿真的方式实现装配生产现场的虚拟可视化。

装配数字孪生模型是工艺员在基于 MBD 的设计模型的基础上，运用理想的设计参数来建立的包含一系列各种装配工程所需的模型的集合，其所描述的产品与装配生产现场的产品实物是存在差异的。随着企业信息化建设发展，车间详细制造数据和过程系统 MDC物联网和大数据技术的应用，布置传感器构建数据采集系统，可对制造过程中产生的工时、物流、产品状态和实际的装配参数等制造数据进行采集，并保存到企业统一的运行数据库中。一旦装配车间现场发生与装配工艺规程不符的情况，工艺员可以通过数据接口查看并调用相关的数据，修正理想数字孪生模型，如调用工时数据来修正排产模型、调用物料的物流数据来修正物流模型、调用实时装配参数来修正装配工艺模型等，实现实时刷新和修正数字孪生模型的效果。为了与理想的数字孪生模型区别开来，将其称作产品实作数字孪生模型，而产品实作数字孪生模型能反映现实的真实装配状态。通过不同的工具对实作数字孪生模型进行仿真分析之后，形成工艺优化方案，并最终形成优化后的装配指令，并通过数据接口传送给装配车间现场，以便在生产中执行。通过装配数字孪生模型与产品的虚实融合，最终将实现装配工艺的实时修正的目的，提升装配工艺设计对于生产的快速应变能力。

二、装配数字孪生模型的关键技术

作为一个新生事物，装配数字孪生模型在装配工艺设计中应用的过程中，还需突破以下关键技术，才能成功的落地实施。

1、基于灵敏度分析的目标特征建模技术。数字孪生技术理论上可以对研究对象的任何特征进行建模研究，但是大而全就意味着模型体量的无限增大，会影响数据的存放、处理和管理效率，而且过多的特征会造成模型使用困难。基于灵敏度分析的目标特征建模技术是解决建模颗粒度问题的关键技术。该技术以产品数字孪生建模的需求工程为基础，明确建立数字孪生模型的研究目的，控制需求的范围，梳理对既定研究目标有影响的所有因素，进行对产品影响因素的灵敏度分析，按影响的大小排列所有影响因素，排除影响较小甚至没有影响的因素，重点关注影响较大的因素，并将其相关的特征作为建模和研究对象，进而厘清需要从哪些角度、哪些学科、用哪些物理量以及细分多少层次来描述产品。

2、基于关键特征的装配过程虚实映射快速建模技术。为保证装配数字孪生模型能准确映射装配生产全过程，结合产品的装配路径规划、装配物料配置和装配工位布局，建立与之映射的装配生产模型和工艺模型，重点关注梳理出来的对产品功能性能有较大影响的关键产品特征和工艺特征，结合积累的产品知识，实现对装配数字孪生模型集中相关数字模型的快速建模。另外，在工艺设计阶段通过虚拟现实环境中的装配生产全过程仿真，特别是关键特征点的仿真，实现对影响产品性能的关键特征的验证和优化。

3、变复杂度的数字孪生模型建模技术。装配数字孪生模型具有层次性的特点，不同层次的模型所需要研究的特征或因素是不同的，例如在典型的机电产品仿真中，液压系统的仿真分析只需要在系统级的仿真中完成，产品级的仿真中只需要调用仿真结果即可。因此，针对不同层级的数字孪生模型的使用需求，定义各层次的研究对象，以及仿真验证的目标，形成产品各层级的数字孪生建模需求。基于人、机、料、法、环、测等制造全要素，确定各层级的建模对象、所需建模工具和建模方法，建立适宜的变尺度、变粒度、变复杂度的仿真模型，以满足具体仿真场景的需求。

4、装配数字孪生模型与实物。双向映射与刷新技术。装配过程设计需要综合考虑装配过程中的制造全要素对于产品功能性能的影响，然而不同的制造要素数据来源不同、结构不同、表述的方式也不相同，需要建立多源异构的复杂数据的分类和关联建模的方法，处理多学科、多尺度和多物理量的装配信息数据，表述不同物理量在制造过程中的影响。另外，将数据采集、大数据和私有云等先进技术应用到装配过程中，实现产品实物装配过程中产生的实际参数与装配数字孪生模型的数据交换，进而实现数字孪生模型与实物的双向映射与刷新。

基于装配数字孪生模型的三维装配工艺设计系统，结合物联网、大数据和云计算等先进技术，建立数据接口实现装配数字孪生模型与产品实物的虚实融合，用实时数据修正装配数字孪生模型，为智能制造背景下的计算机辅助工艺设计 CAPP 系统指出了一个可行的发展方向。

参考文献：

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[2] 于勇，范胜廷，彭关伟. 数字孪生模型在产品构型管理中应用探讨. 航空制造技术，2017，（7）：41-45.

[3] 戴晟，赵罡. 数字化产品定义发展趋势：从样机到孪生.计算机辅助设计与图形学学报，2018，30（8）：62.