面向数字孪生的飞机装配测量与调控

李梅平，张永亮，刘宏伟，安鲁陵，赵聪

（1.沈阳飞机工业（集团）有限公司，沈阳 110034；2.南京航空航天大学，南京 210016）

0 引言

飞机装配是飞机制造的重要内容，其特点是采用一种独特的尺寸传递与协调方式，以保证零件与零件、零件与工装、工装与工装之间的协调，进而保证装配准确度。传统的飞机装配是使用模拟量尺寸传递模式，飞机设计师利用模线定义飞机的外形与结构，将飞机结构尺寸和形状利用实物形式的标准工艺装备传递到下游制造车间与装配车间，所制造的工装、零件和部件通过模拟量手段（如样板）进行协调与检测，在当时的科技水平下，这种协调方法是一种达到较高协调准确度的有效方法。自20世纪80年代后期以来，随着科学技术的进步，数字化技术开始应用于飞机装配，并在国内外航空工业中得到了普遍应用。在新型飞机的研制和生产中，集成了工业领域最先进的科技成果，如数字化设计制造、虚拟现实、激光跟踪定位、自动控制等，这些技术的应用显著提高了飞机装配质量和效率。对飞机机体来说，最主要的目标是保证其装配的几何准确度，包括外形准确度、大部件之间相对位置的准确度等，主要是满足装配协调的要求[1]。

目前，整体结构件和复合材料构件在飞机机体上的应用日渐增多，在装配中要经历定位、夹紧、连接等环节。零构件不可避免地存在制造偏差，要满足装配几何准确度要求，在上述环节中需要进行校形、补偿、加工（制孔等）和连接，这些操作将会引入一定程度的装配应力，装配应力会对结构的力学性能造成影响，应力过大时甚至导致结构的局部损伤，降低结构的强度和疲劳寿命[2-5]。因此，仅仅以几何准确度为依据的飞机装配质量评价标准已不够全面，需要结合装配结构的力学特性，从装配过程中飞机结构的外在形貌和内在状态对其进行全面的监测和评估，对保证飞机装配结构的几何精度和力学性能至关重要。

如上所述，为保证飞机装配质量，除了满足几何精度要求以外，还应使装配结构中不出现过大的装配应力，数字孪生可以为定义新的装配质量评价指标提供支撑。数字孪生概念的出现已有20年的历史，有关数字孪生的定义以2012年美国NASA给出的广为业界接受[6]，庄存波等[7]也提出了数字孪生体的概念。归纳起来，数字孪生是在计算机中力图真实表征物理实体的数字体，两者之间进行信息交换和数据传递，并利用传感器、求解器进行信息和数据的更新，以保持两者之间的实时同步，达到真正的孪生。就飞机装配的上述问题，本文就数字孪生与飞机装配的结合进行分析，结合当前迅猛发展的数字化测量，也就是物理世界和计算机世界的联系载体，探讨飞机高质量装配的有效途径。

1 数字孪生技术的应用

在NASA的阿波罗计划中，为保证万无一失，制造了一对完全相同的空间飞行器，一个飞到空间完成所要求的工作，另一个在地面基地作为太空中飞行器的孪生兄弟，一是用于对航天员的训练，二是用于模拟和预测太空中飞行器的状态和状况，从而为正在执行任务的航天员提供可借鉴的决策[8]。

随着数字化技术的进步，从初期用数字化模型来表达物理实体的形态和特性，发展到今天用来模拟其行为和性能。这个概念早在2003年被Michael Grieves教授叫做“镜像的空间模型”，也被认为是数字孪生体的原型。

数字孪生技术在航空工业的应用首先是从美国波音公司开展的，波音公司在787客机的研制中，应用CATIA建立飞机的MBD（Model Based Definition，基于模型定义）模型，基于MBD模型拟定总体装配方案，确定装配规程和流程。MBD模型是一种全三维的数字化模型，其中既包含了定义产品的几何数据、拓扑信息，又包含有关制造装配检测等的非几何信息，构成了产品设计制造的完整数据集。在制造的各环节中，使用上述单一的全三维数据集，避免了由于多源数据造成的差错，显著降低了工程更改和工艺更改工作量[9]。空客公司将数字化技术用于380客机和A400M军用运输机的研制，建立了数模与实物的关联关系，通过数字化检测手段，获知物理实体的实际状态，反馈到工艺设计系统中，实现对装配工艺的修正[10]。洛马公司将数字孪生技术应用于F-35战斗机项目中，建立了飞机的数字孪生模型，与飞机实物相对应、相互关联，应用数字化仿真技术，模拟飞机在现实世界中的制造、装配和飞行过程[11]。美国空军引入数字孪生技术，建立了某新型航天器的数字孪生模型，用于解决飞机机体健康的检测[12]。ANSYS公司推出的多物理域建模与仿真平台功能十分强大，可用于构建产品的数字孪生模型，与物理实体相关联，无需停机即可预测和诊断产品的功能和性能、运行故障，并推荐相应处理方案。

目前，我国飞机制造业均已经全面应用全三维的数字化设计制造技术，基于所建立的数字化测量场，将自动化技术应用于飞机装配，一方面就装配过程中的各个环节对装配方案进行仿真和验证，另一方面通过数字化测量手段，获取装配过程中的数据，对装配状态进行调控，有效地保证了飞机装配质量和产品性能[13]。最近的几年里，飞机制造企业越来越重视数字孪生技术，借助于多种电子标志与识别手段，采集飞机制造过程中各个环节的信息和数据，监测和记录生产实施过程中出现的问题、解决方法，对这些现场的数据进行分析和整理，存储到数据库中，为今后的数字孪生技术的应用提供基础[14]。文献[15]研究了某航空发动机低压涡轮的装配，建立了产品、工装、工艺的数字化模型，使用多种类型的传感器监测装配过程中的产品、工装的实际状况，并与数字化模型中的理论状况相比对，实现虚拟环境中理论模型与现实环境中物理实体之间数据的映射。在此基础上，实现装配过程中的故障预测、干预决策。

目前，国内外学者虽然在基于数字孪生技术的复杂装备装配领域做了一些探索，但在此领域，虚拟模型-物理实体的实时映射和数字孪生建模仍存在不少问题和挑战，影响着数字孪生在飞机装配领域的应用和发展，因此面向数字孪生技术，开展飞机装配中的测量与调控技术研究，有助于推动数字孪生技术的发展和落地。

2 装配过程多源数字化测量技术应用

数字化测量如同我们的视觉、听觉、嗅觉、触觉一样，是我们感知物理世界和计算机世界的本能，在数字孪生建模和飞机装配中是至关重要的手段。当前，随着科学技术的进步，数字化测量技术迅猛发展，多种多样的仪器和方法为飞机装配提供了有力的支持。

2.1 大尺寸场景测量技术

20世纪90年代以来，Indoor GPS[16]、激光跟踪仪[17-18]、激光雷达[19]等数字化检测技术在国内外飞机制造领域应用愈加广泛，已由关重件单一方法的检测发展到整体产品生产过程中多传感器融合的全面监测，制订了相应的测量标准规范，并将数字化检测与监测的数据反馈到零部件生产现场，通过参数调整、补偿措施，实现飞机部装和总装的过程调控和质量保证，提升飞机制造的总体水平。

波音公司率先开展Indoor GPS系统的研究与开发，首先将其应用于747飞机的生产中，成功实现机身段的对接装配。随后，又被应用到波音787及F/A18飞机装配线上，完成了部件和装配工装的检测，以及大部件的精确调姿。

为保证部件的测量精度，空客公司在A380总装线上采用4台激光跟踪仪，建立总体坐标系，实现多激光跟踪仪的集成，用于翼身对接、机身成龙等过程中的大部件对接。飞机机体外形的测量用到了激光雷达、激光及结构光测量仪等测量手段。

国外飞机装配领域，多源传感数控自动定位和自动对接等技术应用于零部件的制造和装配中，如在部件装配工位，激光雷达、激光跟踪仪等数字化测量仪器的普遍使用可以简化甚至省略装配定位工装等，使飞机大部件装配朝着自动化、数字化和柔性化的方向发展，提高了飞机生产的质量和效率，减少了装配工装数量，缩短了生产准备周期。

国内航空制造企业、研究院所和高校对多源智能测量技术开展了大量的研究[20-24]，包括飞机零件的制造与检验、装配型架的安装与定检、翼身对接、飞机水平测量等工作，涵盖了飞机零件的加工、组件装配、部件装配、飞机总装、测试交付等飞机制造全过程，构建了多测量手段构成的多源智能测量平台，构成了多测量系统和制造装配工装与装备互联互通的有机体。

2.2 面型特征激光扫描测量技术

目前，高性能激光扫描仪的最高扫描速度达到120 万/s，巨大的数据量会影响点云模型的传输和处理效率。三维点云简化的主要目标是保持模型有效特征前提下，尽可能多地减少点云数据量，主要方法有基于曲面拟合的简化方法、基于网格的简化方法和基于三维点云的简化方法[25]。对大型客机、大型运输机来说，测量数据简化需求更为迫切。一般的点云数据简化算法和软件功能，容易丢失模型的重要特征。如何在保持测量对象特征的前提下，提高数据处理的效率，依然是工程中亟需解决的问题。

在多源测量数据融合方面，国防科技大学的杨景照等[26]针对激光跟踪仪，提出了一种测量网络的评测方法和数据融合方法，结合GPS和STEP标准，建立了基于要素的坐标测量信息规范模型，并开发了全三维评测与规划系统。

2.3 基于视觉的测量技术

基于视觉的测量方法是利用视觉检测设备获取被测对象的图像，据此计算其有关几何尺寸与形状或位置的数据。这种方法属于非接触测量方式，不会损伤被测对象的表面，且操作简便灵活，检测效率高，因而在飞机制造企业的应用十分广泛，主要用于零构件的尺寸测量、装配型架的安装与定检、部件装配几何精度的检测等。

基于视觉的测量方法主要有结构光测量、双目立体视觉测量和摄影测量等[28]。此类测量仪器如Metra SCAN手持扫描仪和ATOS流动式光学扫描仪，前者方便测量局部曲面，可用于发动机叶片、飞机壁板形面的测量，后者基于光栅测量原理，通过多视场的数据拼合来实现大型曲面零件的测量。为了提高ATOS在测量大型曲面时的定位精度，可利用Tritop测得的参考点实现拼接。

V-STARS系统是美国GSI公司研制的工业数字近景摄影三维坐标测量系统，测量精度可达4 μm，且测量速度快、自动化程度高，在航空航天领域得到广泛的应用，如波音737工艺装备的测量、空客320机翼吊挂的测量、西飞转包项目中的部件测量等。

2.4 应变测量技术

在航空航天、汽车、船舶、机械等行业领域，结构的力学性能至关重要，应变是表征结构力学性能的一个重要指标，对产品的寿命、安全性和可靠性影响显著。目前，零件表面应变测量的主要手段是电阻应变片法，测得应变后，再根据本构关系得到零件表面的应力。随着火箭、导弹、飞机等性能的日益提高，其结构和受载状态愈加复杂，对结构可靠性提出了更高的要求，对应变测试也提出了更高的要求，不仅需要了解局部位置局部方向的应变，而且还需要掌握结构区域的应变场的分布和演变。

目前，除了应变片电测法外，利用光学测试应变的方法发展迅速，这种光学测试方法是基于现代光学技术、机器视觉和计算机图像处理技术而发展的，可用于测量结构表面或内部的应变、应力、位移、振动等。这方面有数字图像相关[29-30]技术（Digital Image Correlation，DIC）、双折射应力测量技术、数字光弹性法，以及光纤Bragg光栅应变传感器法等。

光纤Bragg光栅传感器[31]是一种波长调制型光纤传感器，是近年来出现的一种测试方法。其工作原理是通过外界物理参量对光纤Bragg波长的调制来获取像应变、温度、加速度、位移、压力、流量等信息。而应变测量是在光纤的纤芯上刻出Bragg光栅，当被测件产生变形时，利用光纤Bragg对特定波长光的选择性反射特性，致使其反射的波长也相应变化，通过光纤光栅解调仪测得变化值，从而得到应变。光纤Bragg光栅传感器的优点是抗电磁干扰，适用于长距离信号传输，测试系统结构可以大为简化，非常容易构建分布式传感网络。

光弹性法是一种利用光学原理进行应变测量的实验方法[32-34]，结构模型由具有双折射效应的材料制成，将其置于偏振光场中，自由状态下不会出现双折射，但当给结构模型施加载荷致使其产生变形时，就会表现出光学各向异性，在模型上可见干涉条纹。对干涉条纹进行测量，通过计算即可求解结构中的应力状态。光弹性法可用于三维空间中的全场应变应力测量，属于非接触式测量方法，具有电测方法不能达到的全场测量优势，既可以测量外表应变，又可以测量内部应变。

3 飞机装配中的调控技术

飞机装配是一个综合的过程，各个参与装配的零构件有各自的定位，自身还带有制造偏差，而它们之间还要满足位置、形状和尺寸的协调。因此，需要用系统工程的思路进行统筹和权衡，具体实现上就要进行多方面调节和控制。在飞机装配中，近年来研究人员开始关注装配应力的影响，因为对发生的一些飞机故障进行分析，其原因是装配应力过大所致。

在空客350客机复合材料机翼翼盒的装配中，利用激光扫描装置测量蒙皮和翼肋缘条的几何外形，确定配合部位的干涉和间隙的具体位置和分布，在此基础上，应用机器人原位补偿平台对干涉和间隙进行装配补偿，以减小结构的装配应力。波音公司787客机的部件装配中，研制了带有力传感器的装配工艺装备，通过测量制件作用于工装上的力，来求解机体结构中重要部位的应力状况，并通过调节工装以使装配应力不超过限定值[35-36]。

文献[3]以翼肋装配为对象开展研究，提出了一种基于力反馈的飞机结构装配方法，基于力控制策略，将结构装配应力限制在规定的数值内，该值是根据结构装配完成后的剩余拉应力求出的。

欧盟2012年实施了一个LOOCOMACHS项目，目的是实现复合材料结构制造和装配的低成本。应用数字化仿真方法和管控手段，对飞机装配过程进行分析，结合自动化装备的应用，消除费时费力的不增值环节，提高飞机装配的自动化水平，以降低制造成本[37]。

研究发现，飞机装配应力形成的机理复杂，各种影响因素交织在一起，难以定量计算。当前，国内外研究人员以典型装配结构为对象，建立装配应力与各因素之间的关联关系，应用有限元方法，对装配应力的形成以及各因素的影响进行分析，通过改进和优化装配工艺方法及流程，对装配应力进行调节和控制。

4 面向数字孪生的飞机装配测量与调控技术实现途径

如图1所示，面向飞机装配技术和系统智能化升级迫切需求，针对基于数字孪生的飞机装配测量与调控核心技术，基于数字孪生、精密测量、人工智能、有限元、数据处理、软件工程、工业总线、智能调控等理论与技术方法，制定总体技术方案。

图1 基于数字孪生的飞机装配测量与调控总体方案

首先，开展基于数字孪生的飞机部件智能装配系统的研究。飞机部件如机身筒段、机翼盒段、中央翼盒等，其装配工艺及操作十分复杂。一直以来，飞机部件装配主要采用传统工装，大量的装配操作需要人工手动劳动，存在劳动强度大、依赖工人经验、效率较低、数据不量化、质量难评估等问题。为使飞机装配的质量和效率有质的提升，需要进行物理-数字虚实智能装配系统总体设计，设计新的基于数字孪生的飞机部件装配工艺规划模式。

其次，开展层次化数字孪生体建模技术的研究。部件装配零件类型多、结构复杂、装配关系复杂、工艺过程复杂。装配质量不仅取决于几何层面，其结构内部的应力状态也同样重要。因此，其数字孪生体的建模，需要综合考虑几何、拓扑、力、变形等复杂信息。融合多源测量信息和多学科仿真分析模型的数字孪生体架构设计及内部交互连接设计十分复杂，具有挑战性。将飞机装配中的复杂问题分解，研究建立层次化的数字孪生体，即几何形状层数字孪生体模型、力学性能层数字孪生体模型、物理状态层数字孪生体模型，可降低数字孪生建模的难度。

第三，开展多源数字化测量综合系统的研究。各种数字化测量手段有其自身特点，本着取长补短、优势互补、协同融合的原则，就飞机装配的总体需求和各环节需求，建立多源数字化测量综合系统框架，打通之间的数据通道，开发测量数据综合处理软件，形成多源数字化测量综合系统。

第四，开展飞机装配调控技术的研究。飞机装配过程中，涉及多方面的补偿、协调、调整，在开展上述研究的基础上，建立补偿、协调、调整准则，研究实现具体的调控措施。

5 结语

本文介绍了数字孪生技术在航空航天领域的应用，提出了所面临的问题和挑战。阐述了面向飞机装配过程的多源数字化测量技术，包括大尺寸场景测量技术、面型特征激光扫描测量技术、基于视觉的测量技术和应变测量技术。在介绍飞机装配中的应力调控技术研究现状的基础上，提出了面向数字孪生的飞机装配测量与调控技术实现途径。