第1 章 绪论
1.1 引言
通用飞机是民用飞机的重要组成部分之一，是指应用于除客运、货运等公共运输之外，从事通用航空飞行的飞机，如公务机、农林飞机等[1]。飞机产品相较于一般的机械产品有着结构复杂、零部件数量多、对产品气动外形的精度要求严格等特点，其大多数零件形状复杂、刚性较小、易变形，必须采用专用的装配型架来保证装配精确度。飞机装配是指按工艺文件和技术条件将飞机零部件组合、连接成更高一级装配件的过程，具有工作量大、技术难度高的特点。据统计，飞机装配占整机制造工作量的 40%-60%，是飞机制造过程中最主要的环节之一[2]。
装配工艺规划是按照工艺设计原则，对飞机产品进行组件划分、装配流程制定以及确定装配方案，并生成指导装配的工艺文件的过程[3]。传统的装配工艺规划以二维工程图纸作为工艺设计和生产装配的主要依据，装配工艺文件以二维的表达形式为主。随着数字化技术的发展，装配工艺规划经历了由二维工程图为主三维模型为辅到三维模型为主要设计依据的发展阶段，目前航空领域已经在基于模型的定义(Model Based Definition，MBD)的装配工艺设计模式上取得了研究进展，实现了以产品模型为唯一设计依据的装配工艺设计方法。但 MBD 的装配工艺设计模式更注重装配工艺的设计过程，对装配执行过程与现场信息反馈控制方面的考虑有所欠缺，缺乏实时有效的数据采集手段和装配执行过程与装配工艺设计过程及时有效的关联交互，其中在通用航空领域更是缺少相关技术的应用，而数字孪生(Digital Twin)[4-9]技术的出现则为上述问题提供了一种有效的解决思路。
随着工业 4.0 概念的提出和智能制造技术的发展，数字化技术在各行各业得到了广泛应用，中国工程院原院长周济提出新一代的智能制造是数字化、网络化、智能化制造，而数字化制造是智能制造的基础[10]。近年来，随着数字样机、MBD、信息物理系统(Cyber-Physical Systems，
CPS)等技术日趋成熟，工业物联网、云计算、大数据等新一代信息技术的在航空领域的应用，采用数字化制造技术，可以有效降低飞机生产成本、提高研制效率。其中，数字孪生的发展得到了广泛的关注，其主要内容是构建与物理实体相对应的数字化的表达，并利用物理实体、传感器、历史运行数据等实现物理实体与数字表达之间的关联映射，其中解决信息系统和物理系统的关联反馈是技术研究的关键。一些学者在数字孪生的应用探索过程中，同样提出了基于数字孪生的工艺规划具有良好的应用前景[7,8]。
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1.2 国内外研究现状
1.2.1 飞机装配及其数字化装配工艺设计
飞机装配是飞机制造过程中最主要的环节之一，其主要是根据装配工艺规划完成的装配工艺文件指导飞机装配工作。由于飞机装配技术难度大、复杂程度高，装配工艺规划过程复杂，为了方便装配工艺设计过程，提高飞机装配效率以及完善数字化装配工艺设计机制，生成直观、有效的工艺文件，许多学者和机构早期在数字化装配设计平台方面进行了大量研究和探索。
20 世纪 80 年代，随着数字化技术和计算机技术的发展，虚拟制造[11]和数字样机[12]等技术的出现，改变了传统的高成本的物理样机的研制模式，在计算机上就可以实现产品的设计、加工、装配等操作，极大的缩短了产品开发周期，降低了生产成本[13]。与此同时，为了提高装配工艺设计效率，出现了应用于计算机辅助装配工艺规划(Computer-aided assembly process planning，CAAPP)技术，其本质是利用计算机技术代替手工编制工艺文件，提高设计效率[14]。如洛克希德?马丁公司成功开发出一个飞机装配工艺规划专家系统—GENPLAN 系统，它是基于成组技术开发，并初步应用到装配工艺编制过程中，但需要耗费大量物力财力，并未得到后人认可[15]。20 世纪末，由华盛顿州立大学和美国国家标准技术研究所合作提出了基于虚拟现实的应用程序—虚拟装配设计环境(Virtual Assembly Design Environment，VADE)，其允许工程师进行装配规划并进行分析验证，并取得初步成效[16,17]。国内一些学者也纷纷开展了一系列的研究工作，2001 年，清华大学曾理、肖田元团队[18]自主研发了一个虚拟装配支持系统(Virtual Assembly Supported System，VASS)，并实现了装配工艺的半自动规划，并能够在虚拟状态对产品装配进行分析和仿真，并针对特定产品进行了验证；随后，北京理工大学的刘检华、宁汝新团队[19]提出了一个集成化的虚拟装配工艺规划系统，该系统可在可视化环境下利用计算机对产品进行装配规划、分析等一系列交互等，并在航天产品的装配工艺设计中得到了试用；南京航空航天大学的杨雨图[20]提出面向飞机装配工艺设计和管理的实现策略并进行相关应用系统的研发等。国内外进行相关技术研究和系统平台开发取得了一定进展，但最初针对航空产品的技术应用较少，并且在航空领域仍未形成统一的设计体系。
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第 2 章 面向装配过程的数字孪生技术应用解决方案
2.1 引言
数字孪生技术主要是建立与物理实体对应的数字孪生模型，并通过二者之间的信息交互接口，完成数字孪生模型与物理实体的相互映射。在该课题中，将飞机装配执行过程作为物理实体，在数字空间构建面向装配过程的数字孪生模型，生成用于指导物理空间装配过程的可视化装配工艺文件，并依据装配工艺文件完成产品的装配过程，同时构建相关交互接口，实现装配工艺指令的下达与装配指导，以及装配过程向装配工艺设计过程的信息反馈过程。
数字孪生驱动的制造（装配）模式，对飞机装配工艺规划、仿真、数据传递、实际装配、生产调度都提出了新的要求。以前生产数据、人员信息、工艺信息等分布式的数据都集成到数字孪生驱动的制造数据库，装配工艺设计也更趋向于面向实际装配过程，在装配工艺规划与仿真中充分考虑实际装配过程中遇到的问题、采集的数据、可行的方案以及工装工具等因素对装配环节的影响，对保证装配质量、提高装配效率有重要的意义。
本章总结了当前通用飞机产品装配执行过程及装配工艺规划的主要特征，提出了面向装配过程的数字孪生技术应用方案，并简要介绍了装配过程数字孪生模型（装配工艺规划与仿真）、装配过程、信息交互三部分的组成要素和要求。
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2.2 飞机产品装配工艺规划及执行过程
2.2.1 飞机装配特点
飞机产品相较于一般机械产品有着结构复杂、零部件数量多、外形尺寸大等特点，如某型号飞机仅一个部件就有几百个零件，其中还不包括几千件的铆钉以及一些标准件。由于飞机产品壳体结构大多以钣金件为主，刚性小，很多零件在自重条件下也会发生形变，并且飞机产品大多具有不规则的曲面形状，对产品气动外形要求严格，故需要采用专门的装配夹具（型架）等工艺装备辅助装配工作的进行。因此，飞机装配一直以来是飞机制造过程中最耗时耗力的环节，其中装配工作量一般约占整机制造工作量的一半，因此飞机装配是飞机制造过程最主要的环节之一。
由于飞机产品自身的结构特点，在装配过程中也与一般机械产品有所不同。飞机机体零件数量十分庞大，为了满足飞机产品设计、功能、维护、运输等要求，在设计过程中会将其划分为许多部件、段件、组件。其中，为了满足飞机的功能和结构要求，将产品之间可拆卸的连接形成的分离面称为设计分离面；但由于飞机上一些零件尺寸大、结构复杂、刚性小，为了满足装配制造要求，还需要将部件划分为便于装配的段件或更小一级的组件，它们之间一般采用不可拆卸的连接，其形成的分离面称为工艺分离面。飞机装配单元的划分不仅需要考虑结构、功能等方面的要求，还需要考虑成本、强度、重量等多个因素，并且分离面的划分必须从成批生产的需求出发，装配单元划分的合理性对装配周期、生产成本有重要的意义[2]。
飞机产品外形复杂，在飞机制造过程中，对飞机零部件的尺寸和精度，都有着严格的要求。在装配过程中，必须满足飞机的气动外形、装配定位等技术要求，将误差控制在规定范围以内；其次，还要满足同一种工件的互换性，以及工件与工件之间、工件与型架之间的协调，制造出满足装配要求的装配件。飞机零件数量大，对装配精度要求高，装配过程中为了保证零件的外形和尺寸，必须要采用大量的工具、设备和工艺装备，并且型架也需要设计和装配，故在实际产品装配之前需要大量的准备工作。
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第 3 章 装配过程数字孪生模型构建........................19
3.1 装配过程数字孪生模型的构建 ........................19
3.2 装配工艺规划........................19
第 4 章 物理空间的装配工艺执行过程与信息反馈..........................37
4.1 引言 ..........................37
4.2 装配工艺执行过程信息流表示..........................37
第 5 章 交互接口的构建..................43
5.1 交互接口需求分析..................43
5.1.1 总体需求..................43
5.1.2 具体需求 ..................43
第 5 章 交互接口的构建
5.1 交互接口需求分析
5.1.1 总体需求
在通用飞机当前的装配工艺设计过程中，装配文件仍以纸质方式下发，装配人员需要阅读并理解设计人员的文字描述，很容易导致装配人员对装配工艺文件出现歧义，在文件编写过程以及信息更新方面仍然存在效率较低的问题。故本文提出了数字孪生的装配工艺设计模式，通过数字化的方式完成装配工艺的规划与仿真，利用 DELMIA 的 DPE 模块进行工艺内容的编写以及利用 DPM 进行工艺内容的仿真，从而生成了包含视频、文字、图片等内容的可视化装配工艺文件。
对于装配执行过程来说，若在装配现场直接利用 DELMIA 软件进行装配工艺内容的查看，对电脑性能要求较高，提高了装配的成本。而采用构建信息交互接口的方式，将装配工艺文件下发，利用车间看板或者移动设备对装配工艺内容进行展示，能大幅度提高装配的直观性。此外，在装配过程信息采集过程中，同样需要依靠交互接口作为信息采集和数据接收的终端，将信息反馈到相关技术部门，接收下发的装配指令，用以辅助装配过程的生产工作。
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随着数字孪生技术的兴起，越来越多的学者意识到数字孪生的应用价值。该课题以某型号通用飞机典型部件的数字化装配工艺设计为研究背景，结合当前通用飞机的装配及装配工艺设计特点，初步探索了通用飞机装配工艺规划与仿真中的数字孪生的应用，提出了面向装配过程的数字孪生应用解决方案。基于数字孪生的基本理念，构建了数字空间的装配工艺规划、物理空间的装配工艺执行过程以及二者之间的信息交互与反馈三部
分内容的闭环交互机制。并针对通用飞机的数字化装配工艺设计流程、装配工艺执行流程及装配过程的数据传递与反馈等问题进行研究，构建信息传递交互接口完成数字空间与物理空间的交流与反馈。其主要内容如下：
(1) 针对当前通用飞机的装配工艺设计现状和特点，基于数字孪生技术理念，阐述了面向装配过程的产品结构、资源信息、工艺过程的装配过程数字孪生模型。以某型号通用飞机发动机短舱部件产品为例验证了该流程，利用 VBScript 对 DPE 模块进行二次开发和模板定制，提高了数字化装配工艺的设计效率；在此基础上，结合短舱部件的设计结构特点，对其进行了详细的装配单元划分和 PBOM 的构建，完成了装配顺序的规划，确定了装配定位基准和定位方法；设计了短舱部件详细的装配工序、工步，完成了短舱部件装配工艺内容的构建。并使用 DELMIA 平台针对完成的装配工艺内容进行了装配仿真，验证了装配顺序和装配路径，最终形成了可视化的装配工艺文件，为通用飞机的数字化装配工艺设计模式提供参考。
(2) 在面向装配过程的数字孪生技术应用方案基础上，针对装配过程内容及装配过程中的信息收集反馈，构建了基于数字孪生的装配现场工艺执行过程的数据传递机制；在数字化的装配工艺设计基础上，通过构建的装配过程数字孪生模型完成对装配过程的实时装配指导，确认现场装配信息并执行装配工艺，阐述了通用飞机的装配工艺执行及过程信息流动过程，提出采用 RFID 或条形码等技术和软件平台结合的方式，完成装配过程中的信息采集和反馈工作，并构建了信息采集和反馈回路，以完善装配过程数字孪生模型，促进装配执行过程向信息化、智能化发展。
参考文献(略)