基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的飛機(jī)虛擬預(yù)裝配技術(shù)發(fā)展綜述*

郝 龍，劉涵予，黃 翔，李瀧杲，謝 穎，劉 春，宋金輝，喻 龍，候國(guó)義

（1.航空工業(yè)成都飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，成都 610092；2.空裝駐成都地區(qū)第一軍事代表室，成都 610091；3.南京航空航天大學(xué)，南京 210016）

新一代飛機(jī)等航空重大型號(hào)呈現(xiàn)出大型、重載、遠(yuǎn)程、長(zhǎng)壽等階躍式發(fā)展特征。裝配作為飛機(jī)制造的最終環(huán)節(jié)，直接決定了產(chǎn)品的服役性能。目前我國(guó)飛機(jī)裝配技術(shù)完成了從樣板、模線等模擬量傳遞為主的手工模式向計(jì)算機(jī)信息處理平臺(tái)為基礎(chǔ)的數(shù)字化裝配方式轉(zhuǎn)變。數(shù)字化裝配體系通過融合飛機(jī)關(guān)鍵特征，采用全數(shù)字量裝配協(xié)調(diào)方法，運(yùn)用自動(dòng)定位、自動(dòng)鉆鉚、自動(dòng)化對(duì)接等方式，完成零部件裝配及總裝[1]。但隨著新一代飛機(jī)近乎苛刻的機(jī)體表面精度與服役性能要求，零件制造誤差 （尤其是復(fù)合材料零件）、裝配非線性累積誤差往往會(huì)超過機(jī)體精度要求，造成在后續(xù)裝配環(huán)節(jié)中需要反復(fù)試裝、修配才能達(dá)到交付要求；更為嚴(yán)重的是，在精度要求極高的翼–身、機(jī)–身對(duì)接過程，裝配誤差累積引起的超差往往會(huì)在某些關(guān)鍵特征部位引起無(wú)法通過簡(jiǎn)單修配與工藝優(yōu)化解決的復(fù)雜協(xié)調(diào)問題，如對(duì)接孔錯(cuò)位量遠(yuǎn)超精度要求且誤差無(wú)法溯源等，極大影響裝配效率。因此如何將零件實(shí)際制造誤差及非線性裝配累積誤差反映到裝配階段，提前預(yù)估關(guān)鍵部位裝配誤差的非線性累積過程，進(jìn)而準(zhǔn)確預(yù)測(cè)裝配誤差累積過程，同時(shí)基于數(shù)字孿生理論實(shí)現(xiàn)質(zhì)量過程控制與在線調(diào)整，成為裝配精度進(jìn)一步提升的關(guān)鍵。

虛擬裝配指利用虛擬現(xiàn)實(shí)、計(jì)算機(jī)、人工智能和過程仿真等技術(shù)構(gòu)造虛擬環(huán)境，通過分析產(chǎn)品模型，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行交互分析、仿真裝配進(jìn)而優(yōu)化裝配工藝的方法。其突出特點(diǎn)是基于產(chǎn)品設(shè)計(jì)模型開展虛擬裝配，進(jìn)而在工藝設(shè)計(jì)階段分析零部件可裝配性，在裝配階段規(guī)劃裝配順序并優(yōu)化工藝過程。但基于理論模型的虛擬裝配缺乏實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)引入，無(wú)法實(shí)現(xiàn)裝配誤差的精準(zhǔn)預(yù)測(cè)、工藝的實(shí)時(shí)優(yōu)化與質(zhì)量的在位控制，即無(wú)法在精度要求超高的裝配關(guān)鍵部位實(shí)現(xiàn)裝配質(zhì)量的精準(zhǔn)控制與溯源調(diào)整。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)主要指在飛機(jī)裝配過程中依據(jù)數(shù)字化測(cè)量手段得到的裝配關(guān)鍵幾何特征的點(diǎn)或點(diǎn)云數(shù)據(jù)，在裝配過程中具體指測(cè)得的產(chǎn)品與工藝設(shè)計(jì)階段指定的配合特征、接觸特征與輪廓特征等數(shù)據(jù)。Jamie[2]在F–35前機(jī)身裝配中的裝配填隙補(bǔ)償工藝研究中提出了基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的飛機(jī)虛擬預(yù)裝配技術(shù)，其核心是將帶實(shí)測(cè)偏差的零組件模型應(yīng)用于虛擬環(huán)境，通過坐標(biāo)系配準(zhǔn)、特征擬合等手段實(shí)現(xiàn)虛擬預(yù)裝配分析，以精準(zhǔn)預(yù)測(cè)復(fù)材裝配間隙大小及加墊量。具體過程為：通過數(shù)字化測(cè)量設(shè)備分別對(duì)飛機(jī)骨架及壁板內(nèi)外形進(jìn)行測(cè)量，而后重構(gòu)出裝配配合面的實(shí)測(cè)模型，在裝配坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換下完成基于實(shí)測(cè)模型的預(yù)裝配，精準(zhǔn)預(yù)測(cè)配合面間隙，從而確定液態(tài)墊片、固態(tài)墊片和混合墊片等的具體厚度與形狀。

與傳統(tǒng)虛擬裝配[3]技術(shù)側(cè)重于檢驗(yàn)、評(píng)價(jià)及預(yù)測(cè)裝配產(chǎn)品的可裝配性不同，基于實(shí)測(cè)模型的預(yù)裝配技術(shù)側(cè)重于在虛擬空間中對(duì)裝配實(shí)際過程的誤差控制，即通過在裝配仿真中引入實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)在工藝流程中進(jìn)行帶實(shí)際制造、裝配偏差的裝配仿真，使得累積誤差可溯源控制，解決傳統(tǒng)虛擬裝配“仿而不真”的問題。基于實(shí)測(cè)模型的預(yù)裝配技術(shù)由復(fù)合材料在飛機(jī)中大量應(yīng)用造成的復(fù)材構(gòu)件裝配協(xié)調(diào)與應(yīng)力不均衡問題引出。根據(jù)上海交大王華[4]的研究，復(fù)合材料各向異性的特點(diǎn)導(dǎo)致其制造精度往往會(huì)由于變形、翹曲等影響而低于裝配精度要求，進(jìn)而造成難以預(yù)測(cè)的變形與協(xié)調(diào)問題，亟待將復(fù)材構(gòu)件的尺寸、形狀、材質(zhì)偏差精準(zhǔn)映射于裝配過程，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)質(zhì)量的精準(zhǔn)控制，本技術(shù)正基于此產(chǎn)生。同時(shí)在智能制造背景下，浙大張永亮[5]和中國(guó)航空制造技術(shù)研究院肖慶東[6]等分別提出了飛機(jī)確定性裝配技術(shù)與裝配質(zhì)量主動(dòng)實(shí)時(shí)控制技術(shù)，其核心均是在智能制造、工業(yè)4.0等先進(jìn)制造理念指導(dǎo)下，通過實(shí)時(shí)獲取、主動(dòng)控制技術(shù)來(lái)減少工藝準(zhǔn)備時(shí)間、控制裝配質(zhì)量，其思路與本文不謀而合，本文正是在此類技術(shù)框架下的先進(jìn)裝配理念的具體實(shí)現(xiàn)方法。

1 基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的虛擬預(yù)裝配技術(shù)框架

圖1所示為基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的飛機(jī)虛擬預(yù)裝配技術(shù)在某型號(hào)機(jī)翼梁與隔框裝配時(shí)，針對(duì)配合面間隙/干涉等不協(xié)調(diào)部位預(yù)測(cè)的典型應(yīng)用過程。在目前數(shù)字化裝配體系下，虛擬裝配的意義在于利用梁及隔框的理論模型，根據(jù)裝配特征進(jìn)行裝配仿真，進(jìn)而驗(yàn)證工藝流程的正確性。即零件在裝配仿真結(jié)果驅(qū)動(dòng)下，在工裝上完成定位后直接測(cè)量間隙，根據(jù)測(cè)量結(jié)果制作墊片并完成加墊補(bǔ)償。上述流程中補(bǔ)償量依據(jù)局部間隙測(cè)量結(jié)果獲得，但通常會(huì)由于測(cè)量部位的不確定性而造成制作完成的墊片存在間隙或干涉等不協(xié)調(diào)問題，使得零件需要反復(fù)定位裝夾才能達(dá)到最終精度要求。因此，需要在裝配前利用數(shù)字化測(cè)量手段分別獲得梁–框配合特征面實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪、均勻采樣等操作，基于不同特征的快速重構(gòu)策略完成實(shí)測(cè)模型構(gòu)建；而后將重構(gòu)模型根據(jù)裝配語(yǔ)義及特征約束，在剛體假設(shè)條件下完成虛擬預(yù)裝配；最后在虛擬空間內(nèi)判斷工藝流程約束下的配合面間隙，準(zhǔn)確、定量預(yù)測(cè)加墊量。根據(jù)上述分析可知，基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的飛機(jī)虛擬預(yù)裝配的實(shí)現(xiàn)主要包含零件幾何特征測(cè)量與重構(gòu)以及面向裝配語(yǔ)義與幾何特征約束的虛擬預(yù)裝配等關(guān)鍵技術(shù)[3]，用于解決當(dāng)前虛擬裝配技術(shù)“仿而不真”的問題，即虛擬空間中裝配誤差的真實(shí)表達(dá)問題。需要注意的是基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的虛擬裝配雖然可以表達(dá)誤差，但由于重構(gòu)與虛擬裝配過程會(huì)降低整體裝配效率，導(dǎo)致其往往無(wú)法對(duì)全部裝配特征均進(jìn)行測(cè)量、重構(gòu)及虛擬裝配分析。以上述機(jī)翼裝配為例，梁–框裝配關(guān)鍵配合面間隙的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)僅是單一工步的分析，實(shí)際機(jī)翼裝配包含多個(gè)工步，需要通過分析確定不同裝配工步中配合特征對(duì)于機(jī)翼裝配準(zhǔn)確度的影響程度，即開展飛機(jī)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的裝配關(guān)鍵特征識(shí)別與測(cè)量技術(shù)，確定需要進(jìn)行基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)虛擬裝配的關(guān)鍵配合特征。

圖1 基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的虛擬預(yù)裝配技術(shù)的典型應(yīng)用場(chǎng)景Fig.1 Typical application scenarios of virtual per-assembly technology based on measured data

圖2所示為基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的虛擬預(yù)裝配技術(shù)框架。就單一裝配工步而言，其狹義過程主要包括裝配特征分析與測(cè)量、零件幾何特征識(shí)別與重構(gòu)以及面向裝配語(yǔ)義與幾何特征約束的虛擬預(yù)裝配3項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)與實(shí)現(xiàn)過程，即通過實(shí)測(cè)偏差模型的虛擬預(yù)裝配，預(yù)測(cè)裝配部位的協(xié)調(diào)性。隨著數(shù)字化檢測(cè)手段與計(jì)算機(jī)虛擬平臺(tái)的不斷發(fā)展，零件特征制造偏差、裝配件特征位置累計(jì)誤差的檢測(cè)與虛擬空間表達(dá)已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)[7–8]。在數(shù)字孿生理論下，將基于實(shí)測(cè)模型的虛擬預(yù)裝概念融入飛機(jī)組件、部件以及大部件裝配全過程，將現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)融入虛擬裝配分析技術(shù)，通過數(shù)字化測(cè)量獲得實(shí)際零部件在虛擬數(shù)字環(huán)境下的帶偏差真實(shí)表達(dá)，實(shí)現(xiàn)在數(shù)字化空間中訪問實(shí)際制造數(shù)據(jù)，并進(jìn)行虛擬預(yù)裝配、實(shí)時(shí)仿真分析[9]，成為當(dāng)前裝配質(zhì)量控制的關(guān)鍵與研究重點(diǎn)，上述過程即為該技術(shù)的廣義內(nèi)涵?？傮w而言，基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的飛機(jī)虛擬預(yù)裝配技術(shù)主要涉及裝配關(guān)鍵特性識(shí)別與分析、零件幾何特征測(cè)量與重構(gòu)以及面向裝配語(yǔ)義與幾何特征約束的虛擬預(yù)裝配等技術(shù)。因此，本文首先對(duì)上述技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀展開分析，并梳理該項(xiàng)技術(shù)在飛機(jī)裝配中的實(shí)際應(yīng)用情況，進(jìn)而得出數(shù)字孿生理論驅(qū)動(dòng)下的飛機(jī)虛擬預(yù)裝配技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

圖2 基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的虛擬預(yù)裝配技術(shù)的實(shí)現(xiàn)框架Fig.2 Technical implementation framework of virtual per-assembly technology for aircraft based on measured data

2 飛機(jī)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的裝配關(guān)鍵特性識(shí)別、分析與測(cè)量技術(shù)

產(chǎn)品關(guān)鍵特性 （Key characteristics，KC）是指對(duì)產(chǎn)品性能、尺寸顯著影響的特征，在飛機(jī)裝配中KC特指裝配對(duì)象間的相互配合區(qū)域 。KC的提出主要是為解決飛機(jī)產(chǎn)品由于質(zhì)量波動(dòng)而帶來(lái)的成本問題，在基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的飛機(jī)預(yù)裝分析技術(shù)中，產(chǎn)品關(guān)鍵特征的識(shí)別與分析是后續(xù)技術(shù)展開的基礎(chǔ)，只有在正確分析并識(shí)別影響裝配協(xié)調(diào)準(zhǔn)確度的關(guān)鍵特征前提下，才能確定后續(xù)需要重構(gòu)與虛擬預(yù)裝分析的部位，進(jìn)而提高裝配效率并精準(zhǔn)控制關(guān)鍵部位精度。因此，通過對(duì)設(shè)計(jì)文件中包含的零件拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與幾何關(guān)系分解，根據(jù)飛機(jī)產(chǎn)品裝配工藝結(jié)構(gòu)樹的層級(jí)劃分 （圖3），以幾何特征自動(dòng)識(shí)別重構(gòu)、裝配語(yǔ)義為約束，KC多層級(jí)分類與表達(dá)為主要手段，針對(duì)不同零部件的裝配KC快速識(shí)別與分析方法成為實(shí)測(cè)模型虛擬預(yù)裝分析技術(shù)實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)。

圖3 飛機(jī)產(chǎn)品裝配工藝結(jié)構(gòu)樹Fig.3 Aircraft product assembly process structure tree

對(duì)于KC的研究由來(lái)已久，基本形成了較為穩(wěn)定的KC識(shí)別與分析方法。20世紀(jì)80年代，空客公司率先在汽車質(zhì)量控制中引入成熟的KC概念[10]，接著以波音公司為代表，通過大量的理論與試驗(yàn)研究，提出了覆蓋飛機(jī)產(chǎn)品全生命周期的KC定義與使用方法[11]。即通過定義產(chǎn)品、制造、裝配等不同環(huán)節(jié)KC[12]，開展容差分配設(shè)計(jì)，根據(jù)設(shè)計(jì)模型、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、裝配工藝等因素劃分不同特性的重要程度，進(jìn)而厘清所有待裝零件幾何特征對(duì)KC的影響，完成KC識(shí)別與分析。目前我國(guó)最新列裝的飛機(jī)產(chǎn)品基本實(shí)現(xiàn)了全數(shù)字化設(shè)計(jì)，并逐步開始了基于KC的裝配尺寸協(xié)調(diào)方法應(yīng)用。以南航、北航、西工大等為代表的高校與科研院所均圍繞KC定義、識(shí)別與分析開展了大量研究，基本實(shí)現(xiàn)了面向飛機(jī)常見零件、部件、段件的KC分析[13]。在國(guó)內(nèi)北航的范玉青教授團(tuán)隊(duì)較早從設(shè)計(jì)入手，開始研究識(shí)別與拆分KC，提出了基于并行工程的關(guān)鍵特性定義與管理過程的計(jì)劃–執(zhí)行–檢查–處理循環(huán)方法，該方法貫穿整個(gè)飛機(jī)設(shè)計(jì)制造過程，并將對(duì)互換協(xié)調(diào)影響最大的幾何特性定義為關(guān)鍵特性，沿制造樹分解形成對(duì)應(yīng)的產(chǎn)品級(jí)–部件級(jí)–組件級(jí)–零件級(jí)關(guān)鍵特性樹，最終實(shí)現(xiàn)飛機(jī)裝配質(zhì)量波動(dòng)控制[14–16]。魏麗等[17]提出了概要工藝規(guī)劃中關(guān)鍵特性的識(shí)別過程及方法，對(duì)工藝規(guī)劃中關(guān)鍵特性進(jìn)行了定義、分類、分解和傳遞。西工大唐文斌等[18]基于裝配有向圖及田口質(zhì)量損失方法，通過構(gòu)建飛機(jī)關(guān)鍵特征多層級(jí)備選集與不同特征下的關(guān)鍵特征分層影響度模型，量化產(chǎn)品KC并確定不同層級(jí)對(duì)于產(chǎn)品質(zhì)量的影響，如圖4 （a）所示以登機(jī)門為例驗(yàn)證了方法有效性。南航賀鵬[13]通過解碼KC編碼信息，如圖4 （b）所示實(shí)現(xiàn)了KC在CATIA模型中的三維表達(dá)，構(gòu)建了以減速板為對(duì)象的協(xié)調(diào)誤差仿真計(jì)算模型。航空工業(yè)沈陽(yáng)飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限公司馮子明等[19]基于裝配過程基準(zhǔn)傳遞鏈的傳遞過程，通過KC分析，實(shí)現(xiàn)了誤差累積路線的分析與判定。

圖4 KC分析Fig.4 Analysis of KC

發(fā)展至今，KC的識(shí)別方法不盡相同，但大致可分為定性與定量?jī)煞N[20]。需要注意并非KC尺寸設(shè)置的越多越好，關(guān)鍵尺寸的增加必然會(huì)導(dǎo)致成本成倍增加，定性的KC識(shí)別從工藝流程出發(fā)[21]，在關(guān)鍵尺寸容差分配中無(wú)法對(duì)已識(shí)別特征進(jìn)行再次分類。一般而言，某條尺寸傳遞鏈被設(shè)置為關(guān)鍵時(shí)，其所有相關(guān)部分均會(huì)被設(shè)置為KC，定性方法偏于保守，會(huì)極大增加成本。由于不同幾何特征對(duì)于產(chǎn)品影響敏感性不同，如何從不同維度定量化判斷其對(duì)于產(chǎn)品性能的影響成為關(guān)鍵。Thornton[12]使用田口損失函數(shù)作為KC相對(duì)質(zhì)量的度量，提出了一個(gè)變異模型來(lái)計(jì)算KC影響，并評(píng)估其對(duì)質(zhì)量變化的敏感性。Dantan等[22]提出了一種基于KC定量表達(dá)的數(shù)學(xué)模型，用于厘清零件/產(chǎn)品關(guān)鍵特征之間的因果關(guān)系。由此可知，亟待針對(duì)不同KC性能影響的定量化描述開展研究，考慮不同KC在局部與全局質(zhì)量與性能下的貢獻(xiàn)度，基于敏感性分析方法確定針對(duì)飛機(jī)裝配過程的快速精準(zhǔn)定量化KC識(shí)別與分析方法。

2.1 裝配關(guān)鍵特征識(shí)別與分析流程

根據(jù)飛機(jī)裝配過程中的實(shí)際需要，進(jìn)行基于多裝配層級(jí)的多種類型關(guān)鍵特性識(shí)別方法研究，在目前已有的飛機(jī)制造裝配工藝基礎(chǔ)上，以此進(jìn)行產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分解，形成多層級(jí)的裝配結(jié)構(gòu)工藝樹。自上而下地逐層級(jí)定性識(shí)別出對(duì)當(dāng)前層級(jí)產(chǎn)品質(zhì)量要求有影響的多種類型關(guān)鍵特性集，如圖5所示，上述過程即為裝配關(guān)鍵特征識(shí)別與分析的一般流程。

圖5 裝配關(guān)鍵特征識(shí)別與分析的一般流程Fig.5 General process of assembly key characteristics recognition and analysis

具體而言，產(chǎn)品的裝配準(zhǔn)確度要求即為產(chǎn)品的頂層裝配需求，首先由飛機(jī)制造人員將其作為頂層關(guān)鍵特征，依據(jù)裝配設(shè)計(jì)、工藝分離面得到裝配工藝結(jié)構(gòu)樹，從而表明產(chǎn)品的整個(gè)裝配層級(jí)關(guān)系。然后，將裝配準(zhǔn)確度劃分為氣動(dòng)外形、部件之間相對(duì)位置、部件內(nèi)部組合件和零件的位置等多種產(chǎn)品準(zhǔn)確度要求[23]，對(duì)應(yīng)形成不同層級(jí)的產(chǎn)品關(guān)鍵特征 （Product key characteristics，PKCs）。PKCs對(duì)應(yīng)每一層級(jí)的裝配最終質(zhì)量要求，不隨裝配工藝改變。裝配關(guān)鍵特征 （Assembly key characteristics，AKCs）對(duì)應(yīng)于上述不同層級(jí)的裝配工藝，其主要基于基準(zhǔn)傳遞鏈 （Datum flow chain，DFC）通過配合特征與裝配特征影響度劃分，進(jìn)而確定影響不同PKCs的AKCs；制造關(guān)鍵特征 （Manufacturing key characteristics，MKCs）主要指參與裝配零件的幾何量特征，包括配合特征、接觸特征和壁板蒙皮類零件的輪廓特征，是基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)虛擬預(yù)裝配分析中的需要測(cè)量與重構(gòu)部位的備選特征集。根據(jù)上述關(guān)鍵特征定性分析形成的備選特征集，基于3DCS三維容差分析軟件，定量化表征不同裝配關(guān)鍵特征對(duì)于各層級(jí)裝配準(zhǔn)確度的影響度，進(jìn)而篩選出最終需要進(jìn)行三維實(shí)測(cè)模型重構(gòu)與預(yù)裝分析的特征，具體的分析過程如圖6所示。對(duì)相應(yīng)的特征根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和加工工程能力指數(shù)等因素，為零件相關(guān)特征進(jìn)行容差分配，結(jié)合3DCS進(jìn)行容差分析與再分配等。通過不斷的迭代最終確定零組件的形位公差，作為零件加工要求和測(cè)量要求。

圖6 基于3DCS的關(guān)鍵特征影響度分析流程Fig.6 Analysis process of influence degree of key characteristics based on 3DCS

2.2 裝配關(guān)鍵特征測(cè)量模型構(gòu)建

基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)預(yù)裝分析的目標(biāo)是在兩個(gè)產(chǎn)品沒有裝配之前通過對(duì)各自的配合特征進(jìn)行測(cè)量，從而根據(jù)重構(gòu)模型完成虛擬裝配，因此基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)預(yù)裝分析的首要任務(wù)是定義正確的測(cè)量目標(biāo)。一個(gè)零件或組件上可能存在大量的幾何特征，但并非所有的特征均參與裝配，因而需要正確地識(shí)別和定義出產(chǎn)品關(guān)鍵裝配特征，并將其作為測(cè)量目標(biāo)特征，成為實(shí)施測(cè)量任務(wù)以及后續(xù)分析的前提條件。在測(cè)量目標(biāo)特征選擇上，首先需要明確對(duì)應(yīng)階段的裝配類型，對(duì)于Ⅰ型裝配，測(cè)量目標(biāo)特征主要是零件的定位特征，零件的裝配基準(zhǔn)特征作為測(cè)量基準(zhǔn)特征；對(duì)于Ⅱ型裝配，目標(biāo)特征主要是零件的接觸特征。對(duì)于兩種裝配類型，如果測(cè)量對(duì)象中含有輪廓特征，其也應(yīng)作為測(cè)量目標(biāo)特征。

在確定測(cè)量目標(biāo)、選擇測(cè)量設(shè)備及選定測(cè)量基準(zhǔn)后，需在飛機(jī)裝配規(guī)程中構(gòu)建如圖7所示的測(cè)量模型，用以規(guī)范化管理測(cè)量過程、獲得實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。測(cè)量模型構(gòu)建過程主要包括測(cè)量信息提取、測(cè)量信息標(biāo)注、測(cè)量點(diǎn)規(guī)劃、測(cè)量方法規(guī)劃、特征重構(gòu)和偏差分析等關(guān)鍵過程。將前述信息引入對(duì)應(yīng)幾何圖形內(nèi)進(jìn)行集中，分別形成測(cè)量特征集、基準(zhǔn)信息集、容差標(biāo)注集、測(cè)量特征離散點(diǎn)集、測(cè)量方法集、特征重構(gòu)集、偏差分析集等工藝集合。在飛機(jī)裝配過程中，裝配體測(cè)量信息依托于CATIA環(huán)境以結(jié)構(gòu)樹形式表征，其中測(cè)量特征提取旨在將裝配體上用于測(cè)量的特征提取到“測(cè)量特征集”。測(cè)量基準(zhǔn)提取主要是將該裝配體的工藝裝備上的基準(zhǔn)點(diǎn)提取到“測(cè)量基準(zhǔn)集”。測(cè)量點(diǎn)規(guī)劃是將待測(cè)特征根據(jù)不同的測(cè)量要求離散成測(cè)量點(diǎn)集，即用有序點(diǎn)來(lái)表征測(cè)量特征從而引導(dǎo)測(cè)量過程。測(cè)量方法主要包括設(shè)備選擇及該設(shè)備下的站位坐標(biāo)系（設(shè)備放置坐標(biāo)）、站位基準(zhǔn)點(diǎn)、測(cè)量特征點(diǎn)集等信息選擇。特征重構(gòu)整理包括用于存放重構(gòu)點(diǎn)云的“點(diǎn)云數(shù)據(jù)集”和已經(jīng)重構(gòu)的“重構(gòu)特征集”。偏差分析主要將測(cè)量數(shù)據(jù)與理論特征進(jìn)行偏差分析，將數(shù)據(jù)分析結(jié)果記錄在“偏差分析集”。上述內(nèi)容即為裝配關(guān)鍵特征測(cè)量模型的工藝模型構(gòu)建過程。

圖7 某型飛機(jī)翼盒后緣組件的測(cè)量模型構(gòu)建示例Fig.7 Example of measurement model construction of a certain aircraft wing box trailing edge assembly

3 面向虛擬預(yù)裝配的零件幾何特征識(shí)別與重構(gòu)技術(shù)

以激光跟蹤儀、三維激光掃描儀、室內(nèi)GPS（iGPS）、照相測(cè)量等為代表的數(shù)字化測(cè)量技術(shù)因其精度高、效率快、范圍廣等優(yōu)點(diǎn)被國(guó)內(nèi)外各大飛機(jī)制造廠商廣泛應(yīng)用于裝配過程[23–24]。由于數(shù)字化測(cè)量數(shù)據(jù)規(guī)模大、格式不統(tǒng)一、通常為點(diǎn)云數(shù)據(jù)，往往無(wú)法直接用于飛機(jī)虛擬預(yù)裝分析。因此衍生出針對(duì)不同測(cè)量設(shè)備實(shí)測(cè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理方法，包括點(diǎn)云精簡(jiǎn)[25]、點(diǎn)云濾波[26]、拓?fù)潢P(guān)系構(gòu)建[27]、幾何特征識(shí)別等。Hao等[28]通過構(gòu)建先驗(yàn)?zāi)０?，提取網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)處的法向量，引導(dǎo)原始掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)搜索點(diǎn)法線附近的點(diǎn)并提取每個(gè)基本元素的相應(yīng)點(diǎn)云；搜索引導(dǎo)點(diǎn)法線附近點(diǎn)云，最后通過非均勻B樣條曲面擬合重構(gòu)基本單元幾何元素。k-means聚類分割算法[29]以空間中任意k個(gè)點(diǎn)為中心，通過迭代逐次更新聚類中心值，得到最優(yōu)結(jié)果。趙夫群等[30]提出了基于改進(jìn)隨機(jī)抽樣一致性的點(diǎn)云分割算法，通過改進(jìn)初始點(diǎn)云數(shù)據(jù)的選取方式和判斷準(zhǔn)則，提高了RANSAC算法對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的分割準(zhǔn)確度。

通過零件幾何外形的實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)，利用計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)構(gòu)建帶有誤差的真實(shí)零件三維模型，實(shí)現(xiàn)真實(shí)物理層面零件在虛擬環(huán)境的映射、表達(dá)和誤差管理是裝配幾何特征重構(gòu)的核心。由于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)具有海量、規(guī)模大、散亂無(wú)序的特點(diǎn)，并且可能含有多個(gè)數(shù)量或多種類型的裝配幾何特征，不能直接用于飛機(jī)虛擬預(yù)裝配分析。因此需要對(duì)基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的零件幾何特征識(shí)別技術(shù)進(jìn)行研究：將在不同測(cè)量坐標(biāo)系下的實(shí)測(cè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為裝配坐標(biāo)系下的歸一化點(diǎn)云，并由重構(gòu)模板內(nèi)含有的離散點(diǎn)坐標(biāo)和法向量信息結(jié)合點(diǎn)云的拓?fù)潢P(guān)系和幾何性質(zhì)，引導(dǎo)和驅(qū)動(dòng)裝配幾何特征完成自動(dòng)識(shí)別進(jìn)程，最終獲得只含單一拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的點(diǎn)云識(shí)別區(qū)域塊。重構(gòu)模型的精度與效率是進(jìn)一步影響虛擬預(yù)裝分析的重點(diǎn)。目前大致可分為基于三角網(wǎng)格、基于曲面特征及基于實(shí)體特征3種模型重構(gòu)方法[31–34]（圖8）。

圖8 重構(gòu)方法Fig.8 Reconstruction method

（1）基于三角網(wǎng)格的模型重構(gòu)方法。

源于有限元的三角形網(wǎng)格方法主要作用是將實(shí)測(cè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)離散為表面模型，進(jìn)而將曲面或?qū)嶓w模型離散為微小面片或網(wǎng)格模型，其構(gòu)建效率高、數(shù)據(jù)量小，但是當(dāng)重構(gòu)精度要求很高時(shí)，三角網(wǎng)格面則會(huì)因?yàn)榧怃J特征模糊、頂點(diǎn)數(shù)量眾多、曲面編輯能力差等突出缺點(diǎn)而需要煩瑣的網(wǎng)格面簡(jiǎn)化過程，極大影響精度與效率[31–33]。

（2）基于幾何特征的模型重構(gòu)方法。

B樣條和NURBS曲線曲面方法是用于描述和重構(gòu)關(guān)鍵幾何特征的另一種方法，其主要依靠參數(shù)化樣條曲線及隱式控制方程實(shí)現(xiàn)?；跇訔l化隱式方程的曲面重構(gòu)又稱為函數(shù)擬合法，常用的方法有最小二乘擬合和泊松曲面構(gòu)建[35]。該方法主要依靠待重構(gòu)零件的邊界點(diǎn)、線、曲面等表面輪廓來(lái)構(gòu)建外部關(guān)鍵幾何特征，其具有幾何計(jì)算特性好、易參數(shù)化的優(yōu)點(diǎn)[36–38]。

（3）基于實(shí)體特征的模型重構(gòu)方法。

該方法從實(shí)測(cè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)關(guān)鍵特征點(diǎn)的邊界點(diǎn)、截面點(diǎn)入手，首先把上述特征點(diǎn)重新擬合為特征曲線，然后根據(jù)特征類型，通過曲面構(gòu)建方式得到特征曲面，曲面特征經(jīng)外插延伸、分割裁剪填充實(shí)體等操作得到重構(gòu)基礎(chǔ)實(shí)體特征，最后經(jīng)過實(shí)體特征之間的布爾操作獲得最終重構(gòu)幾何模型[39–40]。區(qū)別于前述兩種方法，該方法可以重構(gòu)出具有實(shí)體特征的零件模型直接用于后續(xù)的虛擬預(yù)裝配分析，如何高效、精準(zhǔn)地識(shí)別出不同裝配特征并擬合出高精度模型成為目前研究的重點(diǎn)與難點(diǎn)。

3.1 裝配語(yǔ)義信息重構(gòu)模板構(gòu)建

通過不同數(shù)字化測(cè)量設(shè)備得到的飛機(jī)零部件數(shù)據(jù)可以直接反映出零件與裝配誤差，但是由于單點(diǎn)的數(shù)據(jù)或成片的點(diǎn)云數(shù)據(jù)無(wú)法直接應(yīng)用于虛擬裝配，需要通過裝配特征識(shí)別與重構(gòu)方法實(shí)現(xiàn)誤差等信息在虛擬環(huán)境的真實(shí)表達(dá)。裝配幾何特征主要指待測(cè)目標(biāo)特征，為了與前述構(gòu)建的測(cè)量模型特征集進(jìn)行匹配，以補(bǔ)充必要的裝配過程信息來(lái)描述不同零部件與特征之間的裝配關(guān)系，需要在零部件特征識(shí)別與重構(gòu)前定義基于零部件理論模型的裝配語(yǔ)義重構(gòu)模板。

理論模型中的飛機(jī)零部件特征均采用自由造型設(shè)計(jì)，當(dāng)用于構(gòu)建語(yǔ)義模板時(shí)其數(shù)學(xué)表達(dá)式求解煩瑣且效率低下，為避免二義性、充分利用理論模型中的相關(guān)信息，在語(yǔ)義模板中使用離散點(diǎn)表達(dá)不同特征，以離散點(diǎn)的形式表達(dá)理論曲面特征，計(jì)算每個(gè)離散點(diǎn)在曲面上的法向量，并存儲(chǔ)在重構(gòu)模板數(shù)據(jù)庫(kù)中，方便后續(xù)的數(shù)據(jù)傳輸與交換。

圖9所示為典型的裝配語(yǔ)義信息重構(gòu)模板數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)圖。裝配語(yǔ)義是產(chǎn)品裝配關(guān)系的一種抽象數(shù)學(xué)表達(dá)方式，通過對(duì)不同裝配語(yǔ)義描述信息的數(shù)字化解析，獲取其中蘊(yùn)含的豐富裝配工藝信息，從而構(gòu)建出產(chǎn)品虛擬裝配模型。首先對(duì)裝配對(duì)象進(jìn)行編號(hào)處理，按照裝配類型的不同分別識(shí)別提取不同裝配特征。關(guān)鍵幾何特征信息的離散化表達(dá)需要按照一定間距將提取的理論曲面離散成截交線特征，確定首末端點(diǎn)，之后采用基于弦高差控制因子的變弦長(zhǎng)法方法將每條截交線特征離散為點(diǎn)特征，最后得到所有離散點(diǎn)坐標(biāo)和法向量。將不同類型裝配幾何特征進(jìn)行高斯映射形成不同的高斯映像結(jié)果，以此為依據(jù)對(duì)裝配幾何特征的類型進(jìn)行識(shí)別，將識(shí)別完成的相同類型裝配幾何特征放入同一集合。融合以上所有關(guān)鍵信息共同構(gòu)建基于理論模型的裝配語(yǔ)義信息重構(gòu)模板。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)包括裝配對(duì)象集合，離散表達(dá)集合和裝配信息集合，對(duì)于編號(hào)相同的零件共用同一組重構(gòu)模板，減少模板重復(fù)構(gòu)建增加的工作量和降低數(shù)據(jù)庫(kù)的內(nèi)存占用空間。

圖9 裝配語(yǔ)義信息重構(gòu)模板數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)Fig.9 Reconstruct template data structure from assembly semantic information

3.2 零件幾何特征自動(dòng)識(shí)別與重構(gòu)

重構(gòu)模板構(gòu)建完畢后，通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方法將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)一對(duì)齊到飛機(jī)裝配坐標(biāo)系下，即準(zhǔn)確描述飛機(jī)各零部件間的相對(duì)位置及后續(xù)關(guān)鍵特征參與虛擬裝配時(shí)的真實(shí)定位位姿。為了提高數(shù)據(jù)處理速度和效率，準(zhǔn)確表達(dá)點(diǎn)云間拓?fù)潢P(guān)系，采用空間柵格法劃分三維空間點(diǎn)云，二值化處理并用實(shí)格質(zhì)心點(diǎn)代替柵格內(nèi)所有點(diǎn)。同時(shí)將重構(gòu)模板中的離散點(diǎn)三角網(wǎng)格化，沿法向方向偏移一段距離構(gòu)建曲面特征空間包圍盒。通過判斷實(shí)格質(zhì)心點(diǎn)和空間包圍盒的空間位置關(guān)系對(duì)幾何特征進(jìn)行預(yù)識(shí)別。采用空間柵格法劃分三維實(shí)測(cè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并用柵格實(shí)格的質(zhì)心點(diǎn)代替柵格內(nèi)所有點(diǎn)，以質(zhì)心點(diǎn)到重構(gòu)模板的投影距離作為判定依據(jù)對(duì)幾何特征進(jìn)行預(yù)識(shí)別。建立柵格實(shí)格質(zhì)心點(diǎn)間的拓?fù)潢P(guān)系，快速搜索任意質(zhì)心點(diǎn)的k–近鄰，并基于局部表面擬合的主成分分析法對(duì)點(diǎn)云的法向量進(jìn)行估算和方向一致性調(diào)整，使用重構(gòu)模板的法向量信息為基準(zhǔn)引導(dǎo)重疊區(qū)域的幾何特征終識(shí)別，得到只含有單一拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的區(qū)域識(shí)別點(diǎn)云塊，即完成了零件的自動(dòng)識(shí)別。

圖10所示為裝配幾何特征自動(dòng)識(shí)別與重構(gòu)流程。將若干個(gè)點(diǎn)云分割塊逐一繼承重構(gòu)模板中幾何特征類型，并分別適配不同的算法策略進(jìn)行擬合重構(gòu)，其中采用穩(wěn)健特征值法擬合重構(gòu)平面特征，非線性最小二乘擬合重構(gòu)圓柱特征，B樣條曲面擬合重構(gòu)自由曲面特征。但擬合重構(gòu)后得到3種裝配幾何特征方程解析式的參數(shù)，表述的是空間中無(wú)限大的曲面特征，因此需要通過點(diǎn)云數(shù)據(jù)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換方法以確定重構(gòu)幾何特征的邊界信息，確定裝配幾何特征在空間中的真實(shí)狀態(tài)，完成最終的真實(shí)曲面特征重構(gòu)。

圖10 裝配幾何特征自動(dòng)識(shí)別與重構(gòu)流程Fig.10 Automatic recognition and reconstruction process of assembly geometric features

4 面向幾何特征約束與裝配語(yǔ)義的虛擬預(yù)裝配技術(shù)及其應(yīng)用

考慮到數(shù)字孿生理論要求現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)模型重構(gòu)必須兼顧精度與效率，以及飛機(jī)零件幾何特征、裝配協(xié)調(diào)關(guān)系等諸多復(fù)雜因素，實(shí)測(cè)模型的重構(gòu)必須以幾何特征為約束，如何將復(fù)雜幾何特征在三維空間中合理表達(dá)，通過離散信息對(duì)幾何特征類別進(jìn)行識(shí)別與篩選，從而構(gòu)建基于理論模型的裝配語(yǔ)義信息重構(gòu)模板，并輔以基于重構(gòu)模板的幾何特征自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，成為實(shí)測(cè)模型精準(zhǔn)與高效重構(gòu)的關(guān)鍵。虛擬裝配技術(shù)即利用虛擬環(huán)境以人機(jī)交互方式對(duì)產(chǎn)品三維模型進(jìn)行模擬裝配，并輸出仿真結(jié)果，從而在設(shè)計(jì)階段發(fā)現(xiàn)工藝缺陷，在實(shí)際裝配階段精準(zhǔn)預(yù)測(cè)質(zhì)量，縮短裝配周期。最早的虛擬裝配實(shí)現(xiàn)依靠相互配合零件間的幾何特征關(guān)聯(lián)在一起，即利用零件的幾何特征進(jìn)行定位，以約束其自由度和保持相關(guān)零件之間的相對(duì)位置關(guān)系。在實(shí)測(cè)模型虛擬預(yù)裝中，通過重構(gòu)帶偏差的不同幾何特征，依據(jù)裝配基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換、局部坐標(biāo)系建立、約束方程建立與求解過程，即可完成實(shí)測(cè)模型的虛擬預(yù)裝配。隨著虛擬裝配技術(shù)的發(fā)展，劉少麗等[41]引入語(yǔ)言學(xué)方法，提出了裝配語(yǔ)義的概念，即抽象化描述裝配零部件間存在的定位約束、裝配規(guī)則與裝配操作的方法。相比于簡(jiǎn)單的面向幾何約束的虛擬裝配，裝配語(yǔ)義通過對(duì)幾何特征進(jìn)行參數(shù)化表達(dá)以描述零件間的裝配關(guān)系，將裝配操作信息逐層次由語(yǔ)義層向特征層、幾何層解析，通過將語(yǔ)義描述信息、實(shí)體庫(kù)信息進(jìn)行匹配，在特征及約束驅(qū)動(dòng)下按照裝配路徑庫(kù)中的路徑信息完成虛擬裝配仿真。與單一面向幾何特征約束的虛擬裝配相比，裝配語(yǔ)義可以通過將不同裝配特征、工藝過程以語(yǔ)義形式存儲(chǔ)形成裝配工藝庫(kù)，有利于裝配歷史工藝知識(shí)的復(fù)用。總體而言，幾何特征約束虛擬裝配是面向語(yǔ)義虛擬裝配的基礎(chǔ)，而裝配語(yǔ)義的定義則是幾何特征約束裝配的進(jìn)一步發(fā)展，通過參數(shù)化表達(dá)裝配信息以構(gòu)建適用于不同零件的裝配工藝信息庫(kù)，從而為后續(xù)基于數(shù)字孿生的虛擬裝配提供技術(shù)實(shí)現(xiàn)手段。

4.1 基于裝配特征約束的虛擬裝配

從飛機(jī)裝配的角度切入，將飛機(jī)裝配體含有的所有零件分為裝配零件和非裝配零件。將直接參與到飛機(jī)實(shí)際裝配過程中并對(duì)最終協(xié)調(diào)準(zhǔn)確度有一定影響的一類零件歸為裝配零件。進(jìn)一步將裝配零件模型中的所有幾何特征向下分類為裝配幾何特征和非裝配幾何特征。其中，裝配幾何特征是指零部件裝配定位過程中來(lái)自工裝、夾具或待裝配對(duì)象有各種約束關(guān)系，并且實(shí)際直接參與飛機(jī)裝配過程中，對(duì)產(chǎn)品裝配可靠性和最終裝配質(zhì)量具有重大影響的關(guān)鍵幾何特征，屬于裝配零件的外部特征，與零件的加工制造、連接及拆卸工藝等密切相關(guān)[42]。在虛擬環(huán)境中定義裝配特征并進(jìn)行匹配，通過仿真即可實(shí)現(xiàn)預(yù)裝分析[43]。幾何特征約束可分為結(jié)構(gòu)約束與尺寸約束兩種，結(jié)構(gòu)約束主要指綁定、垂直、平行、相切、重合等結(jié)構(gòu)間的互相配合方式，其主要依靠幾何特征的參數(shù)化建模實(shí)現(xiàn)；尺寸約束一般分為角度約束與距離約束，通過尺寸變量的改變即可完成零件位置改變?；谔卣骷s束的虛擬裝配主要包含約束特征參數(shù)表達(dá)與約束求解、裝配過程碰撞檢查、虛擬裝配與序列規(guī)劃等關(guān)鍵技術(shù)。Liu等[44]基于虛擬現(xiàn)實(shí)裝配平臺(tái)，建立了一種約束行為管理方法，實(shí)現(xiàn)了裝配關(guān)系識(shí)別、約束求解和約束運(yùn)動(dòng)，提高了裝配關(guān)系識(shí)別效率與交互功能。Tching等[45]提出了一種新的交互式觸覺引導(dǎo)方法，引入虛擬約束引導(dǎo)，以幾何圖形為虛擬夾具定位，以運(yùn)動(dòng)約束執(zhí)行裝配任務(wù)，在孔銷裝配中得到驗(yàn)證 （圖11）。為實(shí)現(xiàn)雷達(dá)結(jié)構(gòu)在虛擬環(huán)境下的裝配仿真，高巍[46]提出了基于特征代理的虛擬裝配方法，基于幾何約束信息表示零部件，通過使用代理特征進(jìn)行裝配意圖和約束的快速識(shí)別，在代理特征篩選后求解運(yùn)動(dòng)定位，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)雷達(dá)零部件的精確引導(dǎo)和裝配。實(shí)測(cè)模型在基于裝配特征約束的虛擬裝配中，目前主要在剛體假設(shè)條件下，解析不同裝配特征制造偏差在局部坐標(biāo)系的合理表達(dá)，通過帶偏差裝配坐標(biāo)系與基準(zhǔn)坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換完成。由于不同裝配特征偏差各異，如何構(gòu)建有效的帶偏差的裝配坐標(biāo)系成為當(dāng)前研究的重點(diǎn)與難點(diǎn)。

圖11 典型零件的裝配特征[45]Fig.11 Assembly features of typical parts[45]

4.2 基于裝配語(yǔ)義模型的虛擬裝配

裝配語(yǔ)義指包含零件間設(shè)計(jì)意圖、關(guān)鍵尺寸參數(shù)、相互裝配關(guān)系等產(chǎn)品裝配關(guān)系的數(shù)學(xué)表達(dá)。通過對(duì)裝配語(yǔ)義解析獲取約束信息、裝配順序信息以及特征匹配信息，從而構(gòu)建出產(chǎn)品虛擬裝配模型[47]，完成基于語(yǔ)義的虛擬裝配。Wang等[48]提出了一種裝配語(yǔ)義的建模方法，將裝配信息分為功能級(jí)、結(jié)構(gòu)級(jí)和特征級(jí)三級(jí)語(yǔ)義，通過語(yǔ)義解釋和詞典支持的多映射機(jī)制，完成如設(shè)計(jì)意圖、基本功能、裝配層次和裝配知識(shí)等相關(guān)信息檢索。Zhu等[49]借助于識(shí)別、求解、導(dǎo)航等裝配語(yǔ)義處理方法，提出了一系列虛擬環(huán)境下交互式裝配工具規(guī)劃方法，包括裝配工具選擇、定位與操作；也提出了一種用于交互式裝配和過程生成的裝配語(yǔ)義建模方法?；谇笆瞿Ｐ停岢隽藦慕换ゲ僮髦羞M(jìn)行語(yǔ)義生成、處理和裝配運(yùn)動(dòng)提取的方法[50]。Kim等[51]提出了一種新的基于本體的裝配設(shè)計(jì)范式，實(shí)現(xiàn)了裝配空間、連接關(guān)系等意圖的捕捉。上述研究均屬于基于理論模型的虛擬裝配，在實(shí)測(cè)模型裝配中由于制造偏差的存在不能直接套用前述的語(yǔ)義模板定義方法，特別是在裝配特征約束的確定時(shí)，局部坐標(biāo)系的構(gòu)建應(yīng)考慮實(shí)際裝配位姿而非按照理論方式定位，因此，目前對(duì)于裝配語(yǔ)義在實(shí)測(cè)模型虛擬裝配中的應(yīng)用仍處于初級(jí)階段，亟待開展進(jìn)一步研究。

4.3 基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的虛擬預(yù)裝配技術(shù)應(yīng)用

目前基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的虛擬預(yù)裝配技術(shù)應(yīng)用主要集中在裝配界面間隙、修邊及加墊量預(yù)測(cè)優(yōu)化等方面。如圖12所示[2]，在F–35研制中，為控制骨架與蒙皮內(nèi)形面間的精準(zhǔn)裝配，工程技術(shù)人員通過在裝配工藝規(guī)程中加入實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)配合面進(jìn)行了在線測(cè)量，根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)最終確定了加墊量，并搭建了自動(dòng)化液體墊片填隙系統(tǒng)，完成了高效、精準(zhǔn)墊片。Wang等[52]提出了用于控制機(jī)翼裝配間隙的最優(yōu)姿態(tài)評(píng)估模型。通過引入小姿態(tài)變換 （SPT）概念計(jì)算間隙，建立了具有間隙容差約束的綜合加權(quán)最小化模型，實(shí)現(xiàn)了機(jī)翼壁板及骨架結(jié)構(gòu)的自動(dòng)裝配。江一帆[53]針對(duì)剛脆性隔熱瓦在飛行器上的裝配問題，提出了基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的裝配調(diào)姿方法，以重構(gòu)隔熱瓦代替理論模型進(jìn)行裝配特征計(jì)算，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)精準(zhǔn)定位與裝配。郝龍[54]以大型壁板裝配過程為對(duì)象，通過數(shù)字化測(cè)量分析構(gòu)建了基于關(guān)鍵特征的實(shí)測(cè)模型，通過融合裝配語(yǔ)義等信息，實(shí)現(xiàn)了壁板變形精準(zhǔn)控制與裝配間隙優(yōu)化。

圖12 基于實(shí)測(cè)模型虛擬預(yù)裝的F–35前機(jī)身加墊補(bǔ)償[2]Fig.12 F–35 front fuselage gasket compensation of virtual pre-assembly based on measured model[2]

5 數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)的飛機(jī)虛擬預(yù)裝配技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

新一代飛機(jī)服役性能要求的大幅提升使得產(chǎn)品結(jié)構(gòu)裝配精度提升到亞mm級(jí)，考慮到目前大量應(yīng)用于飛機(jī)主承力結(jié)構(gòu)的CFRP材料構(gòu)建的裝配精度要求與結(jié)構(gòu)成形精度（厚度偏差±0.5 mm） 基本持平甚至高于其成型精度，同時(shí)CFRP/金屬、金屬/金屬等裝配界面大量存在[55]，超高的裝配精度要求基本無(wú)法通過現(xiàn)有數(shù)字化尺寸協(xié)調(diào)與容差分配方法得到。同時(shí)，新一代飛機(jī)尺寸提升巨大、結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，協(xié)調(diào)關(guān)系繁多。以某型大展弦比無(wú)人機(jī)機(jī)翼裝配為例，其裝配零件數(shù)量大、裝配過程復(fù)雜，裝配完成后往往會(huì)由于彎曲、扭轉(zhuǎn)等復(fù)雜變形存在而造成結(jié)構(gòu)件內(nèi)部應(yīng)力分布不均，從而產(chǎn)生難以預(yù)測(cè)的整體結(jié)構(gòu)變形，極大影響裝配質(zhì)量?，F(xiàn)有裝配方法僅注重零件幾何尺寸要求，而忽視了對(duì)于裝配力的監(jiān)測(cè)與控制，例如壁板的外形準(zhǔn)確度由工裝保證，但是成形精度的限制使壁板預(yù)裝夾緊過程需要對(duì)不同貼合部位進(jìn)行加墊處理以滿足最終形狀，同時(shí)上述耦合應(yīng)力狀態(tài)釋放下的機(jī)翼會(huì)形成復(fù)雜變形且難以溯源其成因。

針對(duì)上述飛機(jī)裝配問題與挑戰(zhàn)，為了避免裝配精度低、質(zhì)量差、一致性差等因素對(duì)整體飛機(jī)產(chǎn)品服役性能產(chǎn)生的影響，亟須引用數(shù)字孿生技術(shù)為紐帶實(shí)現(xiàn)新一代飛機(jī)從零件→部件→整機(jī)全裝配過程的關(guān)鍵特征實(shí)測(cè)模型預(yù)裝分析。將零部件理論模型、虛擬裝配仿真等虛擬數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)重構(gòu)模型、實(shí)際裝配狀態(tài)等物理數(shù)據(jù)虛實(shí)交互與融合，提出裝配過程調(diào)控方法和數(shù)字孿生裝配系統(tǒng)的運(yùn)行機(jī)制；然后通過在裝配過程中搭載物理樣機(jī)采集實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)來(lái)輔助工藝決策，實(shí)現(xiàn)裝配數(shù)字孿生模型與物理樣機(jī)的虛實(shí)融合，達(dá)到飛機(jī)裝配快速動(dòng)態(tài)調(diào)整與精準(zhǔn)修配，提高質(zhì)量和效率。數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)的飛機(jī)虛擬預(yù)裝配實(shí)現(xiàn)可以分為3步。

（1）面向幾何特征約束的裝配數(shù)字孿生模型構(gòu)建。

在基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的虛擬裝配中，零部件關(guān)鍵裝配幾何特征是保證準(zhǔn)確度的關(guān)鍵，在特征識(shí)別、重構(gòu)等關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)過程中傳遞保證裝配精度?；跀?shù)字孿生技術(shù)，面向飛機(jī)復(fù)雜結(jié)構(gòu)，分析其典型邊界、曲面、孔等特征定義方法以及裝配、制造過程中的基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換與統(tǒng)一方法；基于裝配偏差理論，解析不同關(guān)鍵特征分析流程。針對(duì)不同測(cè)量方法得到的飛機(jī)典型幾何量特征測(cè)量數(shù)據(jù)，開展點(diǎn)云對(duì)齊去噪、精簡(jiǎn)，特征信息提取、分析、數(shù)據(jù)匹配與擬合技術(shù)研究。將裝配配合關(guān)系、約束條件裝配信息表征于裝配幾何關(guān)鍵特征表達(dá)準(zhǔn)確度模型?；诤Y選模板構(gòu)建模板到所提取特征的映射，應(yīng)用插值法獲取模板點(diǎn)對(duì)應(yīng)的測(cè)量點(diǎn)?；谏鲜龇椒?gòu)建從篩選模板到數(shù)字孿生模型的映射，實(shí)現(xiàn)孿生體模型構(gòu)建。

（2）多感知調(diào)控的飛機(jī)裝配數(shù)字孿生模型構(gòu)建。

通過從物理實(shí)體、行為方面來(lái)構(gòu)建多感知調(diào)控?cái)?shù)字孿生模型，從而真實(shí)地反映裝配調(diào)控單元裝配工況，實(shí)現(xiàn)對(duì)調(diào)控單元 （如末端鋪貼機(jī)構(gòu)、激光跟蹤儀、工業(yè)機(jī)器人）數(shù)字孿生模型、狀態(tài)參數(shù)模型、裝配工藝約束下的裝配力學(xué)模型的構(gòu)建。即將裝配調(diào)控單元的外形、裝配關(guān)系、運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系、測(cè)量模型與方式等實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確反映到調(diào)控單元孿生模型；將裝配工藝約束下的調(diào)控單元行為通過數(shù)學(xué)表達(dá)形式輸入孿生模型；將裝配過程不同傳感器實(shí)時(shí)采集到的參數(shù)數(shù)據(jù)與實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)物理模型進(jìn)行融合交互，并將融合后數(shù)據(jù)作為孿生模型的驅(qū)動(dòng)力，進(jìn)而實(shí)時(shí)反饋解算參數(shù)以指導(dǎo)、優(yōu)化裝配過程。

（3）數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)的飛機(jī)虛擬預(yù)裝配仿真平臺(tái)。

基于孿生體模型與多感知調(diào)控模型，在裝配現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)字孿生平臺(tái)下，對(duì)當(dāng)前裝配過程關(guān)鍵特征進(jìn)行分析，開展虛擬預(yù)裝配技術(shù)研究，分析裝配缺陷，計(jì)算并優(yōu)化裝配過程。構(gòu)建基于實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)，將包含重力、夾緊力以及溫度等物理與環(huán)境因素引入預(yù)裝配實(shí)時(shí)仿真分析，實(shí)現(xiàn)飛機(jī)產(chǎn)品從零件→部件→整機(jī)全裝配過程的精度與變形分析與有效控制。

6 結(jié)論

為滿足新一代飛機(jī)的超高尺寸精度與服役性能需求，數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)的基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的虛擬預(yù)裝配技術(shù)成為當(dāng)前飛機(jī)裝配領(lǐng)域發(fā)展的新方向。在設(shè)計(jì)模型的基礎(chǔ)上，開展基于工藝流程的KC定量化識(shí)別與分析，考慮不同KC在局部與全局質(zhì)量與性能下的貢獻(xiàn)度，確定其敏感度；以激光跟蹤儀、三維激光掃描儀、室內(nèi)GPS（iGPS）等手段，快速識(shí)別提取與KC關(guān)聯(lián)的幾何特征，構(gòu)建面向幾何特征約束裝配數(shù)字孿生模型、多感知調(diào)控的飛機(jī)裝配數(shù)字孿生模型，搭建數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)的飛機(jī)虛擬預(yù)裝配仿真平臺(tái)，并據(jù)此開展實(shí)測(cè)模型精準(zhǔn)重構(gòu)研究，面向裝配語(yǔ)義模型完成預(yù)裝配分析過程成為實(shí)現(xiàn)飛機(jī)高精度、高性能裝配的關(guān)鍵。