為了實現(xiàn)物理狀態(tài)與虛擬模型的交互與共融，研究了數(shù)字孿生驅(qū)動的航空發(fā)動機裝配技術，論述了其構(gòu)成、功能、流程，詳細分析了裝配流程控制、零件選配、裝配操作引導、裝配間隙控制、裝配技術狀態(tài)控制和裝試數(shù)據(jù)關聯(lián)分析關鍵技術實例驗證(第3節(jié))。所研究的技術不僅有助于提高航空發(fā)動機裝配過程和技術狀態(tài)管控的智能性、主動性、預測性，還能促進基于實物狀態(tài)的決策和優(yōu)化，提高裝配的效率和規(guī)范性，提高一次裝配成功率和質(zhì)量性能的一致性，從而為數(shù)字孿生驅(qū)動的航空發(fā)動機裝配技術研究和系統(tǒng)開發(fā)提供理論依據(jù)與技術參考。

航空發(fā)動機被譽為現(xiàn)代工業(yè)皇冠上的明珠，集中體現(xiàn)了一個國家的工業(yè)基礎、綜合國力和科技發(fā)展水平。裝配是發(fā)動機制造過程中最為重要的環(huán)節(jié)之一，其技術水平顯著影響發(fā)動機的性能、可靠性和壽命等。新一代航空發(fā)動機具有結(jié)構(gòu)復雜、高效率、高壽命、高可靠性、低油耗、低噪聲等特點，在工作狀態(tài)下推力(功率)大、空氣壓力比高、燃氣溫度高、機械轉(zhuǎn)速高，對零件間的配合狀態(tài)、裝配精度、連接可靠性、同軸度、轉(zhuǎn)靜子間隙等關鍵指標提出了更高的要求。獨立自主地研究裝配技術與工藝方法、研制裝配核心裝備、建設先進的裝配生產(chǎn)線，對增強我國航空發(fā)動機自主研制能力，提升我國航空工業(yè)的國際競爭能力具有重要的戰(zhàn)略意義。

由于缺乏足夠的研究基礎和技術積累，我國航空發(fā)動機裝配的技術水平較低，裝配工藝、工裝、工具落后，生產(chǎn)組織模式與國外先進企業(yè)差距大，效率低、質(zhì)量水平差、成本高，難以滿足新一代航空發(fā)動機研制的需要。差距主要體現(xiàn)在以下幾個方面：①裝配操作過程不夠規(guī)范、管控手段匱乏，難以保證裝配要求都能貫徹和落實，“文實不符”的情況難以杜絕；②裝配工藝方法主要針對某一機型的理想模型，很少考慮零件實物的尺寸偏差、形狀誤差和位置誤差對裝配接觸狀態(tài)和力學特性的影響，難以進行基于實物的裝配優(yōu)化；裝配工裝設計落后，不能體現(xiàn)人機工程學要求；工具的數(shù)字化、智能化程度低；③生產(chǎn)組織方式落后，工藝流程較長，仍然以傳統(tǒng)的單工位班組集體作業(yè)為主要形式，關鍵工藝點控制不到位，裝配過程中多余物管控難度大；④裝配卷宗不能真實刻畫和反映一臺發(fā)動機在裝配過程中的技術狀態(tài)形成、演變的軌跡，尚不能預測裝配技術狀態(tài)或試驗性能。

數(shù)字孿生(digital twin, DT)以數(shù)字化方式創(chuàng)建物理實體的虛擬模型[1]，具有實時同步、忠實映射、高保真度特性，促進物理世界與信息世界交互與融合，為物理實體增加或擴展新的能力[2-4]。本文對數(shù)字孿生驅(qū)動的航空發(fā)動機裝配技術進行研究，通過發(fā)動機裝配的物理過程與數(shù)字模型的交互與共融，提高航空發(fā)動機裝配工藝過程的智能性、主動性、預測性，促進裝配質(zhì)量和水平的進一步提升。

1 數(shù)字孿生驅(qū)動的航空發(fā)動機裝配技術概述

如圖1所示，數(shù)字孿生驅(qū)動的航空發(fā)動機裝配技術由物理裝配過程、虛擬裝配過程和孿生數(shù)據(jù)組成。其中，物理裝配過程是航空發(fā)動機裝配的客觀活動和實體集合，涵蓋裝配生產(chǎn)線、裝配執(zhí)行、裝配操作、裝配工藝、物料配送、技術狀態(tài)等。虛擬裝配過程是物理過程的真實映射，并對實際裝配過程進行監(jiān)測、預測和管控等。孿生數(shù)據(jù)包括與物理裝配過程、虛擬裝配過程相關的數(shù)據(jù)集合，支持虛實數(shù)據(jù)的深度融合和交互。通過物理裝配過程與虛擬裝配過程的雙向映射與交互，數(shù)字孿生驅(qū)動的航空發(fā)動機裝配過程可實現(xiàn)兩者的集成和融合，實現(xiàn)發(fā)動機執(zhí)行狀態(tài)和技術狀態(tài)在物理現(xiàn)實、虛擬模型之間的迭代運行，支持裝配過程、工藝參數(shù)和裝機狀態(tài)的智能優(yōu)化和決策，實現(xiàn)發(fā)動機裝配的精準執(zhí)行和優(yōu)化控制。

圖1 數(shù)字孿生驅(qū)動的航空發(fā)動機裝配技術

Fig.1 DT-driven aero-engine assembly technology

如表1所示，數(shù)字孿生航空發(fā)動機裝配技術囊括了與裝配過程相關的多類型、多時間尺度、多粒度的要素、行為和規(guī)則，涉及裝配執(zhí)行前、中、后等不同時間維度，包括過程模型、數(shù)據(jù)模型、計算程序、優(yōu)化算法等不同類型，涵蓋裝配流程、裝配任務、裝配工藝、裝配履歷等，以及超差、歸零等細節(jié)。上述內(nèi)容非常繁雜，難以通過單一模型實現(xiàn)，須分別面向不同的層次和應用領域建立子模型。面向航空發(fā)動機裝配的數(shù)字孿生的子模型包括：裝配流程模型、工藝技術模型、裝機物料模型、技術狀態(tài)模型、關聯(lián)分析模型等。各模型都包括要素、行為和規(guī)則三個方面，詳述如下：

表1 模型的要素、行為和規(guī)則

Tab.1 Factors, behaviors and rules

(1)裝配流程模型。由于航空發(fā)動機裝配具有多裝多試、迭代次數(shù)不固定、流程分支多的特點，流程模型不僅要以數(shù)字化的方式直接驅(qū)動、真實地刻畫發(fā)動機裝配執(zhí)行過程，而且要根據(jù)流程中設置的變量及時地觸發(fā)子流程、改變流程方向，滿足發(fā)動機裝配執(zhí)行過程管控的需求。

(2)工藝技術模型。工藝模型面向裝配工藝的執(zhí)行過程，強化對裝配現(xiàn)場操作指導性和規(guī)范性，驅(qū)動人和設備協(xié)同完成裝配操作和數(shù)據(jù)采集，并與實物狀態(tài)、質(zhì)量狀態(tài)集成，動態(tài)修正或優(yōu)化工藝參數(shù)，形成具有個性化特點的工藝執(zhí)行控制模式。

(3)裝機物料模型。物料模型真實刻畫零件和裝配體實物的狀態(tài)，真實反映其誤差傳遞過程，指導零件的選配和排布優(yōu)化，記錄零件的串換、服役、轉(zhuǎn)工歷史，保證裝機物料的“文實相符”，有利于提高物料精準化配送水平。

(4)技術狀態(tài)模型。技術狀態(tài)模型真實、完整地反映多裝多試過程中零部件實物技術狀態(tài)的演變過程，識別零件超差并觸發(fā)相應流程，控制技術要求的有效性、貫改和歸零，實現(xiàn)單機/單件裝配技術狀態(tài)的有效管控與跟蹤。

(5)關聯(lián)分析模型。關聯(lián)分析模型基于結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化的裝配、試驗數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)零件實物狀態(tài)、裝配技術狀態(tài)、試驗性能之間的關聯(lián)關系，根據(jù)零件狀態(tài)和裝配技術狀態(tài)評估或預測試驗性能，或根據(jù)試驗性能診斷裝配問題，促進裝配工藝的優(yōu)化。

從裝配開始，一臺發(fā)動機就有了與之對應的數(shù)字孿生模型，并伴隨每一次裝配、分解和再裝配。面向航空發(fā)動機裝配的數(shù)字孿生模型真實刻畫每臺發(fā)動機的裝配歷程，真實反映每臺發(fā)動機在裝配過程中的技術狀態(tài)形成、演變軌跡，提出可靠的零件選配和工藝參數(shù)優(yōu)化方案，精準評估發(fā)動機的裝配質(zhì)量，為裝配決策和優(yōu)化提供依據(jù)。

在數(shù)字孿生的驅(qū)動下，航空發(fā)動機裝配的主要環(huán)節(jié)包括：

(1)數(shù)據(jù)模型定義?；诎l(fā)動機裝配的數(shù)字孿生模型，針對每一臺發(fā)動機實例化一個獨立的模型，實現(xiàn)與目標發(fā)動機的虛實映射。

(2)零件選配優(yōu)配。基于物料模型和備選零件實物的狀態(tài)，在虛擬空間中優(yōu)化零件的選配關系，并通過制造物聯(lián)技術保證選配結(jié)果的物理實現(xiàn)。

(3)裝配流程控制。在工作流引擎的驅(qū)動下，通過工作流實例控制裝配執(zhí)行過程，實時監(jiān)測并控制裝配流程的執(zhí)行，通過變量賦值實現(xiàn)流程的觸發(fā)和迭代。

(4)裝配操作引導。面向具體工位，通過數(shù)字化工卡引導人機協(xié)同的裝配操作、質(zhì)量檢驗和數(shù)據(jù)采集，通過增強現(xiàn)實、制造物聯(lián)手段保證裝配操作的規(guī)范、可控。

(5)工藝優(yōu)化控制。利用實物狀態(tài)數(shù)據(jù)驅(qū)動優(yōu)化控制模型，在虛擬空間中實現(xiàn)葉片排布、轉(zhuǎn)子堆疊、轉(zhuǎn)靜子間隙的優(yōu)化，并指導實際裝配過程。

(6)技術狀態(tài)控制。在虛擬空間真實反映發(fā)動機裝配工藝技術的有效性、超差、貫改、歸零等，主動識別各類異常，觸發(fā)處理子流程。

(7)數(shù)據(jù)關聯(lián)分析?；诮Y(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化的裝配、試驗數(shù)據(jù)，分析、發(fā)現(xiàn)發(fā)動機零件物理狀態(tài)、裝配技術狀態(tài)、試驗性能之間的關聯(lián)關系，促進工藝技術的優(yōu)化。

(8)反復迭代優(yōu)化。通過物理裝配與虛擬模型之間的反復迭代、交互共融、忠實映射，提高發(fā)動機裝配過程管控的智能性、主動性、預測性。

2 關鍵技術

2.1 數(shù)字孿生驅(qū)動的裝配執(zhí)行過程控制

發(fā)動機裝配經(jīng)歷“裝配-試車-分解-故檢-裝配-試車”流程的反復執(zhí)行，具有多裝多試、流程復雜的特點，受裝配技術狀態(tài)影響顯著?；诠潭鞒痰难b配執(zhí)行過程數(shù)字化控制方法設置的變量少，難以自適應地調(diào)整工作流。如圖2所示，數(shù)字孿生驅(qū)動的發(fā)動機裝配執(zhí)行過程控制方法首先建立涵蓋裝配、試車、分解、故檢和再裝等發(fā)動機裝配各節(jié)點的過程模板，針對單臺份發(fā)動機實例化數(shù)字孿生模型，采用工作流技術驅(qū)動流程的執(zhí)行和計算機控制，實現(xiàn)單臺份發(fā)動機裝配工作流執(zhí)行的計算機控制，在合適的時間把合適的任務包推送到合適的工位，有效處理任務的召回、等待、掛起、重啟等狀況。在工作流模型中定義變量和分支，通過故檢狀態(tài)、轉(zhuǎn)工狀態(tài)、貫改狀態(tài)、超差狀態(tài)、歸零狀態(tài)的主動識別和流程觸發(fā)機制，實現(xiàn)技術狀態(tài)閉環(huán)、主動控制，實現(xiàn)裝配流程控制與技術狀態(tài)控制的融合。實時跟蹤生產(chǎn)進度、物料狀態(tài)、設備狀態(tài)、質(zhì)量信息，通過實時感知和融合計算獲得質(zhì)量狀態(tài)判定和評估結(jié)果，在虛擬空間中真實、實時地反映裝配生產(chǎn)線上的異常、報警、生產(chǎn)進度和關鍵指標。

圖2 數(shù)字孿生驅(qū)動的裝配執(zhí)行過程控制

Fig.2 DT-driven aero-engine assembly process control

2.2 數(shù)字孿生驅(qū)動的零件選配優(yōu)配

發(fā)動機結(jié)構(gòu)中，同種零件實物的屬性(包括尺寸公差、質(zhì)量、質(zhì)心、轉(zhuǎn)動慣量等)在容差范圍內(nèi)存在個體差異性和分散性。物料配套階段不考慮零件的實物屬性和配合狀態(tài)，導致零件實物間的配合狀態(tài)不一致、不穩(wěn)定，裝配中的“試湊”現(xiàn)象普遍，需要進行反復裝試、換件、補充加工才能滿足裝配質(zhì)量控制要求，導致裝配效率低、質(zhì)量一致性差。

在數(shù)字孿生的驅(qū)動下，根據(jù)結(jié)構(gòu)和裝配工藝，建立典型組件、部件配合關系模型，考慮零件尺寸、形狀、位置等方面的誤差，通過裝配誤差傳遞模型建立零件制造誤差與裝配質(zhì)量指標之間的關系。在此基礎上，考慮零件的轉(zhuǎn)動慣量、振動特性、裝配變形等物理屬性，形成幾何、物理融合的裝配優(yōu)化模型。然后，通過零件的實測數(shù)據(jù)驅(qū)動優(yōu)化模型，進行幾何、物理指標的綜合優(yōu)化和平衡，通過智能優(yōu)化算法提高精度和效率，優(yōu)化零件實物的組合關系。在零件配套和發(fā)料階段，采用制造物聯(lián)手段獲取標識，識別零件實物，實現(xiàn)“文實相符”。

2.3 數(shù)字孿生驅(qū)動的裝配操作引導

航空發(fā)動機裝配工藝復雜、精度要求高，但實際裝配操作過程中人為因素多，不規(guī)范、不受控的情況時有發(fā)生，錯漏裝、多余物等問題難以徹底杜絕，留下了重大隱患。

如圖3所示，在數(shù)字孿生的驅(qū)動下，數(shù)字化工卡集成“人、機、料、法、環(huán)、測”等各要素，對物料的接收、分解、檢查、裝配、試驗等工序進行精細化的管控。面向各執(zhí)行具體操作的工位，通過“工檢合一”的數(shù)字化工卡，引導并控制人機協(xié)同的裝配操作、質(zhì)量檢驗、數(shù)據(jù)采集和技術狀態(tài)貫改，形成邊看、邊干、邊檢、邊記的工作模式。具體步驟包括：①在工作流引擎的驅(qū)動下，自動地將數(shù)字化工卡推送到相應執(zhí)行人的工作界面；②自動關聯(lián)有效的技術文件，強制技術文件的閱讀，形成查看記錄；③自動關聯(lián)與裝試任務相關的工藝規(guī)程，通過增強現(xiàn)實(AR)/虛擬現(xiàn)實(VR)手段引導操作人員按步驟完成裝試操作；④自動關聯(lián)對應的檢驗項，引導自檢、互檢和專檢，并采集數(shù)據(jù)，支持數(shù)據(jù)的簡單運算；⑤在條件允許的情況下，驅(qū)動力矩扳手等數(shù)字化工裝、設備，實現(xiàn)裝配操作、質(zhì)量檢驗和數(shù)據(jù)采集的一體化，保障裝配精度和可靠性。

圖3 數(shù)字孿生驅(qū)動的裝配操作引導

Fig.3 DT-driven assembly operation guide

為了提高作業(yè)指令的指導性和規(guī)范性，通過AR的方式引導裝配作業(yè)，將數(shù)字化的裝配指令與物理的裝配過程深度融合，并根據(jù)人員的作業(yè)狀態(tài)自適應地調(diào)整。具體步驟包括：①對虛擬環(huán)境進行定義，并對虛擬零件進行定位追蹤；②準確定位追蹤真實場景中的物體，使虛擬信息準確地疊加、融合到真實場景上；③采用基于視覺定位追蹤技術校正物體的位姿、定位追蹤的誤差；④通過AR設備實現(xiàn)工藝信息可視化展示、瀏覽、選擇；⑤綜合工藝信息的可視化展示、人機交互技術，實現(xiàn)虛實融合的裝配操作引導。例如，發(fā)動機管路數(shù)量多、裝配步驟繁瑣、對實踐經(jīng)驗要求高，而工藝文件查閱效率低，每個管路安裝步驟、支架安裝位置難以記憶，錯裝時有發(fā)生。通過基于AR的管路裝配工藝，可在虛實融合的場景中實現(xiàn)安裝現(xiàn)場的工藝瀏覽、精準定位、錯漏裝檢驗，降低對工人經(jīng)驗和狀態(tài)的依賴程度。此外，在裝配操作引導過程中，通過制造物聯(lián)手段自動識別、記錄每個零件，確保零件選配結(jié)果的準確落實，使虛擬發(fā)動機成為物理發(fā)動機的忠實映射，即“文實相符”。

2.4 數(shù)字孿生驅(qū)動的轉(zhuǎn)靜子裝配間隙控制

轉(zhuǎn)靜子徑向間隙是決定航空發(fā)動機性能和安全的關鍵因素之一。徑向間隙越小，工作效率和性能越高，但刮擦、碰摩安全隱患也越大。徑向間隙越大，安全性越高，但工作效率和性能越低，可能導致流道涂層氣流紊亂、振動加劇。但是，轉(zhuǎn)靜子徑向間隙 “預測難、控制難、檢測難”，對裝配技術提出了更高的要求。

圖4 數(shù)字孿生驅(qū)動的轉(zhuǎn)靜子裝配間隙控制

Fig.4 DT-driven aero-engine tip clearance control

如圖4所示，在數(shù)字孿生的驅(qū)動下，以轉(zhuǎn)子、機匣實物的橢圓度、徑向跳動、偏心度、平面度、平行度、平面跳動和角度位置等實測數(shù)據(jù)為輸入，建立轉(zhuǎn)靜子裝配的誤差傳遞模型，采用模擬仿真的方法求解轉(zhuǎn)子軸向變形，以及轉(zhuǎn)子彈性支承、彎曲變形量、軸線下沉量等，以平均間隙最小為優(yōu)化目標，以最大間隙、最小間隙滿足要求為約束，建立優(yōu)化模型，采用智能優(yōu)化算法，求取最佳轉(zhuǎn)子角向位置，建立角度-間隙分布圖，同時考慮振動特性控制要求，求取最佳的轉(zhuǎn)靜子同軸度控制值。在裝配操作中，以機匣止口為基準，進行轉(zhuǎn)子的安裝和調(diào)試，以靜子機匣軸線為基準測量、監(jiān)控轉(zhuǎn)靜子同軸度，采用傳感器測量各級轉(zhuǎn)靜子的徑向間隙，保證最大間隙、最小間隙和平均間隙值達到質(zhì)量控制要求。

2.5 數(shù)字孿生驅(qū)動的裝配技術狀態(tài)控制

航空發(fā)動機裝配涉及上萬個零件，一般經(jīng)歷兩次裝配、一次分解、一次清洗故檢和兩次試車。裝配技術狀態(tài)數(shù)據(jù)多、類型雜、變化頻。實現(xiàn)單臺份發(fā)動機裝配技術狀態(tài)的管理、控制和跟蹤是裝配質(zhì)量控制、精度保障和工藝優(yōu)化的前提。傳統(tǒng)的裝配技術狀態(tài)管控方式的深度、廣度方面不能滿足新一代航空發(fā)動機研制的需要[5]。

如圖5所示，在數(shù)字孿生的驅(qū)動下，每一臺發(fā)動機都有一個與實物狀態(tài)完全對應的、覆蓋發(fā)動機裝配全過程的裝配技術狀態(tài)模型，保證裝配技術狀態(tài)的真實、完整、規(guī)范、可控、透明。裝配技術狀態(tài)主要包含物料狀態(tài)、工藝技術狀態(tài)、歸零狀態(tài)、超差狀態(tài)和貫改狀態(tài)。其中，物料狀態(tài)是每個零件實物狀態(tài)的真實反映，涵蓋其狀態(tài)在集件、故檢、串換、修理、報廢過程中的演變，刻畫發(fā)動機在裝物料的變化軌跡。工藝技術狀態(tài)真實反映每次裝配操作執(zhí)行工藝的版本、有效性，控制工藝技術要求的下發(fā)、貫徹、回收和歸檔。歸零狀態(tài)和超差狀態(tài)是發(fā)動機裝配中必須準確掌握、嚴格控制的內(nèi)容，涉及歸零狀態(tài)和超差狀態(tài)的自動識別、流程觸發(fā)和閉環(huán)控制，實時反映歸零狀態(tài)和超差狀態(tài)。貫改狀態(tài)真實反映每臺發(fā)動機在每次裝配過程中的貫改目錄和貫改狀態(tài)，進行貫改控制。

圖5 數(shù)字孿生驅(qū)動的裝配技術狀態(tài)控制

Fig.5 DT-driven assembly configuration control

在數(shù)字孿生的驅(qū)動下，裝配技術狀態(tài)模型真實反映單臺份發(fā)動機裝配技術狀態(tài)演變過程，沿時間軸刻畫了裝配技術狀態(tài)的變遷軌跡，成為發(fā)動機數(shù)字孿生模型的重要組成部分。在此基礎上可進行工藝技術有效性、物料串換、歸零狀態(tài)、超差狀態(tài)的監(jiān)測和追溯。

航空發(fā)動機維修過程技術狀態(tài)演變異常復雜，管控的要素多、要求高，難度大。數(shù)字孿生驅(qū)動的裝配技術狀態(tài)控制在此領域具有更加明顯的優(yōu)勢。在發(fā)動機分解、清洗、故檢后，數(shù)字孿生驅(qū)動的裝配技術狀態(tài)控制可真實、完整地反映每個零件在修理及換件過程中的技術裝配演變歷程，其主要內(nèi)容包括：①根據(jù)故檢結(jié)論，為每一個零件啟動一個單獨的處理流程，可能是使用、修理、報廢之一，可繼續(xù)使用的零件啟動入庫流程，須報廢的零件啟動換新流程；②針對要修理的零件，根據(jù)其故檢狀態(tài)觸發(fā)修理工藝編制流程，觸發(fā)排產(chǎn)和執(zhí)行，實時跟蹤修理轉(zhuǎn)工、外協(xié)的進度、狀態(tài)；③在集件時，檢查每一個零件的處理流程是否閉環(huán)控制，確保每一個零件都能回到原來的發(fā)動機，嚴格控制和反映零件串換。

如圖6所示，在修理過程中，發(fā)動機裝配技術狀態(tài)可能發(fā)生繁雜的演變。數(shù)字孿生驅(qū)動的裝配技術狀態(tài)控制可全程記錄、清晰管控每一個變化，保證裝配技術狀態(tài)演變的全程可控、可追溯。

圖6 發(fā)動機修理中的技術狀態(tài)演變

Fig.6 DT-driven configuration management in aero-engine overhaul process

2.6 數(shù)字孿生驅(qū)動的裝試數(shù)據(jù)關聯(lián)分析

裝配、試驗數(shù)據(jù)是發(fā)動機裝配狀態(tài)、試驗性能的真實反映。然而，由于裝配數(shù)據(jù)、試車數(shù)據(jù)中蘊含的關系和規(guī)律不清楚，發(fā)動機裝配狀態(tài)和試驗性能之間尚無法建立雙向映射關系，使試驗性能預測和裝配工藝的改進缺乏可靠依據(jù)，這成為國內(nèi)航空發(fā)動機制造行業(yè)的共同難點。

在數(shù)字孿生的驅(qū)動下，基于結(jié)構(gòu)化或非結(jié)構(gòu)化的裝配、試驗數(shù)據(jù)，可通過關聯(lián)規(guī)則、相關系數(shù)、深度學習等方法認知發(fā)動機零件物理狀態(tài)、裝配技術狀態(tài)、試驗性能之間的關聯(lián)關系。例如，針對裝試數(shù)據(jù)的時序特性，建立裝試過程多維數(shù)據(jù)的時間序列模型，揭示裝試數(shù)據(jù)隨時間變化的規(guī)律。針對發(fā)動機試驗性能的分散性，根據(jù)裝試數(shù)據(jù)時序模型分析和相關性分析，揭示試驗性能的演化規(guī)律。利用深度學習方法，構(gòu)建以裝配數(shù)據(jù)為輸入、試驗性能數(shù)據(jù)為輸出的模型，挖掘發(fā)動機試驗性能的形成規(guī)律，形成裝試數(shù)據(jù)驅(qū)動的“關聯(lián)+預測+調(diào)控”的決策新模式。其基本思想如下：①通過裝試數(shù)據(jù)的關聯(lián)分析，構(gòu)建裝試數(shù)據(jù)時序模型并挖掘序列模式，挖掘裝試數(shù)據(jù)之間的映射規(guī)律；②利用關聯(lián)分析結(jié)果，建立符合裝試數(shù)據(jù)映射規(guī)律的模型，根據(jù)裝配狀態(tài)預測試驗性能；③基于試驗性能預測模型，確定影響發(fā)動機試驗性能的關鍵工藝參數(shù)，通過工藝參數(shù)優(yōu)化對試驗性能指標進行科學的調(diào)控。

如圖7所示，數(shù)字孿生驅(qū)動的裝試數(shù)據(jù)關聯(lián)分析的主要步驟如下：①裝試數(shù)據(jù)采集與預處理，對數(shù)據(jù)進行深度結(jié)構(gòu)化、清洗與過濾，并對數(shù)據(jù)進行分類和關聯(lián)；②裝試數(shù)據(jù)多尺度分析，對裝試數(shù)據(jù)進行時序、頻次、臺次分析，如轉(zhuǎn)靜子間隙時序分析、試驗推力的臺次分析等；③裝試數(shù)據(jù)關聯(lián)分析，分析渦輪扭角與排氣溫度、推力的關系，分析轉(zhuǎn)靜子間隙與推力的關系；④發(fā)動機裝配質(zhì)量演化趨勢預測，對發(fā)動機的裝配質(zhì)量進行分析，根據(jù)裝配數(shù)據(jù)對試驗性能進行預測和分析；⑤發(fā)動機裝配工藝參數(shù)優(yōu)化決策，根據(jù)關聯(lián)分析的結(jié)果對裝配工藝參數(shù)的調(diào)整提出改進建議，如轉(zhuǎn)靜子間隙、渦輪扭角、零組件不平衡量的調(diào)整，促進裝配工藝的改進和裝配質(zhì)量的提高。

圖7 數(shù)字孿生驅(qū)動的裝試數(shù)據(jù)關聯(lián)分析

Fig.7 DT-driven correlation analysis of assembly data and testing data

3 實例驗證

數(shù)字孿生驅(qū)動的航空發(fā)動裝配技術覆蓋范圍廣、涉及內(nèi)容多，其實現(xiàn)是一項艱巨的工程。

作者所在團隊設計了航空發(fā)動機智能裝配平臺，支持面向航空發(fā)動機裝配的數(shù)字孿生模型的實現(xiàn)。如圖8所示，該平臺分為基礎資源層、感知執(zhí)行層和裝配業(yè)務層。其中，基礎資源層包括數(shù)據(jù)資源、智能設備和裝配生產(chǎn)線，既是狀態(tài)感知的來源，又是控制指令的執(zhí)行者，是實現(xiàn)物理世界與數(shù)字孿生模型之間雙向映射與交互的載體。感知執(zhí)行層負責狀態(tài)感知和執(zhí)行控制，不僅是裝配業(yè)務與基礎資源的媒介，而且是虛實交互與映射的中樞。裝配業(yè)務層面向裝配流程控制、裝配操作引導、工藝優(yōu)化控制、技術狀態(tài)控制和數(shù)據(jù)關聯(lián)分析，是人與數(shù)字孿生系統(tǒng)交互的窗口。

在該平臺基礎上，作者所在團隊已實現(xiàn)了一部分面向航空發(fā)動機裝配的數(shù)字孿生子模型。目前，數(shù)字孿生驅(qū)動的裝配執(zhí)行過程控制、裝配技術狀態(tài)控制子系統(tǒng)已在企業(yè)應用，數(shù)字孿生驅(qū)動的零件選配、裝配操作引導已完成技術研究和開發(fā)，數(shù)字孿生驅(qū)動的轉(zhuǎn)靜子裝配間隙工藝控制、裝試數(shù)據(jù)關聯(lián)分析正處于研究階段。部分已實現(xiàn)或應用的子系統(tǒng)革新了傳統(tǒng)的航空發(fā)動機裝配模式。其中，數(shù)字孿生驅(qū)動的裝配執(zhí)行過程適應航空發(fā)動機多裝多試、流程復雜的特點，采用工作流技術在合適的時間把合適的任務包推送到合適的工位，并能主動識別故檢、轉(zhuǎn)工、貫改、超差、歸零等狀態(tài)變量、觸發(fā)相應流程，實現(xiàn)技術狀態(tài)閉環(huán)、主動控制，實現(xiàn)裝配流程控制與技術狀態(tài)控制的融合，實時感知生產(chǎn)、物料、設備、質(zhì)量等狀態(tài)，真實反映裝配過程中的異常、報警、生產(chǎn)進度和關鍵指標。到目前為止，已管理了十幾個型號、幾百臺發(fā)動機的裝配執(zhí)行過程，圖9所示是其中的一個實例。

圖8 航空發(fā)動機智能裝配平臺

Fig.8 Aero-engine intelligent assembly platform

圖9 裝配執(zhí)行過程控制實例

Fig.9 An example of assembly process control

在數(shù)字孿生驅(qū)動的裝配技術狀態(tài)控制方面，每一臺發(fā)動機都有一個與實物狀態(tài)完全對應的、覆蓋發(fā)動機裝配全過程的裝配技術狀態(tài)模型，全面、真實地反映單臺在裝發(fā)動機物料狀態(tài)、工藝技術狀態(tài)、歸零狀態(tài)、超差狀態(tài)和貫改狀態(tài)的演變過程，支持工藝技術有效性控制、物料串換、歸零狀態(tài)、超差狀態(tài)的監(jiān)測和追溯，如圖10所示。

圖10 裝配技術狀態(tài)跟蹤實例

Fig.10 An example of assembly configuration tracing

在數(shù)字孿生驅(qū)動的零件選配方面，以某發(fā)動機高壓渦輪轉(zhuǎn)子平衡組件為例，測量零件關鍵配合尺寸以及內(nèi)外止口柱面和端面的跳動，以控制同軸度為目標進行鼓筒軸、前封嚴盤、渦輪盤、渦輪后軸的選配和優(yōu)配，輸出零件配套清單和周向安裝角度，使得選出的零件更易于裝配合格，減少零件更換、提高裝配效率和質(zhì)量一致性，見表2。

表2 零件選配實例

Tab.2 An example of part selection

如圖11所示，在數(shù)字孿生驅(qū)動的裝配操作引導方面，自動地將數(shù)字化工卡推送到相應執(zhí)行人的工作界面，自動關聯(lián)有效的技術文件，強制技術文件的閱讀，自動關聯(lián)與裝試任務相關的工藝規(guī)程，引導操作人員按步驟完成裝試操作；自動關聯(lián)對應的檢驗項，引導自檢、互檢、專檢和數(shù)據(jù)采集，驅(qū)動力矩扳手執(zhí)行擰緊操作和數(shù)據(jù)采集，實現(xiàn)人機協(xié)同的裝配操作、質(zhì)量檢驗和數(shù)據(jù)采集，形成邊看、邊干、邊檢、邊記的工作模式。

圖11 裝配操作引導實例

Fig.11 An example of assembly operation guide

4 結(jié)語

本文研究了數(shù)字孿生驅(qū)動的航空發(fā)動機裝配技術，詳細論述了其構(gòu)成、功能、流程和關鍵技術?；谖锢硌b配與虛擬模型的交互與共融，實現(xiàn)裝配流程控制、零件選配、裝配操作引導、裝配間隙控制、裝配技術狀態(tài)控制和裝試數(shù)據(jù)關聯(lián)分析，不僅有助于提高裝配過程和技術狀態(tài)管控的智能性、主動性、預測性，而且能促進基于實物狀態(tài)的決策和優(yōu)化，提高裝配的效率和規(guī)范性，提高一次裝配成功率和質(zhì)量一致性，從而為提高航空發(fā)動機的裝配技術水平提供了可行的解決方案。

目前，數(shù)字孿生驅(qū)動的航空發(fā)動機裝配技術研究正處于發(fā)展階段，許多問題有待更加深入的研究和探索。希望本文能為數(shù)字孿生驅(qū)動的航空發(fā)動機裝配技術研究和系統(tǒng)開發(fā)提供一定的理論與技術參考。