数字孪生在工程机械产品装配领域的应用

1.工程机械产品装配的发展趋势

复杂产品性能优劣与装配质量息息相关。在工程机械当中，装配工序是产品生产制造过程中的关键环节^[1]，它是将零件按规定的技术要求组装起来，并经过调试、检验使之成为合格产品。据统计，在现代制造中装配工作量占整个产品研制工作量的20%~70%，平均为45%，装配时间占整个制造时间的40%~60%^[2]。

随着机械产品装配智能化、轻量化和精密化的不断发展，现有的装配技术难以满足要求，装配精度要求越来越高、装调难度越来越大，产品装配性能保障也越来越困难。在实际装配阶段，由于产品物理特性及现实原因，使得产品的实际装配状态与理论数值之间存在差异，装配质量无满足现代复杂产品高性能、高精度与长寿命等制造与使用要求。对于大型工程机械，其内部包含较多零部件，并且零部件的材料和形式也有所不同。这在一定程度上提升了装配难度，导致现有方式的装配效率不是很高。与此同时，工程机械行业正处于转型换代的关键时期，现代化的工程机械装配工艺发展尤为重要。

计算机和数字化技术的出现极大地促进了装配技术的发展。传统装配技术与计算机技术、网络技术和管理科学的交叉融合形成了数字化装配技术。数字孪生的核心是通过构建与实际物理现场完全一致的数字空间，利用虚拟仿真技术来模拟产品的实际生产过程。对于当前装配工艺研究现状，基于数字孪生的复杂机械产品装配必然成为装配技术的重要发展趋势。

2.数字孪生驱动的工程

机械产品装配技术概述

数字孪生仿真是将众多生产工艺单元组合成连续的过程用数学模型来表现，用计算机求解整个生产过程的数学模型，得到有关过程性能信息^[3]。在数字孪生技术的不断探索下，学术界针对数字孪生体框架和应用准则做岀了相关研究。数字孪生体的内容包括虚拟建模、信息物理融合、人机交互与协同和拓展服务应用四个方面，这些是构成数字孪生驱动的必要部分；应用准则规定了以上各部分的在多维虚拟环境下的几何、物理、行为、规则等内容。数字孪生的核心内容是模型和数据，通过智能感知、模型构建、数据融合技术手段实现产品设计、生产制造、应用服务真正意义上的互通。

在工程机械产品装配领域，一套完整的装配技术组成可分为五个部分：

在实际生产过程中，机械产品的装配质量又会受到零件数量、技术要求、装配形式等众多现实因素的影响，导致其过程十分复杂。数字孪生的提出与应用为以上难题提供了技术思路。针对以上研究目标，基于数字孪生技术构建工程机械产品装配流程的多要素、多层次框架，实现智能化装配。

对于具体的工程机械产品装配，可以在虚拟环境下建立与真实物理模型一致的数字孪生模型，并将装配过程所需要的模型信息和工艺文件信息集成在统一的物联网中，实现物理世界与信息世界的深度融合，对复杂产品的装配过程进行高效的自响应、自组织管控。以上过程可以用流程图1形象表达。

图1 数字孪生下的工程机械产品装配流程

3.工程机械产品装配

数字孪生体的构建流程

数字孪生是以数字化的形式建立物理实体的多维、多时空尺度、多学科、多物理量的动态虚拟模型。数字孪生体在用户需求阶段建立的虚拟空间和模型称为需求数字孪生体，在产品设计阶段建立的虚拟空间和模型称为设计数字孪生体，主要体现为产品虚拟样机^[4]。一般来说，数字孪生体的主要构建要素包括物理实体空间、虚拟数字空间和数据互联模块。

图2 工程机械产品装配的数字孪生体框架

在该结构下建立多层次的立体纵向模型，反应实际物理系统在真实环境下的行为、状态和性能^[5]。通过以上不同阶段信息源的内在交互，融合设计模型、虚拟样机和实际生产装配过程，提取数字孪生体全生命周期信息，构建完整的数字孪生体模型框架如图2所示。

4.数字孪生环境下

虚拟仿真模型的构建

数字孪生技术下的产线设计与生产仿真模块主要基于离散事件仿真平台Plant Simulation，通过在软件内部建立生产线模型与仿真系统统模拟实际生产过程。该系统用于实现三维车间生产工艺过程建模、生产过程仿真分析，为管理决策提供可靠的量化数据依据。

基于虚拟模型对数字化车间布局、工艺、物流方案、资源配置方案等进行综合分析、验证和优化；为生产线精益规划及生产有关的决策提供支持，找出瓶颈并提出可行性优化解决方案，系统总体业务流程如下：

1）构建装配过程所需的待加工零件、加工装备、工艺人员等；主要对车间布局、加工流程、物流配送方案进行合理的流程设置，如图3所示。

图3 工程机械产品装配设备建模

2）待装配零件通过产品编号、ID、RFID传感器、执行器、嵌入式终端等形式为其配置智能核心，用于采集设备工况数据、环境数据，来实现装配过程的自动化执行和控制，具体模型如图4所示。

图4 装配模型的逻辑互联

3）对产线的物流路径、物流配送量等进行虚拟仿真，对产线各工位状态等进行动态实时监控，如图5所示。

图5 工程机械产品装配模型框架

以上建立的生产线物流仿真及可视化仿真模型，模拟加工设备、物料缓存区、物流设备等的运作状态，分析与发现物流阻塞、节拍不平衡、设备等待等问题，实现对生产线方案、物流方案的综合评估与优化。

5.结论

本文研究了数字孪生技术在工程机械产品装配领域的应用，分析了传统工程机械装配的不足，通过构建工程机械产品全生命周期的数字孪生模型，在虚拟制造空间动态模拟产品工艺、装配等相关过程。基于上过程中的数据融合和处理，实现物理空间和虚拟空间的互联，在产品生产制造过程中预测加工质量，提高生产装配的动态性、智能性。