張入元，武殿梁，黃順舟

(1.上海交通大學(xué)智能制造與信息工程研究所，上海 200240；2.上海航天設(shè)備制造總廠有限公司，上海 200245)

0 引言

裝配是產(chǎn)品加工制造中最重要的一環(huán)，火箭、大飛機和衛(wèi)星等復(fù)雜產(chǎn)品采用先分部段裝配、再總裝對接的模式，對接裝配的對接效率與質(zhì)量直接影響整個產(chǎn)品的最終質(zhì)量、性能和水平。當前國內(nèi)總裝對接自動化水平低，多依賴工人經(jīng)驗完成總裝對接過程。以火箭對接裝配為例，一次典型的對接過程中：裝配工人在通過工裝將艙段與調(diào)姿設(shè)備固定后，須通過目測觀察、口令協(xié)調(diào)指揮、點動控制調(diào)姿設(shè)備，來調(diào)整艙段姿態(tài)，完成對接。整個過程中存在對接質(zhì)量和效率低下、對接過程數(shù)據(jù)收集困難的問題。

要解決上述問題，必須對總裝對接過程進行全要素三維在線監(jiān)控。一方面，現(xiàn)場數(shù)據(jù)低延遲、高頻率驅(qū)動模型更新，為現(xiàn)場裝配提供參考；另一方面，將過程中的數(shù)據(jù)進行結(jié)構(gòu)化存儲，便于后續(xù)分析與問題追溯。針對復(fù)雜產(chǎn)品裝配現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控困難的問題，文獻[1]引入工作流管理和電子看板技術(shù)，構(gòu)建了動態(tài)實時可視化監(jiān)控系統(tǒng)；文獻[2]針對車間的實時可視化監(jiān)控難題，提出多層次三維可視化監(jiān)控模式和實時數(shù)據(jù)驅(qū)動的虛擬車間運行模式。文獻[3]參考數(shù)字孿生理論模型，提出一種車間三維可視化監(jiān)控系統(tǒng)六維模型，一定程度解決了制造車間監(jiān)控透明度低、實時性差、缺乏模型等問題。以上研究一定程度上滿足了現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集與工藝流程監(jiān)控的需求，但針對總裝對接場景，都存在更新時延長、不能指導(dǎo)現(xiàn)場對接的問題。

數(shù)字孿生能通過虛實映射，完成數(shù)字化模型的同步更新，是實現(xiàn)制造物理世界與信息世界交互共融的重要手段。它最早由Grieves教授提出，逐步演變?yōu)橐环N充分利用模型、數(shù)據(jù)，集成多學(xué)科的技術(shù)。文獻[4]在開發(fā)“數(shù)字雙胞胎”虛擬機工具中整合制造數(shù)據(jù)和傳感數(shù)據(jù)，利用數(shù)字孿生虛擬機的特性曲線來進行診斷和預(yù)測；文獻[5]結(jié)合數(shù)字孿生理論與虛擬現(xiàn)實技術(shù)，提出離線數(shù)據(jù)和在線數(shù)據(jù)耦合的作業(yè)流程表征方法，實現(xiàn)了可視化的復(fù)雜裝備作業(yè)流程、裝配流程建模與仿真。文獻[6-7]在將數(shù)字孿生應(yīng)用于車間智能制造與智能生產(chǎn)的領(lǐng)域上進行了大量研究，形成了數(shù)字孿生五維模型理論[8]和數(shù)字孿生標準體系[9]。

本文針對現(xiàn)有方案更新時延長、不能指導(dǎo)現(xiàn)場裝配的問題，設(shè)計了一種基于數(shù)字孿生模型的總裝對接在線監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)驅(qū)動模型仿真后再持久化，有利于縮短響應(yīng)時間。后從數(shù)據(jù)模型與映射方法兩個方面論述了總裝對接系統(tǒng)數(shù)字孿生模型和總裝對接數(shù)字化工藝模型。并就上述理論開發(fā)了原型系統(tǒng)進行驗證。

1 總裝對接在線監(jiān)控總體方案

1.1 總裝對接概述

總裝對接最終產(chǎn)品由多個艙段兩兩對接組成。如圖1所示，艙段為圓筒狀結(jié)構(gòu)，各段間通過定位銷定位，對接后由螺栓完成最終的連接。在對接過程中，為使定位銷能順利通過定位孔，到達要求位置，必須使用特殊的工裝和設(shè)備來調(diào)整艙段姿態(tài)。對接裝配的工序散布在總裝對接流程中，單個對接工序的大致步驟如下：

圖1 對接示意圖

(1)吊裝艙段或者專用工裝，將工裝艙段固連；

(2)將艙段與工裝吊裝到設(shè)備上，艙段與設(shè)備通過工裝連接；

(3)操控設(shè)備調(diào)整艙段姿態(tài)，使對接艙段端面的銷與孔對齊，并完成對接；

(4)通過塞規(guī)等工具測量裝配間隙等裝配要求是否滿足；

(5)螺栓定力矩連接對接的兩艙段。

1.2 總裝對接在線監(jiān)控系統(tǒng)組成

總裝對接在線監(jiān)控系統(tǒng)組成如圖2所示，分為圖形建模、數(shù)據(jù)接入、在線監(jiān)控、數(shù)據(jù)管理四個模塊。

圖2 總裝對接在線監(jiān)控系統(tǒng)框架

圖形化建模模塊通過圖形界面和三維場景可視化，提供人機友好的交互方式。能夠完成對接系統(tǒng)內(nèi)零件/產(chǎn)品數(shù)字孿生模型、設(shè)備數(shù)字孿生模型、工藝數(shù)字化模型的建模，建立總裝對接模型。一方面總裝對接模型能夠序列化后通過文件接口持久化到本地文件，進行多機共享，在圖形建模模塊和在線監(jiān)控模塊中使用；另一方面，完成建模的總裝對接模型通過數(shù)據(jù)庫接口將模型靜態(tài)數(shù)據(jù)與廠房布局數(shù)據(jù)上傳數(shù)據(jù)管理模塊。

數(shù)據(jù)接入模塊主要負責融合其余系統(tǒng)的數(shù)據(jù)。模塊通過網(wǎng)絡(luò)與MES(Manufacturing Execution System)、測量系統(tǒng)和調(diào)姿設(shè)備控制系統(tǒng)進行通信，按照協(xié)議對網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)解析后，獲得實時工藝執(zhí)行信息、設(shè)備運動信息和測點位置數(shù)據(jù)。在對數(shù)據(jù)進行相應(yīng)預(yù)處理后，調(diào)用在線監(jiān)控模塊總裝對接模型的遠程調(diào)用接口。

在線監(jiān)控模塊通過文件接口，重建整個總裝對接模型。在數(shù)據(jù)接入模塊調(diào)用模型接口后，完成仿真計算，實時更新圖形看板、三維場景內(nèi)的可視化模型和文字標簽。同時將實時的動態(tài)數(shù)據(jù)異步發(fā)送到數(shù)據(jù)管理模塊中。

數(shù)據(jù)管理模塊基于關(guān)系模型描述對接過程的物理世界，將建模的靜態(tài)數(shù)據(jù)、動態(tài)監(jiān)控數(shù)據(jù)進行結(jié)構(gòu)化存儲。通過對總裝對接數(shù)據(jù)進行查詢分析，既能對總裝的對接過程進行優(yōu)化，也能對問題進行追溯。

1.3 總裝對接在線監(jiān)控系統(tǒng)實施流程

總裝對接在線監(jiān)控系統(tǒng)實施流程分為對接系統(tǒng)建模、執(zhí)行監(jiān)控和數(shù)據(jù)分析三個階段：

(1)對接系統(tǒng)建模階段，進行總裝對接模型搭建。

1) 根據(jù)廠房、設(shè)備、產(chǎn)品的圖紙或者測量數(shù)據(jù)，建立對應(yīng)的三維模型；并對倉房、設(shè)備的三維模型進行不同程度的輕量化處理；

2) 利用圖形建模功能，研發(fā)人員基于模型進行零件/產(chǎn)品定義、設(shè)備定義，完成廠房布局；

3)在型號任務(wù)下達時，工藝人員根據(jù)制定的工藝規(guī)程，建立工藝數(shù)字化模型，將數(shù)據(jù)同步到數(shù)據(jù)庫；

(2)執(zhí)行監(jiān)控階段，基于預(yù)定義工藝數(shù)字化模型進行監(jiān)控。

1)在線監(jiān)控模塊導(dǎo)入模型文件，通過數(shù)據(jù)庫獲取最新工藝，并接入MES、測量系統(tǒng)和設(shè)備控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，進行數(shù)據(jù)通信；

2)根據(jù)預(yù)定義工藝數(shù)字化模型執(zhí)行對接裝配工藝流程，實現(xiàn)流程控制；

3)現(xiàn)場數(shù)據(jù)驅(qū)動模型更新，完成虛實映射，場景三維模型、可視化標簽和數(shù)據(jù)看板進行可視化監(jiān)控；

(3)數(shù)據(jù)分析階段，依據(jù)工藝文件與工序查詢對接過程數(shù)據(jù)，生成報表?？筛鶕?jù)艙段位姿變化、設(shè)備運動數(shù)據(jù)、測點位置數(shù)據(jù)和工藝流程信息進行問題追溯。

2 總裝對接系統(tǒng)數(shù)字孿生建模

2.1 總裝對接模型分析

總裝對接模型是對接物理空間各類要素在虛擬空間的映射，參與的該過程主要有：倉房等環(huán)境資源；工藝、檢驗和操作工人等人員；行車、調(diào)姿架車和翻轉(zhuǎn)架車等設(shè)備；對接艙段和連接件等物料；工藝參數(shù)、檢驗參數(shù)、執(zhí)行流程等工藝信息?？蓪⒖傃b對接過程數(shù)字孿生模型按要素分類描述為：

Msys={DMproc,DTsys}

(1)

DTsys={DTpers,DTequip,DTprod,DTenv}

(2)

式(1)和式(2)中，Msys為總裝對接模型；DTsys為總裝對接系統(tǒng)數(shù)字孿生模型；DMproc為工藝數(shù)字化模型；DTpers為人員數(shù)字孿生模型；DTequip為設(shè)備數(shù)字孿生模型；DTprod為零件/產(chǎn)品數(shù)字孿生模型；DTenv為環(huán)境數(shù)字孿生模型。其中環(huán)境對總裝對接的影響可由設(shè)備布局和作用范圍進行體現(xiàn)，人員對總裝對接的影響主要在操作相關(guān)設(shè)備以及工藝執(zhí)行權(quán)限中體現(xiàn)，除此之外影響較小。因此主要討論零件/產(chǎn)品、設(shè)備、工藝三類要素。

針對總裝對接三維在線監(jiān)控這一需求，總裝對接模型需要支撐的服務(wù)主要有：①基于模型定義對接系統(tǒng)；②零件與設(shè)備運動的低延遲可視化；③對接過程各類數(shù)據(jù)簿記(工藝參數(shù)、檢驗數(shù)據(jù)、記錄項)。依照數(shù)字孿生五維模型理論，其中①、③兩項分別對應(yīng)對接系統(tǒng)數(shù)據(jù)模型，②則對應(yīng)虛實映射的方法。

2.2 零件/產(chǎn)品數(shù)字孿生

總裝對接的復(fù)雜產(chǎn)品由多個筒段零件組成，零件兩兩之間通過連接件連接?？蓪⒖傃b對接過程中零件/產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型的表達如圖3所示，產(chǎn)品除名稱、型號、代號等信息外，包含多個對接零件與多個裝配關(guān)系；每個裝配關(guān)系包含兩個對接零件、多個連接件，以及對接雙方的裝配要求(端面距離等)、連接件的數(shù)量、設(shè)計的裝配力矩、當前裝配狀態(tài)；對接零件包含名稱、編號、幾何模型、局部坐標系的位姿、設(shè)計尺寸、對接平面特征、軸線特征、用于測量定位的測點信息；連接件使用標準件，包含名稱、標準、規(guī)格等信息。

圖3 零件/產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型

圖3中的+號前綴字段為零件/產(chǎn)品靜態(tài)信息，可根據(jù)圖紙在對接系統(tǒng)建模階段完成。*號為動態(tài)信息由在線監(jiān)控階段進行虛實映射。其中裝配關(guān)系的當前狀態(tài)初始時均為未對接，執(zhí)行監(jiān)控階段，根據(jù)預(yù)定義工藝，在艙段拆裝工步完成后，裝配關(guān)系當前狀態(tài)相應(yīng)變化。零件位姿主要根據(jù)實時連接關(guān)系和測點數(shù)據(jù)得到，方法流程如下：

(1)以零件為頂點，裝配關(guān)系為邊，形成無向圖。裝配關(guān)系的當前狀態(tài)確定兩頂點是否存在連接邊，由此獲得多個連通分量。

(2)單個連通分量包含多個零件，設(shè)各零件的坐標系為{Pj}(j=1,2,…,k,k≥1)，以其中一個零件的坐標系作為連通分量坐標系{L}。

①分別計算質(zhì)心在全局坐標系{W}和連通分量坐標系{L}中的坐標Wp′和Lp′：

(3)

③對H進行奇異值分解H=UDVT，其中，D為對角矩陣，V和U為正交矩陣；計算矩陣R=VUT，并求行列式|R|。若|R|=1, 矩陣R就是待求姿態(tài)矩陣；若|R|=-1，令V=[v1v2v3]，R=VUT，其中v1v2v3分別為矩陣V的第 1、2、3 列。連通分量坐標系{L}在世界坐標系下的位姿為：

(4)

2.3 設(shè)備數(shù)字孿生

總裝對接過程中所使用的調(diào)姿設(shè)備、物流設(shè)備和固定工裝均歸類于設(shè)備。結(jié)構(gòu)上，各設(shè)備由構(gòu)件之間組成各類運動副，確定設(shè)備的運動模型；功能上，設(shè)備既可以與零件進行連接，也可與設(shè)備(工裝)進行連接。將設(shè)備的數(shù)據(jù)模型描述如圖4所示，設(shè)備包含多個構(gòu)件、運動副和連接關(guān)系，以及局部坐標系位姿(表達在廠房下的布局)；構(gòu)件包含幾何模型、構(gòu)件的約束特征(旋轉(zhuǎn)軸線等)和局部坐標系位姿；運動副描述兩個構(gòu)件之間的約束，包含約束構(gòu)件、約束類型(移動副/轉(zhuǎn)動副)、運動范圍和當前值；連接關(guān)系描述工裝或者零件與構(gòu)件連接，包含類型(零件連接/設(shè)備連接)、連接模型、連接位姿以及當前連接狀態(tài)。

圖4 設(shè)備數(shù)據(jù)模型

圖4中的+號前綴字段為設(shè)備結(jié)構(gòu)、功能靜態(tài)信息，可在根據(jù)設(shè)備、工裝圖紙在對接系統(tǒng)建模階段完成。*號為動態(tài)信息由在線監(jiān)控階段進行虛實映射。其中連接關(guān)系的連接狀態(tài)初始時均為未連接。執(zhí)行監(jiān)控階段，執(zhí)行預(yù)定義工藝，在相應(yīng)固定工裝拆裝工步完成后，連接狀態(tài)相應(yīng)變化；運動副的當前值可由設(shè)備控制系統(tǒng)采集得到；在根據(jù)設(shè)備運動副和約束特征建立運動學(xué)模型后，代入運動副當前值解算可得到構(gòu)件位姿。

(a) 渲染圖 (b) 改進DH法建系

表1 調(diào)姿架車改進DH參數(shù)表

(5)

其中，H為結(jié)構(gòu)參數(shù)，d1,d2,d3,θ4運動副當前值，將實時運動副值代入上式，各構(gòu)件在世界坐標系下的位姿為：

(6)

2.4 工藝數(shù)字化模型

總裝對接工藝自頂向下劃分為工藝文件集、工藝文件、工序和工步4個層次。工藝文件集對應(yīng)該產(chǎn)品總裝流程全部工藝，含有多本工藝文件；單本工藝文件含有多個工序，工序前后續(xù)關(guān)系形成有向圖；單個工序內(nèi)含有多個工步，各工步為順序執(zhí)行關(guān)系；工步為具體執(zhí)行內(nèi)容，主要包含執(zhí)行內(nèi)容、各類參裝件(標準件、非標準件)、工藝參數(shù)、記錄項(聲像文件等)、檢驗項。將工藝的數(shù)據(jù)模型描述如圖6所示。

圖6 工藝數(shù)據(jù)模型

圖6中的+號前綴字段在“對接系統(tǒng)建模-工藝建?！彪A段由工藝人員根據(jù)工藝規(guī)程錄入。*號為工藝動態(tài)信息，在線監(jiān)控階段進行輸入并簿記。工藝文件集、工藝文件、工序和工步的執(zhí)行時間均可根據(jù)裝配人員從MES系統(tǒng)開始和結(jié)束工步時獲得時間戳；工步一崗、二崗以及檢驗人員信息由現(xiàn)場掃碼，獲得工號后輸入系統(tǒng)得到；參裝件的批次號在配套時獲得；工藝參數(shù)實際值、檢驗項以及記錄項的內(nèi)容均可由現(xiàn)場各類工具采集或者人工輸入獲得。

3 平臺開發(fā)與驗證

總裝對接在線監(jiān)控平臺是在課題組原有系統(tǒng)JHIM(Jiang Heng Intelligent Manufacturing)的基礎(chǔ)上二次開發(fā)而來。系統(tǒng)利用QT圖形界面嵌入OSG三維場景與用戶進行交互，極大方便了對接系統(tǒng)設(shè)備建模與廠房布局。系統(tǒng)主要有對接系統(tǒng)建模、基于工藝文件的在線監(jiān)控、對接過程數(shù)據(jù)管理與查詢?nèi)蠊δ?，均依?jù)前文描述實現(xiàn)。

系統(tǒng)以某型火箭總裝對接過程進行驗證。總裝對接現(xiàn)場布局如圖7所示，助推艙段由廠房外側(cè)交通工具轉(zhuǎn)運到廠。廠房主體分為裝配間和轉(zhuǎn)運間兩個區(qū)域，各配有一架大型行車用于吊裝艙段以及各類工裝。裝配間布設(shè)4條軌道用于運行調(diào)姿設(shè)備，完成各個艙段對接。針對各類艙段，配備了主動調(diào)姿架車、從動調(diào)姿架車、頭錐架車和發(fā)動機翻轉(zhuǎn)架車等調(diào)姿設(shè)備，滾動環(huán)、滾動工裝等工裝。裝配間裝有iGPS(indoor Global Position System)，能夠獲得測點實時位置。生產(chǎn)現(xiàn)場已有多年MES使用經(jīng)驗，總裝對接在線監(jiān)控平臺開發(fā)與MES、調(diào)姿裝備控制系統(tǒng)、測量系統(tǒng)的接口后，通過網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)通信。

圖7 總裝對接廠房整體布局

整理對接工序后，依據(jù)現(xiàn)場完成對接系統(tǒng)建模和工藝數(shù)字化模型建模，再將平臺接入現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)基于預(yù)定義的工藝文件進行在線監(jiān)控。圖8為發(fā)動機翻轉(zhuǎn)對接過程，右側(cè)對話框?qū)崟r顯示工藝流程、對接零件相對位姿、工藝參數(shù)和參裝件信息。用戶可根據(jù)實時相對位姿信息以及輔助指示來調(diào)整設(shè)備，不再需要多人協(xié)調(diào)指揮進行裝配。對接時場景刷新頻率為20幀，時延低于0.1 s。對接完成后利用對接數(shù)據(jù)管理模塊，可查詢、追溯對接數(shù)據(jù)。

圖8 總裝對接在線監(jiān)控系統(tǒng)界面

4 結(jié)束語

本文針對復(fù)雜產(chǎn)品總裝對接過程進行了分析，提出了一種基于數(shù)字孿生模型的在線監(jiān)控方案，并從數(shù)據(jù)模型與虛實映射方法兩方面對總裝對接系統(tǒng)數(shù)字孿生模型和總裝對接過程數(shù)字化工藝進行了詳細論述。本文提出的在線監(jiān)控方案分為圖形建模、數(shù)據(jù)接入、在線監(jiān)控和數(shù)據(jù)管理4個模塊。針對不同現(xiàn)場只需進行相應(yīng)的對接系統(tǒng)建模和工藝建模、修改數(shù)據(jù)接入模塊接入?yún)f(xié)議，便能實施，具有較強通用性。在線監(jiān)控系統(tǒng)延遲低，能在監(jiān)控工藝執(zhí)行和記錄過程數(shù)據(jù)的同時輔助現(xiàn)場裝配，解決了對接裝配效率和質(zhì)量低下、數(shù)據(jù)采集困難的問題。后續(xù)將在此基礎(chǔ)上利用實時孿生數(shù)據(jù)，進行在線仿真，利用仿真結(jié)果指導(dǎo)實時生產(chǎn)，實現(xiàn)“以虛控實”。