CN111077867A - 基于数字孪生的航空发动机装配质量动态仿真方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本公开提供了一种基于数字孪生的航空发动机装配质量动态仿真方法，构建基于数字孪生技术的产品装配样机；多元传感设备工艺数据采集融合方法；复杂产品装配过程中动态仿真与分析方法；装配样机的装配仿真结果可视化表达方法。本发明的装配工艺可视化指导方法，基于数字孪生技术构建装配信息数字化载体，通过多源传感设备获取装配工艺信息，结合装配工艺机理，对产品装配过程中的状态进行动态仿真，由可视化技术将仿真结果高效反馈给装配人员，配质量进行动态调整，实现在装配生产中的装配工艺闭环，达到提高航空发动机装配质量，为产品装配过程调控提供了一种新的动态指导手段。本公开还提供了一种基于数字孪生的航空发动机装配质量动态仿真装置。
Description
技术领域
本公开涉及数字孪生和航空发动机装配工艺技术领域，具体而言，涉及一种基于图像检索的古文字考释方法和装置。
背景技术
任何机械产品都是由若干个零件及部件组成，零件是组成机械的基本单元。将加工合格的零件按照一定的次序和规定的装配技要求结合后才能得到合格产品。因此，装配工艺过程是机械产品生产过程中的必不可少的一个阶段，也是保证机械产品质量的关键阶段。
目前，随着社会需求的变化与科学技术的发展，大型机械产品的结构偏向复杂化，装配工艺面临着一系列新的挑战。对以航空发动机、燃气轮机为典型代表的复杂产品的装配生产，现存的装配工艺已难以满足其装配需求，导致复杂产品出现装配合格率低，装配精度分散度大、一致性差，使用中可靠性低、性能不一致等一系列质量问题。上述质量问题产生的主要原因在于：现有装配生产过程中数据缺失严重、信息流动性弱；装配信息与工艺机理缺乏融合；装配仿真方法复杂、时效性差；仿真结果反馈机制不健全等。现有装配工艺亟需一种全新的技术手段来进行调整。
数字孪生作为一种新的信息空间-物理空间交互融合技术手段，引起了国内外研究机构及企业的广泛关注。数字孪生技术集成多物理、多尺度、多学科属性，以数字化方式创建物理实体的虚拟模型，构建物理对象的信息载体，并借助信息与数据模拟物理实体在显示环境中的行为，通过虚实交互反馈、数据融合分析、决策迭代优化等手段，实现物理世界与信息世界的交互融合，为物理实体增加或扩展新的能力。近年来随着数字孪生车间等一系列概念的提出，数字孪生技术在制造业中的应用取得了快速发展。然而，经调研后发现，目前大部分复杂产品的装配工艺过程仅依赖装配人员的经验，工艺决策缺乏科学性与透明性，而目前数字孪生技术在复杂产品装配环节中面向装配质量分析的应用仍存在不足，有的技术是将数字孪生技术应用在零部件加工、物流运输机仓储等环节，而针对装配过程的应用仍较为缺乏；有的仅仅通过可视化方法按照固定装配工艺指导，而缺乏工艺动态调控能力；有的装配工艺仿真方法过于繁琐，仿真耗时长，输出结果时效性差；有的缺乏有效的、符合人机功效信息反馈手段。装配生产环节中缺乏一中有效的指导方法实现装配过程信息实时收集、装配状态动态仿真推演与装配工艺可视化指导的闭环调控。
发明内容
为了解决现有技术中的技术问题，本公开实施例提供了一种基于数字孪生的航空发动机装配质量动态仿真方法和装置，该方法以实现航空发动机的装配工艺可视化指导，从而实现航空发动机装配过程的闭环调控，提高装配质量。
第一方面，本公开实施例提供了一种基于数字孪生的航空发动机装配质量动态仿真方法，包括以下步骤：构建基于数字孪生技术的产品装配样机，并接收装配工艺信息输入所述产品装配样机；根据收集的产品装配实时信息，结合轻量化装配工艺机理模型，控制仿真精度在预设范围内，实现产品装配状态的动态仿真、分析及推演操作。
在其中一个实施例中，所述构建基于数字孪生技术的产品装配样机包括：构建装配部件及零件的三维模型、构建产品装配工艺信息数据库以及构建装配状态与指导的可视化表达方法。
在其中一个实施例中，所述根据收集的产品装配实时信息，结合轻量化装配工艺机理模型，控制仿真精度在预设范围内，实现产品装配状态的动态仿真、分析及推演操作包括：装配状态仿真模块调用工艺信息，进行产品状态仿真、分析及推演操作。
在其中一个实施例中，还包括：通过多种传感器的使用与多种通讯传输技术的结合对采集的数据完成融合，其中，所述多种传感器包括激光位移传感器、接触式传感器、工业相机传感设备、扭矩扳手传感设备；所述多种通讯传输技术包括工业以太网、WIFI、5G、蓝牙以及手动输入通讯。
在其中一个实施例中，所述工业以太网支持EtherCAT、EtherNet、 PROFINET、Powerlink及SERCOS通信协议。
在其中一个实施例中，所述产品装配状态包括螺栓扭矩、转角、预紧力，零件内部应力、应变、平面度、圆度，零部件间平行度、垂直度、装配体中零部件的端跳、径跳、同心度、间隙典型工艺参数数据。
在其中一个实施例中，还包括：通过对产品装配状态的分析、推演及预测实现程度复杂化产品的装配过程的动态指导，具体包括：通过可视化方法将装配仿真与测量结果叠加在装配样机上；通过可视化设备将装配状态信息展示至装配人员，用以辅助装配工艺决策完成。
第二方面，本公开实施例提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述的方法的步骤。
第三方面，本公开实施例提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现上述的方法的步骤。
第四方面，本公开实施例提供了一种基于数字孪生的航空发动机装配质量动态仿真装置，所述装置包括：构建与接收模块，用于构建基于数字孪生技术的产品装配样机，并接收装配工艺信息输入所述产品装配样机；动态仿真与分析模块，用于根据收集的产品装配实时信息，结合轻量化装配工艺机理模型，控制仿真精度在预设范围内，实现产品装配状态的动态仿真、分析及推演操作。
本发明提供的一种基于数字孪生的航空发动机装配质量动态仿真方法和装置，构建基于数字孪生技术的产品装配样机；多元传感设备工艺数据采集融合方法；复杂产品装配过程中动态仿真与分析方法；装配样机的装配仿真结果可视化表达方法等。本发明的装配工艺可视化指导方法，基于数字孪生技术构建装配信息数字化载体，通过多源传感设备获取装配工艺信息，结合装配工艺机理，对产品装配过程中的状态进行动态仿真，并由可视化技术将仿真结果高效反馈给装配人员，配质量进行动态调整，实现在装配生产中的装配工艺闭环，从而达到提高航空发动机装配质量的目的，为产品装配过程调控提供了一种新的动态指导手段。
附图说明
为了更清楚地说明本公开实施例的技术方案，下面对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍：
图1为本发明一个实施例中的一种基于数字孪生的航空发动机装配质量动态仿真方法的步骤流程示意图；
图2为本发明一个实施例中的一种基于数字孪生的航空发动机装配质量动态仿真方法中的原理结构示意图；
图3为本发明一个实施例中的一种基于数字孪生的航空发动机装配质量动态仿真方法中的工作过程示意图；以及
图4为本发明一个实施例中的一种基于数字孪生的航空发动机装配质量动态仿真装置的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本申请进行进一步的详细介绍。
在下述介绍中，术语“第一”、“第二”仅为用于描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。下述介绍提供了本公开的多个实施例，不同实施例之间可以替换或者合并组合，因此本申请也可认为包含所记载的相同和/ 或不同实施例的所有可能组合。因而，如果一个实施例包含特征A、B、C，另一个实施例包含特征B、D，那么本申请也应视为包括含有A、B、C、D 的一个或多个所有其他可能的组合的实施例，尽管该实施例可能并未在以下内容中有明确的文字记载。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下通过实施例，并结合附图，对本发明一种基于数字孪生的航空发动机装配质量动态仿真方法和装置的具体实施方式进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，为一个实施例中的一种基于数字孪生的航空发动机装配质量动态仿真方法的流程示意图，具体包括以下步骤：
步骤102，构建基于数字孪生技术的产品装配样机，并接收装配工艺信息输入所述产品装配样机。
具体的，构建基于数字孪生技术的产品装配样机包括：构建装配部件及零件的三维模型、构建产品装配工艺信息数据库以及构建装配状态与指导的可视化表达方法。需要说明的是，基于数字孪生的装配样机，其三维模型为装配产品及零件在虚拟空间的数字化表示；航空发动机装配工艺信息数据库收集并存储在装配过程中产生的装配工艺信息，装配工艺信息包括但不限于螺栓扭矩、转角、预紧力，平面度、圆度、平行度、垂直度、端调、径跳、同心度、间隙等典型工艺参数数据，并将用于产品装配状态的推演与分析；装配状态与指导的可视化表达方法是基于仿真结果，在装配样机三维模型中以符合人自然交互的方式方法。
步骤104，根据收集的产品装配实时信息，结合轻量化装配工艺机理模型，控制仿真精度在预设范围内，实现产品装配状态的动态仿真、分析及推演操作。需要说明的是，产品装配状态包括但不限于螺栓扭矩、转角、预紧力，零件内部应力、应变、平面度、圆度，零部件间平行度、垂直度、装配体中零部件的端跳、径跳、同心度、间隙等典型工艺参数数据。
具体的，根据收集的产品装配实时信息，结合轻量化装配工艺机理模型，控制仿真精度在预设范围内，实现产品装配状态的动态仿真、分析及推演操作包括：装配状态仿真模块调用工艺信息，进行产品状态仿真、分析及推演操作。
此外，在一个实施例中，基于数字孪生的航空发动机装配质量动态仿真方法还包括：通过多种传感器的使用与多种通讯传输技术的结合对采集的数据完成融合，其中，所述多种传感器包括但不限于激光位移传感器、接触式传感器、工业相机传感设备、扭矩扳手传感设备；所述多种通讯传输技术包括但不限于工业以太网、WIFI、5G、蓝牙以及手动输入通讯。其中，工业以太网支持EtherCAT、EtherNet、PROFINET、Powerlink及SERCOS等通信协议。此外，还需要说明的是，通过多种传感器，如激光位移传感器、接触式传感器、工业相机、扭矩扳手等传感设备，收集各类物理、几何工艺数据；通过工业以太网、WIFI、5G、蓝牙以及手动输入等多种通信手段进行信息融合传输，所述工业以太网支持EtherCAT、EtherNet、PROFINET、 Powerlink及SERCOS等多种通信协议；通过建立装配样机数据库，实现产品装配工艺信息的收集与数字化存储。
进一步地，在一个实施例中，基于数字孪生的航空发动机装配质量动态仿真方法还包括：通过对产品装配状态的分析、推演及预测实现程度复杂化产品的装配过程的动态指导，具体包括：通过可视化方法将装配仿真与测量结果叠加在装配样机上；通过可视化设备将装配状态信息展示至装配人员，用以辅助装配工艺决策完成。需要说明的是，借助个人电脑、平板电脑、AR 头盔等多种显示设备，实现装配过程中产品装配状态分析预测结果的全方位可视化表达。
为了更加清晰与准确地理解与应用本公开提出的基于数字孪生的航空发动机装配质量动态仿真方法，进行以下示例。需要说明的是，本公开所保护的范围不限于以下示例。
结合图2和3所示，具体的，基于图2，可以看出包括三部分，即工艺数据采集融合方法，产品装配样机，产品装配过程动态仿真分析方法。其中，工艺数据采集融合方法包括：航空发动机，信息传感与控制设备及信息传输网络，传感设备采集的工艺信息由传输网络融合传输至装配样机；产品装配样机包括：航空发动机三维模型，装配工艺信息数据库以及装配信息可视化模块，可视化信息将借助AR头盔、平板电脑、电脑显示器等显示设计来进行展示；航空发动机装配过程动态仿真分析方法包括：装配工艺机理轻量化模型，机理模型将结合实时数据，快速动态分析产品状态，并将分析结果反馈给装配样机。
其中，装配样机产品三维模型包括但不限于stl、stp、obj、slprt、fbx等常见三维模型文件格式，可由AutoCAD、CATIA、Solidworks、UG、ProE 等常见三维建模软件生成后导入，所建立三维模型是根据产品设计信息建立，是物理产品在虚拟空间的忠实映射；三维模型还将结合可视化实现方法，包括但不限于OpenGL等，将装配状态仿真结果的数值结果更直观的展现在产品模型上。
其中，工艺数据采集融合方法包含传感测量控制系统、通信系统等子系统组成。传感测量系统的传感器硬件是为了采集产品装配工艺信息而布置在产品上或装配生产线/工位上的；通讯系统由一个主站和若干从站组成，每个从站负责完成特定的任务，如测量从站与传感测量设备连接，实现对产品指定装配工艺参数的测量，驱动从站与装配产品上可动执行机构相连，实现产品运动部件的驱动。主站和各从站之间通过现场总线连接，主站可以和每个从站直接通讯，下达命令和接收反馈。
其中，航空发动机产品装配过程动态仿真分析方法中的装配工艺机理轻量化模型是为实现产品装配过程快速动态仿真分析而建立的。相比于现有的其他仿真方法，其最大特点在于对于硬件要求低，能够在保证一定仿真精度的同时实现快速仿真，而不像有限元分析法等分析方法为了追求仿真精度而产生消耗资源大、仿真速度慢等问题，保证了仿真的时效性，将结果快速反馈给装配人员，从而实现装配过程的实时指导。
进一步地，结合图3，即本实施例提供的基于数字孪生的装配质量动态仿真方法，结合可视化指导系统工作过程是指图3涉及的全闭环机器人系统的整体工作流程，具体包括：首先，装配航空发动机零部件，同时根据需要装配的零部件，载入产品及零部件的对应的三维模型；再次，装配人员根据装配工艺流程及产品装配状态，对产品的零部件进行装配，如使用扭矩扳手拧紧螺栓；再次，在装配人员对零部件进行装配的过程中，工控机或可编程逻辑控制PLC控制传感器对零部件的装配状态进行采集；再次，采集到的工艺信息通过工业以太网协议EtherCAT，将扭矩扳手采集到的拧紧力及转角传输至工控机中，并在工艺装配样机信息数据库中进行存储；再次，装配状态仿真模块调用工艺信息，即螺栓的拧紧力及螺栓转角，输入装配机理仿真模型，根据力矩信息及转角信息，结合产品材料、形状等额外信息，对产品的应力、形变等装配状态信息进行仿真、分析、推演；再次，装配状态仿真模块将产品的应力、形变等装配状态仿真数值结果返回至装配样机中，存储于产品工艺信息数据库中，装配样机中的可视化模块将仿真与测量结果一同用可视化方法叠加在装配样机三维模型上；再次，通过可视化设备，将产品在拧紧过程中拧紧力矩、拧紧角、拧紧顺序及零件形变等一系列仿真结果动态展示装配人员，指导装配人员调整装配工艺，若装配状态不理想，则返回第二步骤进行调整；最终，装配人员根据指导信息将产品装配状态调整至理想状态后，返回第一步骤，继续加载新的零部件直至产品完成装配。
本发明提供的一种基于数字孪生的航空发动机装配质量动态仿真方法，利用多种传感设备动态收集装配过程中的工艺信息，并将收集的工艺信息传输到基于数字孪生的装配样机数据库中，通过将装配过程轻量化机理模型与收集到的工艺信息数据相结合，快速动态分析、推演复杂产品在装配过程中的装配状态，保证分析结果实时性，再利用可视化表达方法将仿真结果展示在发动机装配样机中，进而指导装配人员动态调整产品装配，提高装配产品质量。本发明中的数字孪生装配样机，通过构建一种高效的数字化信息载体，提高航空发动机各装配环节间信息的流动性，提高装配质量状态的透明性；通过结合装配实时信息与快速动态装配机理仿真模型，提高装配工艺优化决策的时效性、科学性和可靠性，提高装配过程中的质量监控、分析与预测能力；通过开发装配状态可视化方法，实现装配工艺、过程及质量可视化，提高装配过程中的信息反馈能力；最终实现装配过程中工艺的动态迭代优化，尤其适用于装配工艺繁琐的复杂产品装配的指导。
基于同一发明构思，还提供了一种基于数字孪生的航空发动机装配质量动态仿真装置。由于此装置解决问题的原理与前述一种基于数字孪生的航空发动机装配质量动态仿真方法相似，因此，该装置的实施可以按照前述方法的具体步骤实现，重复之处不再赘述。
如图4所示，为一个实施例中的一种基于数字孪生的航空发动机装配质量动态仿真装置的结构示意图。该基于数字孪生的航空发动机装配质量动态仿真装置10包括：构建与接收模块200与动态仿真与分析模块400。
其中，构建与接收模块200用于构建基于数字孪生技术的产品装配样机，并接收装配工艺信息输入所述产品装配样机；动态仿真与分析模块400用于根据收集的产品装配实时信息，结合轻量化装配工艺机理模型，控制仿真精度在预设范围内，实现产品装配状态的动态仿真、分析及推演操作。
本发明提供的一种基于数字孪生的航空发动机装配质量动态仿真装置，利用多种传感设备动态收集装配过程中的工艺信息，并将收集的工艺信息传输到基于数字孪生的装配样机数据库中，通过将装配过程轻量化机理模型与收集到的工艺信息数据相结合，快速动态分析、推演复杂产品在装配过程中的装配状态，保证分析结果实时性，再利用可视化表达方法将仿真结果展示在发动机装配样机中，进而指导装配人员动态调整产品装配，提高装配产品质量。本发明中的数字孪生装配样机，通过构建一种高效的数字化信息载体，提高航空发动机各装配环节间信息的流动性，提高装配质量状态的透明性；通过结合装配实时信息与快速动态装配机理仿真模型，提高装配工艺优化决策的时效性、科学性和可靠性，提高装配过程中的质量监控、分析与预测能力；通过开发装配状态可视化方法，实现装配工艺、过程及质量可视化，提高装配过程中的信息反馈能力；最终实现装配过程中工艺的动态迭代优化，尤其适用于装配工艺繁琐的复杂产品装配的指导。
本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质上存储有计算机程序，该程序被图1中处理器执行。
本发明实施例还提供了一种包含指令的计算机程序产品。当该计算机程序产品在计算机上运行时，使得计算机执行上述图1的方法。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体 (Read-Only Memory，ROM)或随机存储记忆体(Random AccessMemory， RAM)等。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
以上结合具体实施例描述了本公开的基本原理，但是，需要指出的是，在本公开中提及的优点、优势、效果等仅是示例而非限制，不能认为这些优点、优势、效果等是本公开的各个实施例必须具备的。另外，上述公开的具体细节仅是为了示例的作用和便于理解的作用，而非限制，上述细节并不限制本公开为必须采用上述具体的细节来实现。
本公开中涉及的器件、装置、设备、系统的方框图仅作为示例性的例子并且不意图要求或暗示必须按照方框图示出的方式进行连接、布置、配置。如本领域技术人员将认识到的，可以按任意方式连接、布置、配置这些器件、装置、设备、系统。诸如“包括”、“包含”、“具有”等等的词语是开放性词汇，指“包括但不限于”，且可与其互换使用。这里所使用的词汇“或”和“和”指词汇“和/或”，且可与其互换使用，除非上下文明确指示不是如此。这里所使用的词汇“诸如”指词组“诸如但不限于”，且可与其互换使用。
另外，如在此使用的，在以“至少一个”开始的项的列举中使用的“或”指示分离的列举，例如“A、B或C的至少一个”的列举意味着A或B或C，或 AB或AC或BC，或ABC(即A和B和C)。此外，措辞“示例的”不意味着描述的例子是优选的或者比其他例子更好。
为了示例和描述的目的已经给出了以上描述。此外，此描述不意图将本公开的实施例限制到在此公开的形式。尽管以上已经讨论了多个示例方面和实施例，但是本领域技术人员将认识到其某些变型、修改、改变、添加和子组合。
Claims (10)
1.一种基于数字孪生的航空发动机装配质量动态仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：
构建基于数字孪生技术的产品装配样机，并接收装配工艺信息输入所述产品装配样机；
根据收集的产品装配实时信息，结合轻量化装配工艺机理模型，控制仿真精度在预设范围内，实现产品装配状态的动态仿真、分析及推演操作。
2.根据权利要求1所述的基于数字孪生的航空发动机装配质量动态仿真方法，其特征在于，所述构建基于数字孪生技术的产品装配样机包括：构建装配部件及零件的三维模型、构建产品装配工艺信息数据库以及构建装配状态与指导的可视化表达方法。
3.根据权利要求1所述的基于数字孪生的航空发动机装配质量动态仿真方法，其特征在于，所述根据收集的产品装配实时信息，结合轻量化装配工艺机理模型，控制仿真精度在预设范围内，实现产品装配状态的动态仿真、分析及推演操作包括：装配状态仿真模块调用工艺信息，进行产品状态仿真、分析及推演操作。
4.根据权利要求1所述的基于数字孪生的航空发动机装配质量动态仿真方法，其特征在于，还包括：通过多种传感器的使用与多种通讯传输技术的结合对采集的数据完成融合，其中，所述多种传感器包括激光位移传感器、接触式传感器、工业相机传感设备、扭矩扳手传感设备；所述多种通讯传输技术包括工业以太网、WIFI、5G、蓝牙以及手动输入通讯。
5.根据权利要求4所述的基于数字孪生的航空发动机装配质量动态仿真方法，其特征在于，所述工业以太网支持EtherCAT、EtherNet、PROFINET、Powerlink及SERCOS通信协议。
6.根据权利要求1所述的基于数字孪生的航空发动机装配质量动态仿真方法，其特征在于，所述产品装配状态包括螺栓扭矩、转角、预紧力，零件内部应力、应变、平面度、圆度，零部件间平行度、垂直度、装配体中零部件的端跳、径跳、同心度、间隙典型工艺参数数据。
7.根据权利要求1所述的基于数字孪生的航空发动机装配质量动态仿真方法，其特征在于，还包括：通过对产品装配状态的分析、推演及预测实现程度复杂化产品的装配过程的动态指导，具体包括：
通过可视化方法将装配仿真与测量结果叠加在装配样机上；
通过可视化设备将装配状态信息展示至装配人员，用以辅助装配工艺决策完成。
8.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现所述权利要求1-7中任一项所述方法的步骤。
9.一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现所述权利要求1-7中任一项所述方法的步骤。
10.一种基于数字孪生的航空发动机装配质量动态仿真装置，其特征在于，所述装置包括：
构建与接收模块，用于构建基于数字孪生技术的产品装配样机，并接收装配工艺信息输入所述产品装配样机；
动态仿真与分析模块，用于根据收集的产品装配实时信息，结合轻量化装配工艺机理模型，控制仿真精度在预设范围内，实现产品装配状态的动态仿真、分析及推演操作。
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