CN114580083A - 一种基于数字孪生的智能装配系统的构建方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于数字孪生的智能装配系统的构建方法，属于智能制造技术领域，包括：针对复杂装备产品装配生产现场技术物理车间动态数据要素，利用数据采集系统对物理车间进行装配工艺动态数据实时采集，进行预处理与标准化后存入数据库；以数字孪生车间模型作为系统客户端，通过与数据库的交互，将统一的数据服务驱动装配零部件三维虚拟模型以及产品三维模型，使数字孪生车间与装配生产物理车间实现双向动态映射；基于三维可视化系统集成，完成智能车间数字孪生系统的构建，从而实现数字飞机组装过程实时状态显示、状态演变、数据输入、数据保存等功能，解决了现有数字车间数据呈现单调、交互感与沉浸感差的问题。

Description

一种基于数字孪生的智能装配系统的构建方法
技术领域
本发明属于智能制造技术领域，涉及一种基于数字孪生的智能装配系统的构建方法。
背景技术
随着信息技术与制造业的融合对制造业变革的促进，世界各国纷纷提出先进制造发展战略，“美国工业互联网”、“德国工业4.0”等，以促进本国制造业的转型升级，如这些举措的目的都是借助信息技术，实现制造的物理世界和信息世界的互联互通与智能化操作，进而实现智能制造。作为实现物理信息系统融合的关键技术之一，数字孪生技术近年来得到深入研究。
数字孪生技术是指用数字技术描述和建模一个与物理实体的特性、行为和性能一致的过程或方法，它是实现物理空间与信息空间交互与融合的有效途径，主要由3部分组成：现实空间中的物理实体、信息空间的虚拟产品以及将虚拟产品和物理产品连接在一起的数据和信息。作为由物理空间到数字孪生模型的映射，数字孪生车间模型的构建、虚实数据的融合与交互是实现数字孪生车间的重要基础。相对于传统的装配，数字孪生驱动的产品装配呈现出新的转变，即工艺过程由虚拟信息装配工艺过程向虚实结合的装配工艺过程转变，模型数据由理论设计模型数据向实际测量模型数据转变，要素形式由单一工艺要素向多维度工艺要素转变，装配过程由以数字化指导物理装配过程向物理、虚拟装配过程共同进化转变。
从现阶段的专利公开以及文献资料显示，已有学者对此进行研究，一种基于数字孪生的智能车间自治生产过程动态联动控制方法(CN201810731107.1) 是在数字孪生模型中对智能车间运行状态进行实时仿真，计算实际生产运行过程中的进度偏差，并调用机床任务编排算法预测确定执行工件下一道工序的加工机床编号，生成机床任务编排序列最优解；一种基于数字孪生的车间级智能制造系统及其配置方法(CN201810339946.9)采用制造系统采用物理层、网络层和信息层组成的体系架构。智能制造系统的配置方法通过建立在制品与制造资源的数字孪生体﹐并建立与数字孪生体之间的映射关系,形成车间“人-机-物”自治交互机制,实现了车间“感知-计算-执行-反馈-决策”闭环制造逻辑。现有的发明对数字孪生的研究停留在基于数字孪生的车间智能制造系统的配置上，无法体现出集成为统一的可视化系统进行实时调度、实时控制，同步将物理车间与数字孪生车间进行同步协作，而且实时仿真延迟时间长。
为了实现飞机等复杂装备产品装配生产现场装配全过程模拟、状态监控以及装配结果预测，本发明在分析装备产品结构组成及功能需求分析的基础上，提出构建装备产品数字孪生体的方式来虚拟表达装配操作过程和结果预测。首先重点分析面向装备产品装配的数字孪生体技术路线，然后给出构建装备产品装配数字孪生体的体系结构，最后给出装备产品装配的数字孪生体装配技术实施途径，加之以三维可视化交互设计；研究给出基于数字孪生的装配模型，突破关键技术，研制原型系统，为基于数字孪生的装备产品装配提供技术支撑。因此，基于数字孪生的装配模拟仿真技术，提出基于数字孪生的复杂装备产品智能装配方法、装备产品数字孪生装配模型动态更新机制，使其在智能制造及智能工厂领域得到更加广泛的应用。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于数字孪生的智能装配系统的构建方法，解决了飞机等复杂装备产品装配生产现场技术状态复杂、装配工艺及路线复杂多变，加之装配精度与质量要求高，易出现装配错误、装配质量与精度不高、装配效率低、装配调试周期长，数据呈现单调、交互感与沉浸感差的技术问题，更为有效地实现了虚实数据的双向映射。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
本发明公开了一种基于数字孪生的智能装配系统的构建方法，包括：
1)针对复杂装备产品装配生产现场技术物理车间动态数据要素，构建物理车间全要素多层次的孪生模型，进行实体空间的装配工艺动态数据实时采集，利用数据采集系统采集物理车间的多源异构数据及飞机机翼装配现场实时数据，针对多源异构数据进行预处理与标准化后存入数据库；
2)以数字孪生车间模型作为系统客户端，通过与数据库的交互，将统一的数据服务驱动装配零部件三维虚拟模型以及产品三维模型，使数字孪生车间与物理车间实现双向动态映射；
3)基于三维可视化系统集成，使物理车间1)和数字孪生车间2)模型进行深度融合交互，完成智能车间数字孪生系统的构建。从而实现数字飞机组装过程实时状态显示、状态演变、数据输入、数据保存等功能，解决了现有数字车间数据呈现单调、交互感与沉浸感差的问题；
步骤1)中，产品在装配过程中产生的动态数据可分为生产人员数据、仪器设备数据、工装工具数据、装配物流数据、装配进度数据、装配质量数据、实做工时数据、逆向问题数据八大类。物理空间孪生模型包括：生产人员模型、生产人员位置数据、无线射频识别标签信息、仪器设备数据、装配物流数据、物理车间内的其他静止物体。结合产品生产现场的特点与需求，利用条码技术、无线射频识别、传感器等物联网技术进行装配资源信息标识，对装配过程感知的信息采集点进行设计，在装配车间构建一个装配物联网络，实现对装配资源的实时感知。将生产人员数据、仪器设备数据、工装工具数据、装配物流数据等装配资源相关数据归为实时感知数据；将装配进度数据、实做工时数据、装配质量数据和逆向问题数据归为过程数据，实时感知数据的采集将推动过程数据的产生。另外，针对以上数量庞大的多源、异构生产数据，在预定义装配信息处理与提取规则的基础上，对多源制造信息关系进行定义，并进行数据的识别和清洗，最后进行数据的标准化封装。
步骤2)中，通过统一的数据服务驱动装配生产线三维虚拟模型以及产品三维模型，将数字孪生车间客户端与服务器进行异步数据交互，实现装配产品数字孪生体实例及装配空间(生产线)数字孪生体实例的生成和不断更新，将数字孪生空间的装配生产线数字孪生体、产品数字孪生体实例与真实空间的装配生产线、实体产品进行关联，彼此通过统一的数据库实现数据交互，对于数字孪生车间客户端发送的数据请求，服务器接收请求后查询数据库并返回数据；对于数字孪生车间客户端的指令下达，服务器接收到指令下达后连接物理车间，实现物理车间的远程控制。
步骤3)中，三维可视化系统集成包括：人机交互和AR支持、物联网、大数据、三维等。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明公开了一种基于数字孪生的智能装配系统的构建方法。通过对物理车间进行全要素多层次的孪生建模，对飞机机翼的多部件多层次的三维建模，实现车间生产要素数字孪生体物理空间与虚拟空间的准确映射；通过统一的数据服务驱动装配生产线三维虚拟模型以及产品三维模型，实现装配产品数字孪生体实例及装配空间数字孪生体实例的生成和不断更新；通过集成三维可视化系统，实现数字孪生体的状态监控和过程优化反馈控制，对现场的人员和作业实现全面、实时的有效监管，使现实中的飞机机翼装配与虚拟环境中的飞机机翼装配仿真快速建模无缝融合。此外，通过构建三维可视化系统，从智能化、模块化、自动化等新角度进行深入研究，全面提高装配快速建模系统的应用效率，进一步拓展数字化应用的场景和展现模式，为未来应用新场景和新空间打造基础。数字孪生驱动的装配过程，将基于集成所有装备的物联网，实现装配过程物理世界与信息世界的深度融合，通过智能化软件服务平台及工具，实现零部件、装备和装配过程的智能规划、仿真优化，对复杂产品装配过程进行统一高效地管控，实现产品装配系统的自组织、自适应和动态响应，达到虚实融合、以虚控实的目的。实现复杂动态实体空间的多源异构数据实时准确采集、有效信息提取与可靠传输是实现数字孪生体的前提条件。因此，本发明在高效逼真的孪生模型基础上，实现虚实数据的实时交互与融合，使虚拟车间与物理车间保持高度一致，实现实时数据双向映射，在飞机零部件的装配过程中，减少装配顺序规划的复杂性，缩短飞机的装配周期，提高装配规划效率和实用性。
进一步地，通过人员、设备、物料和环境的生产要素选择，能够实现物理车间的高度还原。
进一步地，基于MBD技术对数字飞机组装过程进行联合深入研究，将MBD 技术与飞机装配过程设计相结合，实现装配工艺信息的数字化传递和装配工艺设计过程的并行协作。MBD制造模式下，建立航天器三维装配工艺现场应用系统，完成3D-AO建设。在装配的准备阶段，通过观看装配过程的动画，操作数字装配应用终端，以3D视图和3D动画的方式描述工艺信息装配指令，补充结构化的文本数据信息。
进一步地，通过多层次进行孪生模型的构建，能够提高物理车间飞机机翼装配进程状态的还原真实度；其中，通过行为模型的构建，为后续数据驱动提供有效的模型保障；有利于实现车间内设备数字孪生模型物理空间与虚拟空间的准确映射。
进一步地，实时驱动数据与面板显示数据存入内存数据库中，通过高速的数据采集不断进行更新覆盖，有利于数字孪生车间客户端历史加工状态的重现。
进一步地，通过与数据库的协同工作，优化实时数据的存取效率，提升计算机的性能，对于大量数据的交互与传输有较大益处。
进一步地，开发基于功能的计算机辅助快速建模装配信息管理系统，进行部件装配特征约束位置识别，结合A*算法，完成装配路径规划。
进一步地，提出交互特征对的概念及基于IFP的自动装配仿真方法，在建立的C空间中随机运动规划，为每个零件寻找无碰撞路径，将C空间中的规划结果转化为仿真环境中的零件运动，零件之间可以按照一定的交互顺序相互作用，自动模拟产品的装配过程。
进一步地，通过集成了人机交互和AR支持、物联网、大数据多种三维可视化交互方式，使数字孪生车间客户端在不同的功能与应用场景下得到更好的使用效果。二维监控界面直观展示车间数据，人机交互模块支持远程控制，AR支持可通过头戴式设备及其他交互方式增强交互感与沉浸感，多方式结合使用对虚拟仿真模型进行更贴近真实的表达。
综上所述，本发明提供了基于数字孪生的智能装配系统的构建方法。现有技术中，多从数据融合或三维监控平台的角度探究航空等数字孪生车间的构建，并未对数字孪生车间的完整构建方法展开研究。本发明从孪生模型的构建，虚实数据的交互至虚拟仿真的数字孪生车间客户端的可视化集成，提出了一套数字孪生车间完整可行的解决方案，从而完整孪生飞机机翼快速建模虚拟装配，自动模拟产品的装配过程。
本发明通过对物理车间及飞机机翼进行全要素、多层次的孪生模型构建，使数字孪生车间内人员、设备、环境、飞机机翼零部件模型多个层面均高度还原物理车间，从外观渲染至内部运行规律均进行了高度仿真，实现物理车间与数字孪生车间最大程度的一致性，提高飞机等复杂装备产品装配生产现场的仿真程度。此外，本发明的虚实数据交互框架完善，优化了现有的数字孪生车间数据架构。
附图说明
图1为本发明的总体框架图；
图2为本发明的数据交互架构图；
图3为本发明的装配顺序规划流程图；
图4为本发明的RFID、UWB在装配车间部署方式图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参见图1所示，一种基于数字孪生的智能装配系统的构建方法，包含车间全要素及飞机机翼的多部件多层次的孪生模型构建、虚实数据融合与交互、三维可视化系统集成三部分。车间全要素及飞机机翼的多部件多层次的孪生模型构建时整个数字孪生系统的物理实体基础；车间全要素及飞机机翼的多部件多层次的孪生模型构建后，实现物理车间与数字孪生车间最大程度的一致性，进行虚实数据的融合与交互，使所构建孪生模型与物理车间双向映射；最后加之以三维可视化系统的集成，使孪生模型达到更真实的效果，使数字孪生虚拟装配模型具有实时更新、现场感极强的“真实”模拟产品物理装配过程，以此完成智能车间数字孪生系统的构建。
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细说明：
1构建车间全要素及飞机机翼的多部件多层次的孪生模型
1.1通过对物理车间众多生产要素的分析与分解，可将物理车间生产要素分为人员、设备、物料、环境，分别进行车间全要素多层次的孪生模型的建模。
其中，人员包含车间操作人员简化模型、无线射频识别、标签信息、超宽带技术、人员位置信息及关键操作信息。根据生产要素的定位需求，本发明将物料附着RFID定位标签进行标识，通过RFID固定式读写器对其进行区域定位，并获取物料的生产状态信息。采用UWB设备对运载工具、人员、零部件等进行精确定位并追踪移动轨迹。装配生产车间生产要素众多、环境复杂，通过UWB 设备对人员精确定位能有效获取人员的实时位置、分布情况、运动轨迹、区域滞留时间等信息；
设备包含车间参与生产加工过程的全部设备，如数控机床、工业机器人、自动导引运输车，结合产品生产现场的特点与需求，利用条码技术、RFID、传感器等物联网技术进行装配资源信息标识，用UWB设备对运载工具、人员、零部件等进行精确定位并追踪移动轨迹。对装配过程感知的信息采集点进行设计，在装配车间构建一个装配物联网络，实现对装配资源的实时感知；
物料包含生产物料与加工工件，其孪生模型包含生产物料及加工工件模型、 RFID标签信息、标签块内的加工数据；
环境包含车间内的其他静止物体、车间墙壁等，通过几何模型的渲染实现物理车间环境的高度还原。
1.2飞机机翼的多部件多层次的孪生模型构建。
具体地，在本实施例中，可通过三维软件人工构建、飞机制造厂提供标准格式的模型文件、三维点云重建模型等方式组合构建几何模型文件。
具体地，从飞机制造厂进行实地调研，通过三维软件人工构建获得的复杂几何模型文件，可进行轻量化处理，利用CATIA实现几何模型初步构建。
几何模型初步构建完成后，对模型进行优化与渲染。将三维软件人工构建的几何模型，以及轻量化处理后模型导入3dsMax中进行数字孪生车间虚拟场景的搭建，并对模型进行修改、渲染与优化，得到几何模型，导入Posense Manager 软件中搭配UWB设备作为装配生产车间的实体车间地图。
2虚实数据交互与融合方法
如图2所示，在局域网下，通过数据采集系统、数据库(多数据库协同)、服务器、消息中间件及步骤(1)构建的数字孪生车间模型之间实时数据的高效数据传输，进行物理车间内多源异构数据的采集、预处理与标准化，通过数据的传输与交互使步骤(1)构建的数字孪生车间模型与物理车间双向映射，进行虚实数据融合与交互，实现数字孪生车间的虚实数据融合与交互，进而虚拟产线与物理产线的实时映射与远程控制。
利用CATIA二次开发技术，附加PYTHON脚本，通过脚本程序与服务器进行异步数据交互，编写PYTHON脚本驱动数字孪生车间运转，查看给定信息下数字孪生车间的运行状况，根据仿真结果进行真实物理车间的加工调整。
二次开发接口等方式对车间内AGV、UWB、飞机机翼装配实时情况等进行数据的采集，构建数据采集系统，同时将数据存入实时数据库与关系数据库中。同时，服务器通过通信接口、二次开发接口对车间底层设备进行远程控制与用户指令下达。
3三维可视化系统集成
步骤(1)构建的数字孪生车间的三维可视化系统集成，包含场景漫游、监控面板显示、人机交互、AR支持四部分，装配过程仿真旨在通过视觉方法(例如计算机图形学、模型技术)等可视化的途径去展示产品的可装配性。
具体地，在本实施例中，步骤(1)构建的数字孪生车间的三维可视化系统集成基于PYTHON编程实现。
所述人机交互，通过点击数字孪生车间界面内按键、输入命令等方式，向物理车间下达控制指令。
所述AR支持，即数字孪生车间客户端支持AR设备的应用，通过AR眼镜进行物理车间场景漫游，实现设备状态的自主呈现，通过语音、手势等方式进行人机交互，实现设备状态查看与远程操作，增强沉浸感与交互感。
下面结合具体实施例对设计三维可视化系统做进一步详细说明：
步骤1、装配顺序规划；
如图3所示，在计划装配顺序时，采用自下而上的层次计划。通过分离各层并创建装配方向图，可以将复杂的机翼盒模型分解为更小的数量和简单结构的装配模型。
步骤1.1、MBD环境下的改进A*算法；
具体地，引入MBD技术，建立装配工艺MBD数据集环境，根据环境信息进行全局路径规划，搜索最优路径。在全局路径搜索中，最有效的方法是A*算法，而A*算法作为一种典型的启发式优先级搜索算法，可以有效地解决路径规划的中点对点问题。
A*算法公式：
f(n)＝g(n)+h(n) (1)
式中：f(n)是从初始点经由节点n到目标点的估计函数，g(n)表示从起始点到某一随机点n的实际距离，h(n)表示从n到目标节点最佳路径的估计距离。
这个公式遵循以下特点：如果等于零，只有g(n)是必要的，从起点的最短路径，n是任意一点变成一个单源最短路径问题；如果h(n)不大于n到目标的实际距离，则可以得到最优解。A*算法的搜索流程定义如下：
1)将两个表定义为OPEN和CLOSED。OPEN表用于存储未访问的顶点。CLOSED 表用于存储已访问的顶点；
2)假设图有n顶点，将顶点Vs选为起点，目标点Vd是顶点，顶点Vi是其余地点，将起点放入OPEN表中，初始化CLOSED表；
3)确定打开的表是否为空，如果为空，则说明搜索过程失败；
4)如果不为空，移动OPEN表中的第一个顶点Vi到CLOSED表中；
5)判断Vi是否为目标顶点Vd，如果是，则表示搜索成功，算法继续运行；
6)如果不是，则对顶点Vi的子顶点Vj(j＜＝n,j≠i)展开搜索，计算F(Vj)值，确定Vj是否存在于OPEN表或CLOSED表上：
a)如果Vj不存在OPEN表和CLOSED表中，则选择将其存储在OPEN表中，并设置指向父顶点Vi的指针；
b)如果Vj存在OPEN表中，则更新在OPEN表的F(Vj)值，也就是说，将选取 OPEN表中较小的新值F(Vj)，而非较大的旧值F(Vj)，并设置指向父顶点的指针；
c)如果Vj已经存在于闭表中或者它们是障碍，忽略这个顶点，并返回第一步。根据F(Vj)值，升序排序OPEN表中的每个顶点，然后跳转到(3)。
步骤1.2、模型位姿空间变换算法；
具体地，装配路径的本质是由多个关键的位姿点连接组成的。位姿矩阵是指包含零部件在装配环境中的位置信息和姿态信息的矩阵，是虚拟装配中对零部件进行平移和旋转的内部信息依据，即：
Figure BDA0003543822330000121
式中：SPP为组成路径的所有关键的位姿点的集合，
Figure BDA0003543822330000122
为空间位置变换后的矩阵。
Figure BDA0003543822330000123
Figure BDA0003543822330000124
M2＝[a41 a42 a43] (5)
Figure BDA0003543822330000125
M4＝[a44] (7)
式中：M1为平移、旋转、反转以及缩放几何变换；M2为产生平移变换；M3为产生投影变换；M4为产生比例变换。
Figure BDA0003543822330000126
Figure BDA0003543822330000127
式中：Mzi为零部件的空间位置未变换的位姿矩阵；
Figure BDA0003543822330000128
为经CATIA/CAA平台得到空间位置变换后的矩阵。
每个零件因位置不同而得到一一对应的不同的位姿矩阵，其包括了零件的空间位置信息。
步骤2、装配模型标准化；
具体地，由于三维几何装配特征识别要比二维几何特征复杂，提出一种二维装配特征识别模式，将三维模机翼零件投影成6张二维视图，利用轮廓识别算法对每个投影图的轮廓进行识别，结合零件模型的各项尺寸确定零件的各个结合部位，以避免在识别同类型结合面的特征时造成冲突并产生碰撞。三维模型的装配特征与视图方向有关，旋转3D模型，以确保其主方向是新坐标系的+X 方向。
首先，计算三维模型的质心坐标。建立以计算出的质心为原始坐标点的新坐标系。
Figure BDA0003543822330000131
式中：Cm＝(cm1,cm2,cm2)是三维模型的质心，gi＝(gi1,gi2,gi3)是第i个划分三角形的的质心，Si是第i个划分三角形所含的面积，n是三角形的个数。
其次，我们使用三维模型的顶点集P来构造一个标准集Q，使用下面的变换。
Figure BDA0003543822330000132
Figure BDA0003543822330000133
Figure BDA0003543822330000134
pi＝(pi1,pi2,pi3,……) (14)
Qi＝(qi1,qi2,qi3,……) (15)
式中：
Figure BDA0003543822330000141
为pj的共轭矩阵；
Figure BDA0003543822330000142
为第i个三角形面积的平方；pi1为pi的列向量；pi是第i个矩阵；Qi是pi的标准矩阵。
得到三维模型的协方差矩阵：
Figure BDA0003543822330000143
式中：U为3D模型的相关矩阵。
计算的特征值，得到其特征向量。通过规范特征向量和安排在降序排列：
R＝(u1,u2,u3) (17)
式中：u1、u2和u3是U的特征向量，R为3D模型的旋转矩阵。
计算三维模型顶点的新坐标，每个顶点的坐标和三角形的参数可以通过CATIA二次开发遍历获得。通过一系列布尔运算可创建简易化3D模型，与初始 3D模型进行适配进而获得装配特征。
p′i＝R·pi (18)
式中：p′i为3D模型顶点的新坐标。
利用上述算法建立了一个新的坐标系。模型的六个视图方向是新坐标系的+ X、-X、+Y、-Y、+Z和-Z方向。
步骤3、装配运行自动规划路径；
具体地，CATIA装配过程快速建模涉及以下两个要点：(a)相互作用顺序规划确定零件何时运动；(b)运动规划决定零件如何运动。通过实现这两个关键要点，实现装配仿真的自动化，这里对具体实现进行描述：
1)对翼盒特征进行识别，依次安装前肋、前墙1、后墙1、翼梁1、钣金肋1到20、前墙2、后墙2、翼梁2、最后装入加强肋2。依次对翼盒零部件进行装配建模；
2)约束与装配运行过程。可实现装配部件的位置、相合、距离约束，4个机翼翼盒部件安装完成，约束点已经可以在CATIA中看到，接下来需要点击update 全部更新按钮进行更新；
3)开发快速建模装配信息系统，集成到计算机辅助三维交互应用程序 (CATIA)。点击对应部件的按钮，弹出对应里零部件图片，CATIA实时建模界面在检测到装配每一个部件时，输入尺寸实测值、偏差、厚度实测值、偏差，输出装配尺寸信息，当所有的机翼翼盒骨架全部装配成功后，快速建模装配信息系统同步输出所有的装配公差信息。
具体操作流程如下：
(a)运行机翼翼盒快速建模系统，输入部件的尺寸实测值、偏差、厚度实测值、偏差，点击对应部件的按钮，CATIA实时建模界面在检测到装配每一个部件时，每装配一个部件便弹出一个部件，可以实时看到装配界面；
(b)装配前肋jy-l-001、翼梁zq-01、后墙zq-02、前墙zq-03；
(c)点击更新按钮，开始装配，使用constraint约束功能将两个及以上部件装配在一起，更新后，结合面1和1装配在一起，2和2装配在一起，3和3 装配在一起；
(d)在快速建模尺寸信息系统显示装配尺寸信息；
(e)然后是装配第5个部件，钣金肋jy-l-002，第6个部件jy-l-003，……， jy-l-002到jy-l-019都是钣金肋；
(f)装配第13个部件前墙zq-04……，第15个部件后墙zq-07……，第19 个部件翼梁zq-06，第20个部件前墙zq-05，最后安装加强肋jy-l-020。
在快速建模装配尺寸信息系统界面，将jy-l-001到jy-l-020，zq-01到 zq-07所有的部件尺寸信息集合在一起，显示所有的尺寸信息。
综上，通过数字孪生车间的构建与三维可视化系统的集成，实现实时状态显示、历史加工状态重现、机翼装配运动仿真、远程控制、加工态势预测等功能的集成。其中，在MBD环境下与装配特征自动识别过程相结合，将装配模型标准化，并利用轮廓识别算法进行特征识别，采用A*算法获取最优装配路径。当正确获得几何特征、装配特征和约束之间的关系时，以改进A*算法-位姿变换算法为内核开发快速建模装配信息显示系统，将所需的功能集成在快速建模装配信息显示系统界面，进行交互式的快速建模，并显示更多的装配信息。对装配过程进行实验验证，使用改进后的改进A*算法-位姿变换算法装配周期缩短37.398％；逆向建模阶段化装配效率提高56.370％；使用改进A*算法-位姿变换算法发生错误数量71处，减少32.381％，与位姿矩阵算法相比提高了机翼翼盒装配的效率和准确性，从而验证了该方法的有效性。
因此，本发明提供了一种基于数字孪生的智能装配系统的构建方法，具体包含物理车间全要素多层次建模、虚实数据融合与交互，以及三维可视化交互系统集成。首先，综合运用多个软件，对物理车间全部生产要素，即人员、设备、环境、飞机机翼零部件多个层次的建模，使虚拟车间最大程度还原真实物理车间，得到数字孪生车间模型。其次，构建数据采集系统、数据库、数据库的服务器、消息中间件以及以得到的数字孪生车间模型作为三维虚拟仿真的客户端，进行多源异构数据的采集、预处理与标准化，并通过数据的高速传输与交互实现虚拟产线与物理产线的实时映射与远程控制。最后，通过场景漫游、监控面板显示、人机交互、AR支持这四种方式实现数字孪生车间的三维可视化系统集成，使物理空间和虚拟空间深度融合交互，从而实时状态显示、历史加工状态重现、机翼装配运动仿真、远程控制等功能。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于数字孪生的智能装配系统的构建方法，其特征在于，包括：
1)针对物理装配生产车间生产要素，构建物理车间全要素多层次的孪生模型，进行实体空间的装配工艺动态数据实时采集，对飞机机翼的多部件多层次的三维建模，实现车间生产要素数字孪生体物理空间与虚拟空间的准确映射，得到数字孪生车间模型；
2)以数字孪生车间模型作为系统客户端，构建数据采集系统采集物理车间的多源异构数据，针对多源异构数据进行预处理与标准化后存入数据库，针对所得多源异构数据进行预处理与标准化后存入数据库，以数字孪生车间模型作为系统客户端，通过与数据库的交互，将统一的数据服务驱动装配零部件三维虚拟模型以及产品三维模型，使数字孪生车间与物理车间实现双向动态映射；
3)基于三维可视化系统集成，实现数字孪生体的状态监控和过程优化反馈控制，对现场的人员和作业实现全面、实时的有效监管，使现实中的飞机机翼装配与虚拟环境中的飞机机翼装配仿真快速建模无缝融合，完成智能车间数字孪生系统的构建。
2.根据权利要求1所述的一种基于数字孪生的智能装配系统的构建方法，其特征在于，步骤1)中，车间的生产要素包括人员、设备、物料和环境，其中，人员包含车间操作人员简化模型、人员位置信息及关键操作信息，设备包含车间参与生产加工过程的全部设备，如数控机床、工业机器人、自动导引运输车，物料包含生产物料与加工工件，其孪生模型包含生产物料及加工工件模型、RFID标签信息、标签块内的加工数据，环境包含车间内的其他静止物体、车间墙壁等，通过几何模型的渲染实现物理车间环境的高度还原。
3.根据权利要求1所述的一种基于数字孪生的智能装配系统的构建方法，其特征在于，步骤1)中，根据生产要素的定位需求，本发明将物料附着RFID定位标签进行标识，通过RFID固定式读写器对其进行区域定位，并获取物料的生产状态信息，采用UWB设备对运载工具、人员、零部件等进行精确定位并追踪移动轨迹，装配生产车间生产要素众多、环境复杂，通过UWB设备对人员精确定位能有效获取人员的实时位置、分布情况、运动轨迹、区域滞留时间等信息。
4.根据权利要求1所述的一种基于数字孪生的智能装配系统的构建方法，其特征在于，步骤1)中，飞机机翼的多部件多层次的孪生模型构建，通过三维软件人工构建、飞机制造厂提供标准格式的模型文件、三维点云重建模型等方式组合构建几何模型文件；从飞机制造厂进行实地调研，通过三维软件人工构建获得的复杂几何模型文件，可进行轻量化处理，利用CATIA专业软件实现几何模型初步构建；几何模型初步构建完成后，对模型进行优化与渲染，将三维软件人工构建的几何模型，以及轻量化处理后模型导入3dsMax中进行数字孪生车间虚拟场景的搭建，并对模型进行修改、渲染与优化，得到几何模型，导入PosenseManager软件中搭配UWB设备作为装配生产车间的实体车间地图。
5.根据权利要求1所述的一种基于数字孪生的智能装配系统的构建方法，其特征在于，步骤2)中，多源异构数据包括生产人员数据、仪器设备数据、工装工具数据、装配物流数据、装配进度数据、装配质量数据、实做工时数据、逆向问题数据八大类。
6.根据权利要求1所述的一种基于数字孪生的智能装配系统的构建方法，其特征在于，数字孪生车间客户端内所需数据可分为实时驱动数据、面板显示数据与历史加工数据。
7.根据权利要求1所述的一种基于数字孪生的智能装配系统的构建方法，其特征在于，步骤2)中，数字孪生车间客户端与服务器进行异步数据交互指对于数字孪生车间客户端的指令下达，服务器接收到指令下达后连接物理车间，实现物理车间的远程控制，从而实现数字飞机组装过程实时状态显示、状态演变、数据输入、数据保存等功能；通过与数据库的交互，实时驱动数据与面板显示数据存入数据库中，通过高速的数据采集不断进行更新覆盖，将统一的数据服务驱动装配零部件三维虚拟模型以及产品三维模型，有利于数字孪生车间客户端历史加工状态的重现，使数字孪生车间与物理车间实现双向动态映射。
8.根据权利要求1所述的一种基于数字孪生的智能装配系统的构建方法，其特征在于，基于MBD技术对数字飞机组装过程进行联合深入研究，将MBD技术与飞机装配过程设计相结合，实现装配工艺信息的数字化传递和装配工艺设计过程的并行协作，MBD制造模式下，建立航天器三维装配工艺现场应用系统，完成3D-AO建设，在装配的准备阶段，通过观看装配过程的动画，操作数字装配应用终端，以3D视图和3D动画的方式描述工艺信息装配指令，补充结构化的文本数据信息。
9.根据权利要求1所述的一种基于数字孪生的智能装配系统的构建方法，其特征在于，开发基于功能的计算机辅助快速建模装配信息管理系统，进行部件装配特征约束位置识别，结合A*算法，完成装配路径规划。
10.根据权利要求1所述的一种基于数字孪生的智能装配系统的构建方法，其特征在于，采用基于交互特征对的自动装配仿真方法，在建立的C空间中随机运动规划，为每个零件寻找无碰撞路径，将C空间中的规划结果转化为仿真环境中的零件运动，零件之间可以按照一定的交互顺序相互作用，自动模拟产品的装配过程。
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